如何理解频谱仪中分辨率带宽RBW参数
频谱仪是射频工程师最常用的设备之一，信号的频率、功率、谐波、相位噪声等诸多射频参数都需要使用频谱仪测试。使用频谱仪时，有一个参数需要经常设置，就是分辨率带宽(resolution bw，简称rbw)。rbw是指中频链路上最小的中频滤波器带宽，决定了能够通过的信号及宽带噪声的功率，因此对频谱测试至关重要。
为什么将中频滤波器的带宽称为分辨率带宽？分辨率带宽对频谱测试有哪些影响？如何设置分辨率带宽？这些将是本文重点介绍的内容。
为什么称为分辨率带宽呢？
当测试cw信号的频谱时，您可能有过这样的体会：增大rbw时，信号频谱会“变胖”，而减小rbw时，信号频谱会“变瘦”，为什么会出现这样的情况？这样还能准确测试信号的频率和功率吗？
首先明确的是，对于cw信号，只要具有足够的信噪比，使用多大的rbw都是可以准确测试功率的，而单频点信号的频率测试也是不受rbw影响的。之所以在不同的rbw时具有不同的频谱形态，是因为看到的频谱实际上是中频滤波器的幅频响应。
对于扫频式频谱仪，中频是固定的，射频的扫描测试是通过lo的不断调谐实现的，正是由于lo的调谐才使得频谱呈现这样的形态。为了更加清晰地说明这一点，下面通过图示进行解释。
图1中，紫色谱线为rf信号的位置，红色谱线为lo调谐的位置，而蓝色谱线为if——频谱仪的中频都是固定的值。浅蓝色曲线为gaussian filter的幅频响应曲线，红色的圆点表示在lo不断调谐过程中，与rf信号混频后产生的中频信号的位置。
图1. lo不断调谐实现rf信号的扫描测试
图1. lo不断调谐实现rf信号的扫描测试(续)
lo调谐时，混频后的中频信号首先不断靠近频谱仪的if，然后再逐步远离if，假设混频器的变频损耗是平坦的，这意味着lo调谐过程中产生的所有中频信号的幅度都是相同的。但是，最终都要经过一个中心频率固定的中频滤波器，因此，最终呈现出的频谱就是这个中频滤波器的幅频响应曲线。
那么前面介绍的这些内容与分辨率有什么关系？
这是为了更好地理解下面的内容，前面是以单音信号为例，如果测试的是图2所示的等幅双音信号(绿色谱线)，频谱将是怎样的呢？
如果双音信号频间距远远小于中频滤波器的带宽，那么频谱仪是无法“分辨”出这两根谱线的，而是“误认为”是一根谱线。当频间距与中频滤波器带宽相等时，频谱仪测得的频谱将如图2(中)所示，通常认为此时为可分辨的临界点。如果将rbw设置得远远小于频间距，则可以非常清晰的将两个信号分辨出来，如图2(右)所示。
图2. 中频滤波器的带宽决定了频谱仪区分双音信号的能力
类似地，对于多音信号，只有中频滤波器带宽远远小于最小频间距时，频谱仪才可以清晰地分辨出来。因此，中频滤波器的带宽决定了频谱仪的频率分辨率，这就是为什么将其称为分辨率带宽rbw的原因。
为了使得频谱仪能够更好地分辨信号，如何设置rbw呢？其实没有一个定论，操作人员可以通过连续调整rbw的方式选择合适的值。通常情况下，对于等幅双音或多音信号，建议将rbw设置为最小频间距的1/10；对于非等幅信号，由于中频滤波器有限的带外选择性，需要将rbw设置得更小。
rbw除了影响分辨率，还会影响频谱仪哪些参数？
文章开头提到，rbw决定了能够通过中频滤波器的宽带噪声信号的功率，这也就意味着会影响频谱仪的底噪声水平。如果测试的是宽带信号，那么同样也会影响显示的信号功率大小。
当降低rbw时，频谱仪显示的底噪声也会随之而降，反之，当增大rbw时，底噪声也会随之增大。这就好比在教室上课，而外面很嘈杂，当将门逐渐关闭时，能听到的噪音越来越小，这是相同的道理。
如果要从理论上分析rbw对频谱仪底噪声的影响，那么就要从下面的公式说起。假设在室温下(290k)，则频谱仪的底噪声为：
noise floor, rms = kbt0 * fsa * gsa
式中，k为玻尔兹曼常数，b为系统带宽，fsa为频谱仪整个链路的等效噪声因子，gsa为整个链路的增益。通常，频谱仪的链路都做了校准，因此gsa=1。
noise floor, rms = kbt0 * fsa
对于频谱仪而言，系统带宽b与rbw之间有一定的比例关系，这取决于所使用的中频滤波器的类型，比如目前广泛应用于频谱仪的gaussian滤波器，系统带宽b与rbw基本相同。
为了便于理解，将上式写为对数形式，如下：
noise floor, rms = -174dbm/hz + nfsa + 10lg(rbw)
由上式可知：rbw越大，频谱仪的底噪越高；rbw增大10倍，则底噪将抬高10db。
所以，当测试比较微弱的信号时，就可以通过降低rbw来提高频谱仪的测试灵敏度。
值得一提的是，当测试宽带信号的频谱时，比如数字调制信号或者宽带噪声信号，marker显示功率值并不是一个频点的功率，而是rbw带宽内的总功率。当降低rbw时，marker显示的功率值也会变小；同样，增大rbw时，marker显示的功率值也会变大。这些变化都是正常的！
但是测试单频点信号的功率除外，只要具有足够的信噪比，无论rbw如何设置，marker显示的功率值都是不变的！
rbw除了影响频谱仪的底噪和频率分辨率，对总体的扫描速度也有影响。当rbw设置得很小时，频谱仪的扫描速度会非常慢，这是因为：滤波器的带宽越小，瞬态响应时间越长，也就是需要更长的时间建立冲激响应。
如何设置rbw才能实现更好的测试效果？
具体如何设置rbw，与测试的信号特点以及测试参数都有一定的关系。需要根据rbw对频谱仪性能的影响，以及信号自身的特点，选择合适的rbw。下面列举了三种典型的测试场景，并给出了相应的推荐设置。
场景一：单频点信号的频谱测试
如果信号功率较大，无所谓rbw如何设置。但是，当信号很微弱时，就需要适当降低rbw，以降低底噪声，提高信噪比，比如测试杂散、高次谐波等。如果要保证一定的功率测试精度，则snr至少要达到10db以上。
场景二：多音信号的频谱测试
多音信号是指具有多个频率点的cw信号，如果各个频点的幅度相同，则建议rbw不超过最小频率间距的1/10，以完全分辨出各个信号。如果各个频点的幅度不同，那么rbw还需要设置得更小，以减少中频滤波器的滚降特性带来的影响。比如，测试射频脉冲信号的线状谱时，距离载波越远的谱线幅度越低，rbw要远远小于脉重频才可以实现清晰的观测。
场景三：带宽积分法测试宽带信号的总功率
测试宽带信号的总功率，应用更多的是带宽积分法，测试思路是，首先根据当前设置的rbw及对应的功率值计算出信号的功率谱密度，然后再对宽带信号进行积分，从而得到总功率值。
有些文献提到，采用带宽积分法测试宽带信号总功率时，由于中频滤波器有限的带外抑制度，在信号带宽左右两个边界处，无法对带外信号或噪声进行充分抑制，因此为了提高测试精度，建议将rbw选择为信号带宽的1%~3%。当然，rbw也不适合取太小，否则测试速度会非常慢。
其实，如果只是测试宽带信号的功率，大可不必将rbw设置得这么小，实测表明：rbw取为信号带宽的1/10，甚至更大，测得的信号功率并没有太大变化。
尽管如此，当测试诸如cdma/wcdma等无线通信信号的acpr或者aclr时，仍然建议rbw设置得小一点，这样在测试临道功率时，才能够抑制较强的信道信号，从而保证测试精度！
另外，还须注意，只有选择rms检波器时，测得的功率才是真正的总功率。关于显示检波器的内容，将在后续的文章中详细地描述。
在初次使用频谱仪时，也有很多困惑，其中就包含对rbw的理解。为什么称为“分辨率”带宽，rbw对频谱仪有什么影响，对测试结果有什么影响，等等诸如此类的问题。经过不断的摸索和思考，对这些问题的理解也更加深入，整理下来分享给大家，希望对大家有所帮助。
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为什么称为分辨率带宽呢？
当测试cw信号的频谱时，您可能有过这样的体会：增大rbw时，信号频谱会“变胖”，而减小rbw时，信号频谱会“变瘦”，为什么会出现这样的情况？这样还能准确测试信号的频率和功率吗？
首先明确的是，对于cw信号，只要具有足够的信噪比，使用多大的rbw都是可以准确测试功率的，而单频点信号的频率测试也是不受rbw影响的。之所以在不同的rbw时具有不同的频谱形态，是因为看到的频谱实际上是中频滤波器的幅频响应。
对于扫频式频谱仪，中频是固定的，射频的扫描测试是通过lo的不断调谐实现的，正是由于lo的调谐才使得频谱呈现这样的形态。为了更加清晰地说明这一点，下面通过图示进行解释。
图1中，紫色谱线为rf信号的位置，红色谱线为lo调谐的位置，而蓝色谱线为if——频谱仪的中频都是固定的值。浅蓝色曲线为gaussian filter的幅频响应曲线，红色的圆点表示在lo不断调谐过程中，与rf信号混频后产生的中频信号的位置。
图1. lo不断调谐实现rf信号的扫描测试
图1. lo不断调谐实现rf信号的扫描测试(续)
lo调谐时，混频后的中频信号首先不断靠近频谱仪的if，然后再逐步远离if，假设混频器的变频损耗是平坦的，这意味着lo调谐过程中产生的所有中频信号的幅度都是相同的。但是，最终都要经过一个中心频率固定的中频滤波器，因此，最终呈现出的频谱就是这个中频滤波器的幅频响应曲线。
那么前面介绍的这些内容与分辨率有什么关系？
这是为了更好地理解下面的内容，前面是以单音信号为例，如果测试的是图2所示的等幅双音信号(绿色谱线)，频谱将是怎样的呢？
如果双音信号频间距远远小于中频滤波器的带宽，那么频谱仪是无法“分辨”出这两根谱线的，而是“误认为”是一根谱线。当频间距与中频滤波器带宽相等时，频谱仪测得的频谱将如图2(中)所示，通常认为此时为可分辨的临界点。如果将rbw设置得远远小于频间距，则可以非常清晰的将两个信号分辨出来，如图2(右)所示。
图2. 中频滤波器的带宽决定了频谱仪区分双音信号的能力
类似地，对于多音信号，只有中频滤波器带宽远远小于最小频间距时，频谱仪才可以清晰地分辨出来。因此，中频滤波器的带宽决定了频谱仪的频率分辨率，这就是为什么将其称为分辨率带宽rbw的原因。
为了使得频谱仪能够更好地分辨信号，如何设置rbw呢？其实没有一个定论，操作人员可以通过连续调整rbw的方式选择合适的值。通常情况下，对于等幅双音或多音信号，建议将rbw设置为最小频间距的1/10；对于非等幅信号，由于中频滤波器有限的带外选择性，需要将rbw设置得更小。
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文章开头提到，rbw决定了能够通过中频滤波器的宽带噪声信号的功率，这也就意味着会影响频谱仪的底噪声水平。如果测试的是宽带信号，那么同样也会影响显示的信号功率大小。
当降低rbw时，频谱仪显示的底噪声也会随之而降，反之，当增大rbw时，底噪声也会随之增大。这就好比在教室上课，而外面很嘈杂，当将门逐渐关闭时，能听到的噪音越来越小，这是相同的道理。
如果要从理论上分析rbw对频谱仪底噪声的影响，那么就要从下面的公式说起。假设在室温下(290k)，则频谱仪的底噪声为：
noise floor, rms = kbt0 * fsa * gsa
式中，k为玻尔兹曼常数，b为系统带宽，fsa为频谱仪整个链路的等效噪声因子，gsa为整个链路的增益。通常，频谱仪的链路都做了校准，因此gsa=1。
noise floor, rms = kbt0 * fsa
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多音信号是指具有多个频率点的cw信号，如果各个频点的幅度相同，则建议rbw不超过最小频率间距的1/10，以完全分辨出各个信号。如果各个频点的幅度不同，那么rbw还需要设置得更小，以减少中频滤波器的滚降特性带来的影响。比如，测试射频脉冲信号的线状谱时，距离载波越远的谱线幅度越低，rbw要远远小于脉重频才可以实现清晰的观测。
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其实，如果只是测试宽带信号的功率，大可不必将rbw设置得这么小，实测表明：rbw取为信号带宽的1/10，甚至更大，测得的信号功率并没有太大变化。
尽管如此，当测试诸如cdma/wcdma等无线通信信号的acpr或者aclr时，仍然建议rbw设置得小一点，这样在测试临道功率时，才能够抑制较强的信道信号，从而保证测试精度！
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