頻譜分析儀基礎(chǔ)：帶寬

1、簡介
頻譜分析儀是廣播監(jiān)控，射頻元件測試和EMI故障排除的有用工具。許多現(xiàn)代分析儀可以進行許多常見的調(diào)整，可以優(yōu)化特定應(yīng)用的性能。在本應(yīng)用文檔中，我們將介紹分辨率帶寬（RBW）和視頻帶寬（VBW）以及它們?nèi)绾斡绊憸y量。

2、分辨率帶寬（RBW）
帶寬定義為特定事件焦點的頻率范圍。例如，傳輸信號的帶寬是傳輸占用的頻率范圍。測量的帶寬定義了用于測量的頻率范圍。
在頻譜分析中，分辨率帶寬（RBW）定義為應(yīng)用于輸入信號的終濾波器的頻率跨度。較小的RBW可提供更精細(xì)的頻率分辨率，并能夠區(qū)分頻率更接近的信號。
為什么不對所有測量使用小的RBW設(shè)置？

掃描時間

掃描時間是將檢測器從開始掃描到停止頻率所需的時間長度。以下是控制掃描速度的公式：

在該公式中，因子的含義是SPAN下的頻率選擇數(shù)，每一步是RBW的1 / k，以確保幅度測量的準(zhǔn)確性。第二個因素意味著每個選擇所需的時間取決于RBW和視頻帶寬（VBW）之間的較小值。通常，當(dāng)我們不關(guān)注噪聲時，可以將VBW設(shè)置為大于或等于RBW的值。
時間方程式減少為：

也就是說，掃描時間與SPAN成比例，并且與RBW的平方成反比。這意味著如果RBW減少100倍，掃描時間將在同一SPAN中增加10000倍
較小的RBW也降低了本底噪聲，但它們延長了給定頻率范圍內(nèi)的掃描時間。選擇具有大量RBW設(shè)置的頻譜分析儀，尤其是在較低頻率端。您可能不經(jīng)常使用10 Hz RBW，但是當(dāng)您這樣做時它非常有用。調(diào)整很容易。只需調(diào)整RBW即可為您的應(yīng)用提供速度和分辨率之間的適當(dāng)平衡。
圖1是以20 kHz分隔的兩個信號的測量值。使用30kHz（藍(lán)色），10kHz（黃色）和3kHz（粉紅色）的RBW收集跡線。觀察者雖然這兩個相似信號測量功率的頻率*不變，但只有當(dāng)RBW小于信號之間的頻率差時，信號分離才會明確。

圖1：頻譜分析儀顯示三個不同分辨率帶寬（RBW）設(shè)置的兩個信號。

3、形狀和形狀因子

RBW濾波器的形狀和形狀因子也是重要的選擇。許多分析儀都有一個RBW濾波器，它具有高斯形狀和在3dB點確定的形狀因子。RBW值是濾波器的帶通頻率，比濾波器的峰值響應(yīng)低3dB?；叵胍幌?，3 dB等于大值的50％。這也稱為濾波器全寬半大值（FWHM）值。3 dB高斯濾波器對于許多測量是可接受的，但是對于電磁兼容性（EMC）相關(guān)測量，可能需要定義為6 dB的濾波器。

濾波器的形狀因子是兩個衰減值的響應(yīng)比。通常，大衰減在60 dB下測量。衰減值較低或為6 dB。它是濾波器響應(yīng)銳度的度量。如果比率很大，則過濾器不是很“尖銳”。這表明濾波器在很大的頻率范圍內(nèi)擴散。如果比率較小，則表示更薄的過濾器形狀和更清晰的滾落，這有助于拒絕更多的帶外信號。圖2顯示了如何計算給定濾波器的3 dB和6 dB點的形狀因子。對于頻譜分析儀，3 dB和6 dB形狀因子相似，但6 dB濾波器具有更陡的曲線并具有更高的帶外抑制。
形狀因子@ 3 / 60dB =（F6- F1）/（F4-F3）
形狀因子@ 6 / 60dB =（F6- F1）/（F5-F2）

圖2：高斯濾波器顯示3,6和60 dB點和中心頻率（Fc）。

4、相位噪聲

影響分析儀頻率分辨率的另一個因素是相位噪聲。被觀察為信號中心頻率附近的噪聲幅度的擴大和增加（圖3）。它是由用作頻譜分析儀電路中的定時參考的振蕩器的隨機熱波動引起的。這些波動導(dǎo)致輸出時鐘信號的相位隨時間變化，非常類似于基于時間的系統(tǒng)中的抖動。這種擴展可以掩蓋可能接近感興趣頻率的任何小信號。要進行有意義的測量，請選擇相位噪聲低于您正在測量的信號源的儀器。

 
5、視頻帶寬（VBW）

影響頻譜分析儀顯示的跡線質(zhì)量的另一個因素是視頻帶寬（VBW）。視頻濾波是一種時域低通濾波器，在數(shù)學(xué)上等于均值或平均值。VBW濾波器的主要作用是平滑跡線并降低噪聲。
嚴(yán)格來說，VBW不會改變測量結(jié)果。它不會影響測量過程的“頻率選擇，峰值檢測”。收集數(shù)據(jù)后，但在屏幕顯示跟蹤之前應(yīng)用VBW過濾器。從下面的圖4可以看出，當(dāng)VBW很大時，噪聲使得難以進行小的信號觀察。如果我們減小VBW，小信號就會變得更清晰。

 
6、結(jié)論

現(xiàn)代頻譜分析儀提供靈活的測量功能。選擇一個提供可調(diào)RBW / VBW（越低越好）的分析儀，相位噪聲低于您測試的信號。調(diào)整RBW可以提供更低的本底噪聲和精細(xì)的頻率分辨率，但掃描時間會急劇增加。對于有噪聲的信號，您可以降低VBW以幫助平滑跡線并使信號識別更容易，但這也會增加掃描時間。如果您正在進行EMI測量，則需要6dB更清晰的濾波器選項來提高峰值檢測精度。