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小小频谱分辨率功能,成就频谱分析仪大“形象”!

作者:博宇讯铭

频谱分析仪的频率分辨率是它区分临近频率分量的能力。有很多信号测试要求频谱仪具有较高的频率分辨率,只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时,才会在屏幕上正确反映信号的特性。频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本地振荡器的性能有关。据博宇讯铭了解,中频滤波器的类型、3dB带宽、频率选择性和本地振荡器的本振残余调频和本振相位噪声都会影响到频谱分析仪的频率分辨率。


频谱分析仪


1.RBW对邻近等幅信号分辨的影响

频谱仪上理想CW信号不可能显⽰为⽆限细的线,它本⾝有⼀定的宽度。当调谐通过信号时,其形状是频谱分析仪⾃⾝分辨率带宽(IF滤波器)形状的显⽰。这样,如果改变滤波器的带宽,就改变了显⽰响应的宽度。

通常会将中频滤波器的3dB带宽定义为RBW,RBW越⼩,频率分辨率越⾼,频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能⼒。

当两个等幅信号相邻很近时,频谱分析仪上看到两个信号之间有⼀个3dB的凹陷,这时两个信号被认为是可以分辨开的,即两个信号间隔⼤于所选分辨率带宽的3dB带宽,就可以将它们分辨出来。

RBW越⼩频率分辨率越⾼,但是扫描⼀帧频率所需要的时间也越长,另外RBW每增加10倍,底噪功率增加10dB。

我们设置不同的RBW,可以测量出底噪的差别很明显。较低的RBW有助于不同频率信号的分辨,同时使底噪降低,可以测量更低功率的信号,观察到更⼩的杂散,但是扫描时间将显著延长。较⾼的RBW有助于快速测量宽频带信号,但是将增加底噪,降低量测灵敏度,因此设置“够⽤”的RBW宽度是正确使⽤频谱分析仪重要的测试技巧。

2.矩形系数对不等幅信号分辨的影响

矩形系数被定义为(60dBBW)/(3dBBW)

在测量不等幅信号的时候,⼩信号很可能被淹没在打信号的边带内,对于幅度相差60dB的两个信号,其间隔⾄少是60dB带宽的⼀半(⽤近似3dB下降作区分),滤波器的矩形系数是决定不等幅信号分辨率的关键。

对于像个10kHz幅度下降50dB的失真产物的测试,如果RBW设为3kHz,滤波器矩形系数为15:1,则滤波器60dB的带宽为45kHz,失真产物便会被影藏在测试信号的响应边带下。如果采⽤1kHz的滤波器,60dB带宽为15kHz,失真产物便可以被观测到了。


频谱分析仪


3.相位噪声对分辨率影响

为何RBW滤波器的矩形系数定义会以60dB为界?如果矩形系数代表了频谱分析仪分辨不等幅正弦信号的能⼒,那如何约束⾼于底噪⽽低于60dB的不等幅信号的测量能⼒?这就要涉及到频谱分析仪本地振荡器的稳定程度,因为本振本⾝的不稳定,其相位噪声可能将靠近载波频率附近60dB以下的信号全部淹没,这时矩形系数已经没有测量意义了。

频谱分析仪的LO都是由参考源(通常是晶体振荡器,XO)倍频⽽来。没有哪种参考源是绝对稳定的,它们都在某种程度上受到随机噪声的频率或相位调制的影响,这个影响程度随时间在变化。时间的稳定度可以分为两类:长期稳定度和短期稳定度。长期稳定度是指时钟频率偏离绝对值的多少,⼀般⽤ppm(百万分之⼀)来表⽰;短期稳定度是时钟相位瞬态的变化,在时域上称抖动(jitter),在频域上称相位噪声(PhaseNiose),表⽰为指相对于载波⼀定频偏处的1Hz带宽内的能量与载波电平的⽐值,相应的单位为归⼀化的dBc/Hz。相位噪声主要影响频谱仪的分辨率和动态范围。

需要说明,在将参考源倍频得到本振的过程中,稳定度也将按倍频⽐例恶化,其结果是相位噪声变差。因此相位噪声的标定通常要对应特定的测量频率,例如在500MHz,1GHz等频率点测量;典型的相位噪声曲线经常要提供多个频率点的情况,例如偏离1kHz,10kHz,100kHz分别给出测量值,便于横向⽐较。

混频器将输⼊的射频信号和本振信号相乘然后滤波,得到变频后的中频信号。即使输⼊的射频信号是⼀个很纯净的正弦波,混频器也会将本振的相位噪声忠实地带⼊混频结果,形成⼀个具有相同相位噪声的中频信号。

因此,当我们对包含了本振相位噪声的中频进⾏“峰值检测”时,相位噪声就会体现在测量结果中。在某个RBW下,距离这个频率很近同时幅度⼜⾼于系统显⽰平均噪声电平的另⼀个信号,虽然可被RBW在频率轴分辨出来,但仍会隐藏在相位噪声之下。当然,相位噪声也是⼀种随机噪声,它和系统的显⽰平均噪声电平⼀样,随分辨率带宽的变化规律⼀致,若将分辨率带宽缩⼩10倍,显⽰相位噪声电平将减⼩10dB。这种情况下需要使⽤超过实际分辨率的RBW来测量,代价就是增加了系统的扫描时间。

免责声明:本文素材整理网络或厂商的网站或彩页,版权归其所有,引用的目的在于传递更多信息。本文所有内容仅供参考,不是相关的建议和推荐。本文所有内容均用于传递更多信息,不承担因疏忽或失误造成的直接责任和连带责任。

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频谱分析仪的频率分辨率是它区分临近频率分量的能力。有很多信号测试要求频谱仪具有较高的频率分辨率,只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时,才会在屏幕上正确反映信号的特性。频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本地振荡器的性能有关。据博宇讯铭了解,中频滤波器的类型、3dB带宽、频率选择性和本地振荡器的本振残余调频和本振相位噪声都会影响到频谱分析仪的频率分辨率。


频谱分析仪


1.RBW对邻近等幅信号分辨的影响

频谱仪上理想CW信号不可能显⽰为⽆限细的线,它本⾝有⼀定的宽度。当调谐通过信号时,其形状是频谱分析仪⾃⾝分辨率带宽(IF滤波器)形状的显⽰。这样,如果改变滤波器的带宽,就改变了显⽰响应的宽度。

通常会将中频滤波器的3dB带宽定义为RBW,RBW越⼩,频率分辨率越⾼,频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能⼒。

当两个等幅信号相邻很近时,频谱分析仪上看到两个信号之间有⼀个3dB的凹陷,这时两个信号被认为是可以分辨开的,即两个信号间隔⼤于所选分辨率带宽的3dB带宽,就可以将它们分辨出来。

RBW越⼩频率分辨率越⾼,但是扫描⼀帧频率所需要的时间也越长,另外RBW每增加10倍,底噪功率增加10dB。

我们设置不同的RBW,可以测量出底噪的差别很明显。较低的RBW有助于不同频率信号的分辨,同时使底噪降低,可以测量更低功率的信号,观察到更⼩的杂散,但是扫描时间将显著延长。较⾼的RBW有助于快速测量宽频带信号,但是将增加底噪,降低量测灵敏度,因此设置“够⽤”的RBW宽度是正确使⽤频谱分析仪重要的测试技巧。

2.矩形系数对不等幅信号分辨的影响

矩形系数被定义为(60dBBW)/(3dBBW)

在测量不等幅信号的时候,⼩信号很可能被淹没在打信号的边带内,对于幅度相差60dB的两个信号,其间隔⾄少是60dB带宽的⼀半(⽤近似3dB下降作区分),滤波器的矩形系数是决定不等幅信号分辨率的关键。

对于像个10kHz幅度下降50dB的失真产物的测试,如果RBW设为3kHz,滤波器矩形系数为15:1,则滤波器60dB的带宽为45kHz,失真产物便会被影藏在测试信号的响应边带下。如果采⽤1kHz的滤波器,60dB带宽为15kHz,失真产物便可以被观测到了。


频谱分析仪


3.相位噪声对分辨率影响

为何RBW滤波器的矩形系数定义会以60dB为界?如果矩形系数代表了频谱分析仪分辨不等幅正弦信号的能⼒,那如何约束⾼于底噪⽽低于60dB的不等幅信号的测量能⼒?这就要涉及到频谱分析仪本地振荡器的稳定程度,因为本振本⾝的不稳定,其相位噪声可能将靠近载波频率附近60dB以下的信号全部淹没,这时矩形系数已经没有测量意义了。

频谱分析仪的LO都是由参考源(通常是晶体振荡器,XO)倍频⽽来。没有哪种参考源是绝对稳定的,它们都在某种程度上受到随机噪声的频率或相位调制的影响,这个影响程度随时间在变化。时间的稳定度可以分为两类:长期稳定度和短期稳定度。长期稳定度是指时钟频率偏离绝对值的多少,⼀般⽤ppm(百万分之⼀)来表⽰;短期稳定度是时钟相位瞬态的变化,在时域上称抖动(jitter),在频域上称相位噪声(PhaseNiose),表⽰为指相对于载波⼀定频偏处的1Hz带宽内的能量与载波电平的⽐值,相应的单位为归⼀化的dBc/Hz。相位噪声主要影响频谱仪的分辨率和动态范围。

需要说明,在将参考源倍频得到本振的过程中,稳定度也将按倍频⽐例恶化,其结果是相位噪声变差。因此相位噪声的标定通常要对应特定的测量频率,例如在500MHz,1GHz等频率点测量;典型的相位噪声曲线经常要提供多个频率点的情况,例如偏离1kHz,10kHz,100kHz分别给出测量值,便于横向⽐较。

混频器将输⼊的射频信号和本振信号相乘然后滤波,得到变频后的中频信号。即使输⼊的射频信号是⼀个很纯净的正弦波,混频器也会将本振的相位噪声忠实地带⼊混频结果,形成⼀个具有相同相位噪声的中频信号。

因此,当我们对包含了本振相位噪声的中频进⾏“峰值检测”时,相位噪声就会体现在测量结果中。在某个RBW下,距离这个频率很近同时幅度⼜⾼于系统显⽰平均噪声电平的另⼀个信号,虽然可被RBW在频率轴分辨出来,但仍会隐藏在相位噪声之下。当然,相位噪声也是⼀种随机噪声,它和系统的显⽰平均噪声电平⼀样,随分辨率带宽的变化规律⼀致,若将分辨率带宽缩⼩10倍,显⽰相位噪声电平将减⼩10dB。这种情况下需要使⽤超过实际分辨率的RBW来测量,代价就是增加了系统的扫描时间。

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