频谱分析仪应用解惑之频率分辨力.PDFVIP

频谱分析仪应用解惑之频率分辨力 杨鼎 深圳市鼎阳科技有限公司 频谱分析仪应用解惑之频率分辨力 杨鼎 深圳市鼎阳科技有限公司 带宽是频域分析中的常见指标，在上一部分的文章《频谱分析仪应用解惑之带宽》中，我们讲述了频 谱分析仪中常见的分辨率带宽和视频带宽，文中提到RBW 的带宽和矩形系数是影响测量频率分辨力的两个 主要因素，另外还有近端的相位噪声和本振的剩余调制。相位噪声是一个复杂的因素，本文仅从频谱分析 仪的频率分辨力这个角度来阐述。在具体操作上，仪器的显示点数也在形式上影响着观察到的频率分辨力。 如图１所示为影响频率分辨力的四个因素。 图 1 影响频谱分析仪频率分辨力的四个因素 我们先来解释几组测量中容易混淆的概念，一组是分辨率（Resolution），准确度（Accuracy）和精确度 （Precision），一组是频谱分析仪的频率分辨率和频率分辨力。频谱分析仪是个复杂的测量系统，其准确度 和精确度须要测量不确定度表示，本文不在此详述。 分辨率是个显示度量单位，通俗讲就是测量刻度的精细程度，是一个静态参数。准确度和精确度是用 来度量测量值和真实值之间差别的参数。准确度表示测量值和真实值之间偏离的程度，是对系统误差和校 准的度量；精确度用来表示多个测量值分布的离散程度，是对测量过程中随机噪声的度量。 我们举一个例子：多次测量一个值然后求平均。见图2，平均值和真值之间的偏差表明了这次测量活动 的准确度，多次测量值分布的位置表明了这次测量活动的精确度。而分辨率，准确度和精确度之间其实是 没有什么关系的，准确度差的测量系统可能拥有很高的精确度，分辨率高的测量系统可能也完全不具备好 的精确度和准确度。例如，一把尺子的分辨率到 1 mm，但是由于刻度分布不均，测量值和真实值的差别达 到了 10 mm，准确度认为比较差，这种情况下这把尺子分辨率再高也并卵，然而由于测量系统的科学严谨， 若干次测量的偏差都在2 mm 左右分布，表明这个测量过程的精确度还是比较高的。 图 2 准确度和精确度 再来结合频谱分析仪的基本概念，频率分辨率就是频率轴的最小刻度单位，通常的频谱分析仪的频率 分辨率都能够达到 1Hz。但这并不是指拥有区分出频率相差 1Hz 的两个正弦波的能力，分辨率仅仅指显示 刻度。实际的频率分辨力要靠分辨率带宽（RBW）来完成，也就是实际能够区分出的频率是个在某个频率 点上具有一定带宽的信号，而不是落在某个频率点上的一条细线，通常的频谱分析仪的分辨率带宽能够达 到 1 kHz，100 Hz 等。 分辨率带宽原理上是选频高斯滤波器的形状，量化的定义是距离滤波器峰值衰减 3dB 处的带宽，同时 还约束了矩形系数的要求，作用上指将两个不同频率的信号清晰分辨出来的能力，这两个概念已经在上一 篇文章中详细阐述。 通常，频谱分析仪的矩形系数都能够达到5：1 左右,如图3 所示。 图 3 矩形系数示意 如下图4 所示，随着频率分辨能力的变化，两个临近的不等幅信号的分辨程度是不同的。 图 4 RBW 分辨不等幅信号的能力 如图5 表示了鼎阳科技SSA3032X 在RBW 为 1 Hz 时的频率分辨能力。 图 5 鼎阳科技SSA3032X 在 RBW 为1 Hz 时的频率分辨能力 细心的同学可能会问，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（后文简称 LO，Local Oscillator）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。 什么是相位噪声？相位噪声如何会影响频谱分析仪的频率分辨能力？ 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