PDF《频谱分析仪应用解惑之频率分辨力》

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 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. 杨鼎 深圳市鼎阳科技有限公司 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1kHz,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4RBW 分辨不等幅信号的能力 如图

5 表示了鼎阳科技 SSA3032X 在RBW 为1Hz 时的频率分辨能力. 图5鼎阳科技 SSA3032X 在RBW 为1Hz 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;