为什么降低VBW不会降低频谱仪底噪？

xiaocaihong

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文中将重点解释使用频谱仪时VBW的设置对频谱测试的影响。相信大家在使用频谱仪时曾经遇到过这样的现象：测试一个微弱的CW信号，当逐步降低VBW时，测试迹线越来越平滑，但是显示的底噪水平(RMS值) 却没有降低。这是为什么呢？

开始研习频谱仪的时候，笔者曾经也有过这样的疑惑，虽然能否想清楚这个问题并不会影响使用频谱仪，但是本着“知其然，知其所以然”的原则，笔者还是深入思考了这个问题，有些心得体会。俗话说，好记性不如烂笔头，这里还是写下来，以便日后翻阅。

什么是VBW？什么是video filter？Video filter处于频谱仪中哪个位置？

搞清楚这三个问题，基本就明白了其中的原委。

VBW是Video Bandwidth的缩写，是指video filter的3dB带宽。传统的频谱仪采用的是模拟IF处理技术，RF输入信号经下变频至末级IF，经过RBW filter之后，再采用包络检波器直接提取IF信号包络。包络信号一般频率很低，所以通常称为视频信号(video signal) 。Video filter为低通滤波器(LPF)，位于包络检波器之后，专门对包络信号作滤波处理，图1给出了采用模拟IF处理技术的传统频谱仪的架构示意图。

图1、传统频谱仪架构

保持RBW不变的情况下，降低VBW对频谱测试有什么影响呢？

假如频谱仪端接50 Ohm负载，当前频谱仪显示的是自身的底噪声，video filter位于包络检波器之后，滤波的对象是宽带噪声的包络信号，包络信号并不具有噪声那么大的带宽，而是带宽很小的视频信号，如图2所示。此外，宽带噪声的包络信号的幅度起伏也没有噪声幅度起伏那么大。这意味着单纯地看该包络信号的频谱是非常平坦的，属于类白噪声功率谱。但是，背景噪声无处不在，即使包络信号也不能幸免。当逐步降低VBW时，将会滤除部分叠加在包络信号上的背景噪声，所以底噪迹线越来越平滑。通常不会将VBW设置得太小，当VBW依然大于包络信号带宽时，并没有滤除包络信号，所以测得的底噪声基本不变。

那么，是不是任意降低VBW，都不会降低底噪声呢？

其实这么讲是不合理的，因为宽带噪声的包络信号有一定的带宽，如果VBW小于包络信号的带宽，则显示的底噪声势必会降低。

图2、宽带噪声对应的IF频谱(左图，带宽取决于RBW)及包络信号频谱(右图)

图3、降低VBW平滑了测试迹线

与传统频谱仪不同，现代频谱仪采用数字IF处理技术，末级IF直接经过ADC采样，然后经过数字下变频得到数字IQ信号。采用数字IF处理的好处在于，可以保留信号的相位信息，从而可以作信号解调分析，这是模拟IF处理所不及的。

对数字I和Q信号取均方根值，即为信号的包络，然后经过video filter滤波处理，虽然为数字滤波器，但是其作用是与传统频谱仪的video filter类似的，此处不再赘述。

图4、现代频谱仪的数字IF架构示意图

结论：通常所说的“降低VBW只会平滑迹线而不会降低底噪”是有条件的，只有在VBW大于宽带噪声的包络信号带宽时，这才是成立的。

那么测试信号的频谱时，应该怎样设置VBW呢？

测试不同的信号，对于VBW的设置也是不同的。

对于CW信号，因其包络信号就是DC，所以任意降低VBW都不会影响信号电平测试。值得一提的是，较低的VBW虽然可以平滑迹线，改善测试精度，但是会造成测试速度的降低(当VBW < RBW时)。

对于射频脉冲信号，由于其包络为基带脉冲信号，具有很宽的频谱，所以为了保证测试精度，VBW不能设置得低于RBW，建议VBW=10*RBW。

对于宽带噪声或者类噪声信号，比如数字调制信号，为了保证电平测试精度，一般建议VBW=0.1*RBW。

作者：Knight