为什么降低VBW不会降低频谱仪底噪？

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RF测试笔记是业界一线工程师通过理论和实践相结合的方式介绍射频微波测试技术的专栏，主要涵盖噪声系数、数字调制、矢网、频谱分析、脉冲信号等内容。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

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