精準量測的藝術：解析頻寬 (RBW)、檢波器與頻譜分析的真相

Sonya
2天前
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在射頻測試的世界裡，頻譜分析儀（或向量訊號分析儀）不僅僅是一台量測設備，它是 RF 工程師的「眼睛」，然而，這雙眼睛看到的景象，並非絕對的客觀現實，而是經過了儀器內部無數個濾波器和處理器「詮釋」後的結果。

一個常見的誤區是認為儀器顯示的讀數就是真理，事實上，錯誤的設定——特別是 解析頻寬 (Resolution Bandwidth, RBW) 和 檢波器 (Detectors) 的選擇——可以讓一個不合格的發射機看起來完美無瑕，或者讓一個正常的系統看起來充滿干擾。

精準量測的藝術，在於理解這些設定如何改變我們對訊號的認知。

解析頻寬 (RBW)：儀器的「濾鏡」寬度

RBW 是頻譜分析中最核心的概念。可以將 RBW 想像成一個在頻率軸上移動的帶通濾波器 (Bandpass Filter) 的頻寬。儀器透過這個「窗口」來觀察頻譜能量。

RBW 的設定決定了三個關鍵的權衡：

1. 解析度：區分鄰近訊號的能力

這是 RBW 最直觀的作用，如果兩個訊號（例如一個主載波和一個鄰近的干擾源）在頻率上靠得很近，間距僅為 10 kHz。

若 RBW 設定為 100 kHz：這個「寬窗口」會同時罩住這兩個訊號，在螢幕上，你看不到兩個分開的峰值，只能看到一個融合在一起的、寬大的「駝峰」，細節被模糊了。
若 RBW 設定為 1 kHz：這個「窄窗口」可以分別掃過這兩個訊號，螢幕上將清晰地顯示出兩個獨立的峰值。

結論：要分辨相鄰的頻率成分，RBW 必須明顯小於它們之間的頻率間隔。

2. 雜訊基底 (Displayed Average Noise Level, DANL)

這是 RBW 最神奇、也最常被利用的特性：RBW 決定了你在螢幕上能看到的「底噪」有多低。

儀器內部的熱雜訊是均勻分佈在所有頻率上的（白雜訊）。RBW 濾波器越寬，進入檢波器的雜訊能量就越多。

物理定律：RBW 每縮小 10 倍，顯示的雜訊基底 (Noise Floor) 就會下降 10 dB。

這對於搜尋微弱的雜散訊號 (Spurious Emissions) 至關重要。如果一個微弱的干擾訊號功率為 -100 dBm，而 RBW 設定過寬導致儀器的底噪高達 -90 dBm，那麼這個干擾訊號就會被儀器自己的底噪「淹沒」而不可見，只有將 RBW 調窄，壓低底噪，這條「魚」才會浮出水面。

3. 掃描速度 (Sweep Speed)

天下沒有白吃的午餐，窄 RBW 帶來了高解析度和低底噪，代價是時間，濾波器有一個物理響應時間（建立時間），RBW 越窄，響應越慢，在傳統的掃描式分析儀中，將 RBW 縮小 10 倍，掃描時間可能會增加 100 倍，這在產線測試中是無法接受的。因此，測試工程師必須在「看清細節」和「測試速度」之間找到黃金平衡點。

檢波器 (Detectors)：解讀能量的方式

當訊號通過 RBW 濾波器後，它仍然是一個高頻的交流波形，為了在螢幕上畫出一個點，儀器必須將其轉換為直流電壓。這就是檢波器的工作。

對於簡單的連續波 (CW)，檢波器的選擇影響不大，但對於現代的類雜訊訊號（如 5G OFDM, LTE, Wi-Fi），檢波器的選擇決定了生與死。

在儀器的一個採樣間隔（Bucket）內，訊號幅度可能已經變化了數千次，檢波器該報告哪個值？

1. 峰值檢波器 (Peak Detector)

邏輯：永遠抓取採樣間隔內出現過的最高電壓。
用途：尋找瞬間的雜散訊號或脈衝干擾。這是 EMC/EMI 法規測試常用的模式，因為它代表了「最壞情況」。
對 5G 的影響：如果你用 Peak Detector 來量測 5G 訊號的功率或 ACLR，結果會大錯特錯。因為 OFDM 訊號有很高的 PAPR（峰值），Peak Detector 會一直抓取那些稀有的高尖峰，導致顯示的功率比實際平均功率高出 10 dB 以上，讓你誤以為 PA 輸出過大或干擾嚴重。

2. 均方根檢波器 (RMS Detector)

邏輯：對採樣間隔內的所有能量進行積分（平方、平均、開根號），計算出真實的熱功率。
用途：量測現代數位調變訊號（OFDM, QAM）的通道功率 (Channel Power) 和 ACLR。
重要性：這是物理意義上代表「能量」的唯一正確方式。當規範要求量測「平均功率」時，必須使用 RMS 檢波器。

3. 樣本檢波器 (Sample Detector)

邏輯：隨機抓取採樣間隔中間的某一個瞬時值。
用途：主要用於分析雜訊本身的特性。它能最真實地還原雜訊的隨機外觀，而不像 Peak Detector 那樣會人為地抬高雜訊基底。

視訊頻寬 (VBW)：視覺的平滑劑

在 RBW 之後，通常還有一個 視訊濾波器 (Video Bandwidth, VBW)。這是一個低通濾波器，作用於檢波後的視訊訊號上。

VBW 並不會改變解析度，也不會改變物理上的雜訊能量，它只是對顯示出的軌跡進行平滑處理 (Smoothing)。

寬 VBW：軌跡看起來毛躁、充滿雜訊的抖動。
窄 VBW：軌跡變得平滑、穩定的一條細線。

對於觀察隱藏在雜訊中的穩定 CW 訊號，調低 VBW 有助於穩定讀數。但對於觀察快速變化的訊號（如 AM 調變），過低的 VBW 會把訊號本身的變化也「抹平」掉，導致失真。

結論：尋找真相的策略

精準的頻譜量測，是一場針對訊號特性的策略遊戲：

量測 5G ACLR/功率時：請務必使用 RMS 檢波器，RBW 應設定為訊號頻寬的 1% - 5% 左右，以獲得準確的積分結果。
尋找微弱雜散 (Spurs) 時：請切換到 Peak 檢波器，並極端地縮小 RBW（例如 1 kHz 或更低）。這會壓低雜訊基底，讓那些躲在底噪下的「鬼影」無所遁形。
面對產線速度壓力時：如果不允許過窄的 RBW，可以嘗試使用現代儀器的 FFT 模式（相較於傳統掃描模式），它能在保持窄 RBW 的同時，顯著提升速度。