搜索如何使用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測(cè)試(深度好文)
2017-06-18 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:
隨著無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信、光通信等領(lǐng)域?qū)τ谛盘?hào)傳輸速率或者分辨率要求的提升,采用的調(diào)制制式越來越復(fù)雜,信號(hào)帶寬也越來越寬?，F(xiàn)代的實(shí)時(shí)示波器由于芯片和材料工藝的提升,已經(jīng)可以提供高達(dá)幾十GHz的實(shí)時(shí)測(cè)量帶寬,同時(shí)由于其時(shí)域測(cè)量的直觀性和多通道等特點(diǎn),使其開始廣泛應(yīng)用于超寬帶信號(hào)以及射頻信號(hào)的測(cè)量。本文介紹了高帶寬實(shí)時(shí)示波器在射頻信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域的典型應(yīng)用,以及示波器用于射頻測(cè)量時(shí)的底噪聲、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、諧波失真、絕對(duì)幅度測(cè)量精度、相位噪聲等關(guān)鍵指標(biāo)。
前言:
每一位做射頻或者高速數(shù)字設(shè)計(jì)的工程師都會(huì)同時(shí)面臨頻域和時(shí)域測(cè)試的問題。比如從事高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的工程師通常從時(shí)域分析信號(hào)的波形和眼圖,也會(huì)借用頻域的S參數(shù)分析傳輸通道的插入損耗,或者用相位噪聲指標(biāo)來分析時(shí)鐘抖動(dòng)等。對(duì)于無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航信號(hào)的分析來說,傳統(tǒng)上需要進(jìn)行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測(cè)試,但隨著信號(hào)帶寬更寬以及脈沖調(diào)制、跳頻等技術(shù)的應(yīng)用,有時(shí)采用時(shí)域的測(cè)量手段會(huì)更加有效。
現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的性能比起10多年前已經(jīng)有了大幅度的提升,可以滿足高帶寬、高精度的射頻微波信號(hào)的測(cè)試要求。除此以外,現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的觸發(fā)和分析功能也變得更加豐富、操作界面更加友好、數(shù)據(jù)傳輸速率更高、多通道的支持能力也更好,使得高帶寬實(shí)時(shí)示波器可以在寬帶信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。
一、為什么射頻信號(hào)測(cè)試要用示波器?
時(shí)域測(cè)量的直觀性
要進(jìn)行射頻信號(hào)的時(shí)域測(cè)量的一個(gè)很大原因在于其直觀性。比如在下圖中的例子中分別顯示了4個(gè)不同形狀的雷達(dá)脈沖信號(hào),信號(hào)的載波頻率和脈沖寬度差異不大,如果只在頻域進(jìn)行分析,很難推斷出信號(hào)的時(shí)域形狀。由于這4種時(shí)域脈沖的不同形狀對(duì)于最終的卷積處理算法和系統(tǒng)性能至關(guān)重要,所以就需要在時(shí)域?qū)π盘?hào)的脈沖參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量,以保證滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
更高分析帶寬的要求
在傳統(tǒng)的射頻微波測(cè)試中,也會(huì)使用一些帶寬不太高(<1GHz)的示波器進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測(cè)試,比如用檢波器檢出射頻信號(hào)包絡(luò)后再進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,或者對(duì)信號(hào)下變頻后再進(jìn)行采集等。此時(shí)由于射頻信號(hào)已經(jīng)過濾掉,或者信號(hào)已經(jīng)變換到中頻,所以對(duì)測(cè)量要使用的示波器帶寬要求不高。
但是隨著通信技術(shù)的發(fā)展,信號(hào)的調(diào)制帶寬越來越寬。比如為了兼顧功率和距離分辨率,現(xiàn)代的雷達(dá)會(huì)在脈沖內(nèi)部采用頻率或者相位調(diào)制,典型的SAR成像雷達(dá)的調(diào)制帶寬可能會(huì)達(dá)到2GHz以上。在衛(wèi)星通信中,為了小型化和提高傳輸速率,也會(huì)避開擁擠的C波段和Ku波段,采用頻譜效率和可用帶寬更高的Ka波段,實(shí)際可用的調(diào)制帶寬可達(dá)到3GHz以上甚至更高。另外示波器的幅頻特性曲線并不是從直流到額定帶寬都平坦,而是達(dá)到一定頻點(diǎn)后就開始明顯下降,因此選擇實(shí)時(shí)示波器時(shí),示波器的帶寬應(yīng)該大于需要的分析帶寬,至于大多少,要具體看示波器實(shí)際的頻響曲線和被測(cè)信號(hào)的要求。
在這么高的傳輸帶寬下,傳統(tǒng)的檢波或下變頻的測(cè)量手段會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個(gè)帶寬可達(dá)到2GHz以上同時(shí)幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器,所以會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的嚴(yán)重失真。
同時(shí),如果需要對(duì)雷達(dá)脈沖或者衛(wèi)星通信信號(hào)的內(nèi)部調(diào)制信息進(jìn)行解調(diào),也需要非常高的實(shí)時(shí)帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測(cè)量精度和頻率范圍很高,但實(shí)時(shí)分析帶寬目前還達(dá)不到GHz以上。因此,如果要進(jìn)行GHz以上寬帶信號(hào)的分析解調(diào),目前最常用的手段就是借助于寬帶示波器或者高速的數(shù)采系統(tǒng)。
二、現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器技術(shù)的發(fā)展
傳統(tǒng)的示波器由于帶寬較低,無法直接捕獲高頻的射頻信號(hào),所以在射頻微波領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于中頻或控制信號(hào)的測(cè)試,但隨著芯片、材料和封裝技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的的帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度以及底噪聲、抖動(dòng)等性能指標(biāo)都有了顯著的提升。
材料技術(shù)革新對(duì)示波器帶寬的提升
以材料技術(shù)為例,磷化銦(InP)材料是這些年國際和國內(nèi)比較熱門的材料。相對(duì)于傳統(tǒng)的SiGe材料或GaAs材料來說,磷化銦(InP)材料有更好的電性能,可以提供更高的飽和電子速度,更低的表面復(fù)合速度以及更高的電絕緣強(qiáng)度。在采用新型材料的過程中,還需要解決一系列的工藝問題。比如InP材料的高頻特性非常好,但如果采用傳統(tǒng)的鋁基底時(shí)會(huì)存在熱膨脹系數(shù)不一致以及散熱效率的問題。氮化鋁(AIN)是一種新型的陶瓷基底材料,其熱性能和InP更接近且散熱特性更好,但是AlN材料成本高且硬度大,需要采用激光刻蝕加工。
借助于新材料和新技術(shù)的應(yīng)用,現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達(dá)到60GHz以上,同時(shí)由于磷化銦(InP)材料的優(yōu)異特性,使得示波器的頻響更加平坦、底噪聲更低,同時(shí)其較低的功率損耗給產(chǎn)品帶來更高的可靠性。
磷化銦材料除了提供優(yōu)異的高帶寬性能外,其反向擊穿電壓更高,采用磷化銦材料設(shè)計(jì)的示波器可用輸入量程可達(dá)8V,相當(dāng)于20dBm以上,大大提高了實(shí)用性和可靠性。
ADC采樣技術(shù)對(duì)示波器采樣率的提升
要保證高的實(shí)時(shí)的帶寬,根據(jù)Nyqist定律,放大器后面ADC采樣的速率至少要達(dá)到帶寬的2倍以上(工程實(shí)現(xiàn)上會(huì)保證2.5倍以上)。目前市面上根本沒有這么高采樣率的單芯片的ADC,因此高帶寬的實(shí)時(shí)示波器通常會(huì)采用ADC的拼接技術(shù)。
典型的ADC拼接有兩種方式,一種是片內(nèi)拼接,另一種是片外拼接。片內(nèi)拼接是把多個(gè)ADC的內(nèi)核集成在一個(gè)芯片內(nèi)部,典型的如下圖所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采樣率的10bitADC芯片,在業(yè)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)8GHz帶寬范圍內(nèi)10bit的分辨率。片內(nèi)拼接的優(yōu)點(diǎn)是各路之間的一致性和時(shí)延控制可以做地非常好,但是對(duì)于集成度和工藝的挑戰(zhàn)非常大。
所謂片外拼接,就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器,其采用8片20G/s采樣率的ADC拼接實(shí)現(xiàn)了160G/s的采樣率,保證了高達(dá)63GHz的硬件帶寬。片外拼接要求各芯片間偏置和增益的一致性非常好,同時(shí)對(duì)PCB上信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)延要精確控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采樣保持再進(jìn)行信號(hào)分配和模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù),大大提高了對(duì)于PCB走線誤差和抖動(dòng)的裕量。
三、寬帶示波器在射頻信號(hào)測(cè)試中的典型應(yīng)用
正是由于芯片、材料和工藝技術(shù)帶來的示波器帶寬和采樣率的快速提升,使得寬帶實(shí)時(shí)示波器開始在射頻信號(hào)的測(cè)試中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。以下是一些典型應(yīng)用。
射頻信號(hào)時(shí)頻域綜合分析
實(shí)時(shí)示波器性能的提升使得其帶寬可以直接覆蓋到射頻、微波甚至毫米波的頻段,因此可以直接捕獲信號(hào)載波的時(shí)域波形并進(jìn)行分析。從中可以清晰看到信號(hào)的脈沖包絡(luò)以及脈沖包絡(luò)內(nèi)部的載波信號(hào)的時(shí)域波形,這使得時(shí)域參數(shù)的測(cè)試更加簡潔和直觀。由于不需要對(duì)信號(hào)下變頻后再進(jìn)行采樣,測(cè)試系統(tǒng)也更加簡單,同時(shí)避免了由于下變頻器性能不理想帶來的額外信號(hào)失真。
更進(jìn)一步地,還可以借助于示波器的時(shí)間門功能對(duì)一段射頻信號(hào)的某個(gè)區(qū)域放大顯示或者做FFT變換等。下圖是在一段射頻脈沖里分別選擇了兩個(gè)不同位置的時(shí)間窗口,并分別做FFT變換的結(jié)果,從中可以清晰看出不同時(shí)間窗范圍內(nèi)信號(hào)頻譜的變化情況。
雷達(dá)脈沖參數(shù)測(cè)試
對(duì)于雷達(dá)等脈沖調(diào)制信號(hào)來說,對(duì)于脈沖信號(hào)其寬度、上升時(shí)間、占空比、重復(fù)頻率等都是非常關(guān)鍵的時(shí)域參數(shù)。按照IEEEStd 181規(guī)范的要求,一些主要的脈沖參數(shù)的定義如下圖所示。
當(dāng)用寬帶示波器已經(jīng)把射頻脈沖捕獲下來以后,就可以借助于示波器里內(nèi)置的數(shù)學(xué)函數(shù)編輯一個(gè)數(shù)學(xué)的檢波器。如下圖所示,黑色曲線是從原始信號(hào)里用數(shù)學(xué)檢波器檢出的包絡(luò)信號(hào)。包絡(luò)波形得到后,借助于示波器本身的參數(shù)測(cè)量功能,就可以進(jìn)行一些基本的脈沖參數(shù)測(cè)試。
更進(jìn)一步地,我們還可以借助于示波器的FFT功能得到信號(hào)的頻譜分布,借助示波器的抖動(dòng)(Jitter)分析軟件得到脈沖內(nèi)部信號(hào)頻率或相位隨時(shí)間的變化波形,并把這些結(jié)果顯示在一起。下圖顯示的是一個(gè)Chirp雷達(dá)脈沖的時(shí)域波形、頻率/相位變化波形以及頻譜的結(jié)果,通過這些波形的綜合顯示和分析,可以直觀地看到雷達(dá)信號(hào)的變化特性,并進(jìn)行簡單的參數(shù)測(cè)量。
在雷達(dá)等脈沖信號(hào)的測(cè)試中,是否能夠捕獲到足夠多的連續(xù)脈沖以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也是非常重要的。如果要連續(xù)捕獲上千甚至上萬個(gè)雷達(dá)脈沖,可能需要非常長時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄能力。比如某搜索雷達(dá)的脈沖的重復(fù)周期是5ms,如果要捕獲1000個(gè)連續(xù)的脈沖需要記錄5s時(shí)間的數(shù)據(jù)。如果使用的示波器的采樣率是80G/s,記錄5s時(shí)間需要的內(nèi)存深度=80G/s*50s=400G樣點(diǎn),這幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。
為了解決這個(gè)問題,現(xiàn)代的高帶寬示波器里都支持分段存儲(chǔ)模式。所謂分段存儲(chǔ)模式(SegmentedMemory Mode),是指把示波器里連續(xù)的內(nèi)存空間分成很多段,每次觸發(fā)到來時(shí)只進(jìn)行一段很短時(shí)間的采集,直到記錄到足夠的段數(shù)。很多雷達(dá)脈沖的寬度很窄,在做雷達(dá)的發(fā)射機(jī)性能測(cè)試時(shí),如果感興趣的只是有脈沖發(fā)射時(shí)很短一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào),使用分段存儲(chǔ)就可以更有效利用示波器的內(nèi)存。
在下圖中的例子里,被測(cè)脈沖的寬度是1us,重復(fù)周期是5ms。我們?cè)谑静ㄆ骼锸褂梅侄未鎯?chǔ)模式,設(shè)置采樣率為80G/s,每段分配200k點(diǎn)的內(nèi)存,并設(shè)置做10000段的連續(xù)記錄。這樣每段可以記錄的時(shí)間長度=200k/80G=2.5us,總共使用的示波器的內(nèi)存深度=200k點(diǎn)*10000段=2G點(diǎn),實(shí)現(xiàn)的記錄時(shí)間=5ms*10000=50s。也就是說,通過分段存儲(chǔ)模式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)50s內(nèi)共10000個(gè)雷達(dá)脈沖的連續(xù)記錄。
雷達(dá)參數(shù)綜合分析
除了在示波器里直接對(duì)雷達(dá)脈沖的基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,也可以借助功能更加強(qiáng)大的矢量信號(hào)分析軟件。下圖是用Keysight公司的89601B矢量信號(hào)分析軟件結(jié)合示波器對(duì)超寬帶的Chirp雷達(dá)信號(hào)做解調(diào)分析的例子,圖中顯示了被測(cè)信號(hào)的頻譜、時(shí)域功率包絡(luò)以及頻率隨時(shí)間的變化曲線。被測(cè)信號(hào)由M8195A超寬帶任意波發(fā)生器產(chǎn)生,Chirp信號(hào)的脈沖寬度為2us,頻率變化范圍從1GHz~19GHz,整個(gè)信號(hào)帶寬高達(dá)18GHz!這里充分體現(xiàn)了實(shí)時(shí)示波器帶寬的優(yōu)勢(shì)。
更嚴(yán)格的雷達(dá)測(cè)試不會(huì)僅僅只測(cè)脈沖和調(diào)制帶寬等基本參數(shù)。比如由于器件的帶寬不夠或者頻響特性不理想,可能會(huì)造成Chirp脈沖內(nèi)部各種頻率成分的功率變化,從而形成脈沖功率包絡(luò)上的跌落(Droop)和波動(dòng)(Ripple)現(xiàn)象。因此,嚴(yán)格的雷達(dá)性能指標(biāo)測(cè)試還需要對(duì)脈沖的峰值功率、平均功率、峰均比、Droop、Ripple、頻率變化范圍、線性度等參數(shù)以及多個(gè)脈沖間的頻率、相位變化進(jìn)行測(cè)量,或者要分析參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線和直方圖分布等。這些更復(fù)雜的測(cè)試可以借助于89601B軟件里的BHQ雷達(dá)脈沖測(cè)量選件實(shí)現(xiàn)。這個(gè)測(cè)試軟件也支持示波器的分段存儲(chǔ)模式,可以一次捕獲到多個(gè)連續(xù)脈沖后再做統(tǒng)計(jì)分析,下圖是一個(gè)實(shí)際測(cè)試的例子。
跳頻信號(hào)測(cè)試
除了雷達(dá)脈沖分析以外,借助于示波器自身的抖動(dòng)分析軟件或者矢量信號(hào)分析軟件,還可以對(duì)超寬帶的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行分析。下圖是對(duì)一段在7GHz的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的信號(hào)的頻譜、時(shí)域以及調(diào)頻圖案的分析結(jié)果。
調(diào)制器時(shí)延測(cè)試
在衛(wèi)星通信或者導(dǎo)航等領(lǐng)域,需要測(cè)試其射頻輸出(可能是射頻或者Ku/Ka波段信號(hào))相對(duì)于內(nèi)部定時(shí)信號(hào)(1pps或100pps信號(hào))的絕對(duì)時(shí)延并進(jìn)行修正。這就需要使用至少2通道的寬帶示波器同時(shí)捕獲定時(shí)信號(hào)和射頻輸出,并能進(jìn)行精確可重復(fù)的測(cè)量。
下圖是用示波器捕獲到的1pps定時(shí)信號(hào)(藍(lán)色波形)以及QPSK調(diào)制的射頻輸出信號(hào)(紫色波形)。用作觸發(fā)的定時(shí)信號(hào)到來后,射頻信號(hào)功率第1個(gè)過零點(diǎn)的時(shí)刻相對(duì)于定時(shí)信號(hào)的時(shí)延就是要測(cè)量的系統(tǒng)時(shí)延。如果僅僅通過手動(dòng)光標(biāo)測(cè)量,很難卡準(zhǔn)合適的功率零點(diǎn)位置。我們借助于前面介紹過的數(shù)字檢波功能,可以檢出射頻信號(hào)的功率包絡(luò)并進(jìn)行放大(如灰色波形所示),并借助示波器的測(cè)量功能來測(cè)量功率包絡(luò)最小點(diǎn)的時(shí)刻(Tmin),這就實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或調(diào)制器時(shí)延的精確測(cè)試。通過多次自動(dòng)測(cè)試過零點(diǎn)時(shí)刻,還可以進(jìn)行長時(shí)間的統(tǒng)計(jì),以分析時(shí)延的變化范圍和抖動(dòng)等。
寬帶通信信號(hào)的解調(diào)分析
在WLAN、衛(wèi)星通信、光通信領(lǐng)域,可能需要對(duì)非常高帶寬的信號(hào)(>500MHz)進(jìn)行性能測(cè)試和解調(diào)分析,這對(duì)于測(cè)量儀器的帶寬和通道數(shù)要求非常高。比如在光纖骨干傳輸網(wǎng)上,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單波長100Gbps的信號(hào)傳輸,其采用的技術(shù)就是把2路25Gbps的信號(hào)通過QPSK的調(diào)制方式調(diào)制到激光器的一個(gè)偏振態(tài),然后把另2路25Gbps的信號(hào)通過同樣的方式調(diào)制到激光器一個(gè)偏振態(tài)上,然后把兩個(gè)偏振態(tài)的信號(hào)合成在一起實(shí)現(xiàn)100Gbps的信號(hào)傳輸。而在下一代200Gbps或者400Gbps的技術(shù)研發(fā)中,可能會(huì)采用更高的波特率以及更高階的調(diào)制如16QAM、64QAM甚至OFDM等技術(shù),這些都對(duì)測(cè)量儀器的帶寬和性能提出了非常高的要求。
如下圖所示是Keysight公司進(jìn)行100G/400G光相干通信分析儀N4391A:儀器下半部分是一個(gè)相干光通信的解調(diào)器,用于把輸入信號(hào)的2個(gè)偏振態(tài)下共4路I/Q信號(hào)分解出來并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,每路最高支持的信號(hào)波特率可達(dá)126Gbaud;而上半部分就是一臺(tái)高帶寬的Z系列示波器,單臺(tái)示波器就可以實(shí)現(xiàn)4路33GHz的測(cè)量帶寬或者2路63GHz的測(cè)量帶寬;示波器里運(yùn)行89601B矢量信號(hào)分析軟件,可以完成信號(hào)的偏振對(duì)齊、色散補(bǔ)償以及4路I/Q信號(hào)的解調(diào)和同時(shí)顯示等。
下圖中還顯示了用示波器做超寬帶信號(hào)解調(diào)分析的結(jié)果,被測(cè)信號(hào)是由M8195A發(fā)出的32Gbaud的16QAM調(diào)制信號(hào)。由于16QAM調(diào)制格式下每個(gè)符號(hào)可以傳輸4個(gè)bit的有效數(shù)據(jù),所以實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到128Gbps。通過寬帶的頻響修正和預(yù)失真補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20dB以上的信噪比以及<4%的EVM(矢量調(diào)制誤差)指標(biāo)。
多通道測(cè)量
在MIMO(Multiple-input and Multiple-output)、相控陣以及做科學(xué)研究的場合,通常需要對(duì)多于4路的高速信號(hào)做同時(shí)測(cè)量。為了滿足這種應(yīng)用,現(xiàn)代的高帶寬示波器在硬件和軟件上都提供了對(duì)于多通道測(cè)量的支持能力。Keysight的N8834A多通道示波器軟件支持將Infiniium 9000、90000、S、V、Z系列多通道示波器方案。
下圖展示的是基于Z系列示波器的多通道級(jí)聯(lián)方案以及示波器里的多通道測(cè)量軟件,目前可以支持最多10臺(tái)示波器的級(jí)聯(lián),提供20路同步的帶寬高達(dá)63GHz的測(cè)量通道,或者40路帶寬為33GHz測(cè)量通道。通過精確的時(shí)延和抖動(dòng)校準(zhǔn),通道間的抖動(dòng)可以控制在150fs(rms)以內(nèi)。
EMI/EMC 預(yù)調(diào)試功能
很多射頻產(chǎn)品除了要遵循EMC規(guī)范外,EMI現(xiàn)象也影響產(chǎn)品的性能,尤其是在噪聲和抖動(dòng)方面,如果不小心處理,則有可能破壞整個(gè)電路的功能,因此許多電路設(shè)計(jì)指南都會(huì)包括保護(hù)頻段、參考地平面、回路、電源控制環(huán)回以及擴(kuò)頻時(shí)鐘,目的就是最小化EMI效應(yīng)。
EMI問題產(chǎn)生的常見原因包括開關(guān)電源、電源濾波、地阻抗、液晶屏、金屬屏蔽殼靜電、電纜屏蔽不好、布線路徑內(nèi)部耦合、器件的寄生參數(shù)以及信號(hào)回路不完全等。EMI問題常見的分析方法是用頻譜分析儀接收機(jī)。但很多工程師也許不熟悉的是,示波器是可以用在EMI預(yù)調(diào)試上的,以前大家的一個(gè)顧慮是示波器大都使用8-bitADC,幅度和相位頻響不是很好,而隨著像InfiniiumS系列示波器在500MHz~ 8GHz帶寬內(nèi)使用10-bit ADC,V系列在8GHz~ 33GHz帶寬內(nèi)將本底噪聲降到很低,示波器在EMI預(yù)調(diào)試方面增加很多功能,包括頻域模板、近場探頭、多達(dá)8個(gè)FFT同時(shí)分析,畫圖(任意位置)觸發(fā),模擬、邏輯信號(hào)和串行信號(hào)同時(shí)分析等。
下圖是可用于EMI預(yù)調(diào)試的近場探頭以及頻域模板觸發(fā)的實(shí)例。
四、示波器的射頻性能指標(biāo)
從前面介紹的一些示波器在射頻測(cè)試?yán)锏牡湫蛻?yīng)用可以看出:由于技術(shù)的發(fā)展,使得示波器高帶寬、多通道的優(yōu)勢(shì)非常適合于各種復(fù)雜的超寬帶應(yīng)用,同時(shí)其時(shí)域、頻域的綜合分析能力也提高了測(cè)量的直觀性。
但是在使用示波器做射頻信號(hào)測(cè)試時(shí),我們不能不對(duì)其精度和性能有一定的顧慮。因?yàn)閷?shí)時(shí)示波器雖然采樣率很高,但是由于普遍采用8bit的ADC,所以其量化誤差和底噪聲較大。而且傳統(tǒng)示波器只會(huì)給出其帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度等指標(biāo),可供參考的頻域方面的性能指標(biāo)較少。因此,下面我們將通過一些實(shí)際的測(cè)試和分析,來認(rèn)識(shí)一下示波器的射頻性能指標(biāo)。
底噪聲(NoiseFloor)
底噪聲是測(cè)量儀器非常重要的一個(gè)指標(biāo),它會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的信噪比以及測(cè)量小信號(hào)的能力。傳統(tǒng)上會(huì)認(rèn)為示波器的底噪聲較高,因此不適用于小信號(hào)測(cè)量,其實(shí)并不完全是這樣,最主要原因在于不同儀器對(duì)底噪聲的定義方式不一樣。
底噪聲的主要來源是熱噪聲以及前端放大器增加的噪聲,這兩部分噪聲通常是和帶寬近似成正比的。比如熱噪聲的計(jì)算公式如下,噪聲功率和帶寬是線性的關(guān)系。
示波器作為一臺(tái)寬帶測(cè)量儀器,其底噪聲指標(biāo)給出的是全帶寬范圍內(nèi)噪聲的總和,而且也近似和帶寬成正比。
比如在下圖左邊是Keysight公司S系列示波器手冊(cè)里給出的底噪聲指標(biāo)。在50mv/div的量程下,4GHz帶寬的示波器S-404的底噪聲為768uVrms,近似是1GHz帶寬的示波器S-104在相同量程下底噪聲456uVrms的2倍。由于功率是電壓的平方,所以4GHz示波器的底噪聲的功率是相同條件下1GHz示波器底噪聲功率的4倍,和帶寬的倍數(shù)正好相當(dāng)。
正是由于底噪聲和帶寬近似成正比,所以寬帶示波器的底噪聲會(huì)比窄帶的大。為了公平,我們可以把示波器在不同量程下的底噪聲歸一化到每單位Hz進(jìn)行比較,而這也正是頻譜儀等射頻儀器里對(duì)其底噪聲DANL(Displayedaverage noise level)的描述方法。
比如在每格50mv量程下,示波器的滿量程是8格相當(dāng)于400mV,對(duì)應(yīng)于-4dBm的滿量程,對(duì)于8GHz的S-804A示波器來說,其8GHz帶寬范圍內(nèi)總的底噪聲是1.4mVrms,相當(dāng)于-44dBm,歸一化到每單位Hz的底噪聲就相當(dāng)于-143dBm/Hz。而在更小的量程下,S系列示波器的底噪聲可以達(dá)到-158dBm/Hz,這個(gè)指標(biāo)已經(jīng)好于絕大多數(shù)市面上頻譜儀不打開前置放大器的情況。即使在打開前置放大器的情況下,很多頻譜儀的DANL指標(biāo)也僅僅比S系列示波器好幾個(gè)dB而已。
下圖是一個(gè)S系列8GHz帶寬示波器在最小量程下底噪聲的實(shí)測(cè)結(jié)果。中心頻點(diǎn)1GHz,Span=20MHz,除了在1GHz頻點(diǎn)有很小的雜散以外,其在RBW=10KHz下的底噪聲約為-120dBm,相當(dāng)于約-160dBm/Hz。
因此,歸一化到每單位Hz后,示波器的底噪已經(jīng)優(yōu)于絕大多數(shù)頻譜儀在不打開前置放大器時(shí)的指標(biāo),這個(gè)指標(biāo)還是相當(dāng)不錯(cuò)的。
由于噪聲是和帶寬成正比的,所以如果信號(hào)帶寬只集中在某一個(gè)頻段范圍內(nèi),就可以通過相應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù)來濾除不必要的帶外噪聲以提高信噪比,比如很多示波器里的數(shù)字帶寬調(diào)整功能就是一種降低示波器自身底噪聲的方法。
無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)
在射頻測(cè)試中,除了底噪聲以外,無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR:Spurious-free dynamic range)也非常重要,因?yàn)樗鼪Q定了在有大信號(hào)存在的情況下能夠分辨的最小信號(hào)能量。對(duì)于示波器來說,其雜散的主要來源是由于ADC拼接造成的不理想。以2片ADC拼接為例,如果采樣時(shí)鐘的相位沒有控制好精確的180度,就有可能造成信號(hào)的失真,在頻譜上就會(huì)出現(xiàn)以拼接頻率為周期的雜散信號(hào)。如果失真比較嚴(yán)重,即使再高的采樣率也無法保證采集到的信號(hào)的真實(shí)性。
對(duì)于高帶寬示波器來說,不論是采用片內(nèi)拼接還是片外拼接,由于拼接不理想造成的雜散都客觀存在,關(guān)鍵是雜散能量的大小。以Keysight的S系列示波器為例,其采用了單片40G/s的ADC芯片,通過專門的工藝優(yōu)化了時(shí)鐘分配和采樣保持電路,可以保證很好的一致性。下圖是用Keysight公司的E8267D信號(hào)源產(chǎn)生1GHz信號(hào)經(jīng)濾除諧波后在5GHz的Span范圍內(nèi)看到的頻譜,可以看到除了2次和3次諧波失真外,其雜散指標(biāo)可以達(dá)到-75dBc,相當(dāng)于一臺(tái)中等檔次的頻譜儀的水平。
諧波失真(HarmonicDistortion )
諧波失真也是衡量測(cè)量信號(hào)保真度的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于示波器來說,為了保證高的采樣率,其ADC的位數(shù)(8bit或者10bit)相對(duì)于頻譜儀里使用的14bitADC有較大差異,其諧波失真主要來源于ADC的量化噪聲造成的信號(hào)失真,典型的是2次和3次諧波失真,通常3次諧波的能量更大,這點(diǎn)和頻譜儀里由于混頻器造成2次諧波失真來源不太一樣。
在上面的測(cè)試結(jié)果中,其2次諧波失真約為-65dBc,比一般的頻譜儀差一些。而其3次諧波失真約為-49dBc,比起一般的頻譜儀就差遠(yuǎn)了。因此如果用戶關(guān)心諧波失真指標(biāo),比如在放大器的非線性測(cè)試中,使用示波器并不是一個(gè)好的選擇。
不過好在諧波造成的失真通常在帶外,通過簡單的數(shù)學(xué)濾波處理很容易把諧波濾除掉。所以在有些寬帶信號(hào)解調(diào)的應(yīng)用中,由于測(cè)量算法在解調(diào)過程中會(huì)加入數(shù)學(xué)濾波器,諧波失真對(duì)于最終的解調(diào)結(jié)果影響并不是很大。
絕對(duì)幅度精度(Absoluteamplitude accuracy)
絕對(duì)幅度精度會(huì)影響到示波器對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)載波做功率測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度。對(duì)于示波器來說,絕對(duì)幅度精度指標(biāo) = DC幅度測(cè)量精度 + 幅頻響應(yīng)。因此需要兩部分分別分析。
DC幅度測(cè)量精度就是示波器里標(biāo)稱的雙光標(biāo)測(cè)量精度,又由DC增益誤差和垂直分辨率兩部分構(gòu)成(如下圖所示是Keysight公司S系列示波器的DC測(cè)量精度指標(biāo))。對(duì)于實(shí)時(shí)示波器來說,DC增益精度一般為滿量程的2%,而分辨率與使用的ADC的位數(shù)有關(guān),如果是10bit的ADC就相當(dāng)于滿量程的1/1024。由此計(jì)算得出實(shí)時(shí)示波器的DC幅度精度大約在±0.2dB左右。
至于幅頻響應(yīng),傳統(tǒng)上寬帶設(shè)備的幅頻響應(yīng)都不會(huì)特別好,但現(xiàn)代的高性能示波器在出廠時(shí)都會(huì)做頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)和補(bǔ)償,使得其幅頻響應(yīng)曲線非常平坦。下圖是Keysight公司8GHz帶寬的S系列示波器的幅頻響應(yīng)曲線,可以看出其帶內(nèi)平坦度非常好,在7.5GHz以內(nèi)的波動(dòng)不超過±0.5dB。
因此,綜合下來,S系列示波器在7.5GHz以內(nèi)的絕對(duì)幅度測(cè)量精度可以控制在±1dB左右,這個(gè)指標(biāo)和大部分中高檔頻譜儀的指標(biāo)相當(dāng)。而Keysight公司的V系列示波器更是可以在30GHz的范圍內(nèi)保證±0.5dB的絕對(duì)幅度精度,超過了大部分高檔頻譜儀的指標(biāo)。
相位噪聲(PhaseNoise)
測(cè)量儀器的相位噪聲(PhaseNoise)反映了測(cè)試一個(gè)純凈正弦波時(shí)的近端低頻噪聲的大小,在雷達(dá)等應(yīng)用中會(huì)影響到對(duì)于慢目標(biāo)識(shí)別時(shí)的多普率頻移的分辨能力。相位噪聲的頻域積分就是時(shí)域的抖動(dòng)。對(duì)于示波器來說,相位噪聲太差或者抖動(dòng)太大會(huì)造成對(duì)于射頻信號(hào)采樣時(shí)產(chǎn)生額外的噪聲從而惡化有效位數(shù)。
傳統(tǒng)的示波器不太注重采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)或者相位噪聲,但隨著示波器的采樣率越來越高,以及為了提高射頻測(cè)試的性能,現(xiàn)代的數(shù)字示波器如Keysight公司的S、V、Z等系列示波器都對(duì)時(shí)鐘電路進(jìn)行了優(yōu)化,甚至采用了經(jīng)典的微波信號(hào)源如E8267D里的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),使得示波器的相位噪聲指標(biāo)有了很大提升。如下圖所示是S示波器在1GHz載波時(shí)的相位噪聲曲線,測(cè)試中的RBW設(shè)置為750Hz,在偏離中心載波100kHz處的噪聲能量約為-92dBm,歸一化到單位Hz能量約為-120dBc/Hz,這已經(jīng)超過了市面上大多數(shù)中檔頻譜儀的相噪指標(biāo)。而更高性能的V系列示波器的相位噪聲指標(biāo)則可以做到約-130dBc/Hz@100KHz offset,這已經(jīng)超過了市面上大部分中高檔頻譜儀的相應(yīng)指標(biāo)。
五、總結(jié)
從前面的介紹可以看出,現(xiàn)代的高性能的實(shí)時(shí)示波器除了受ADC位數(shù)的限制造成諧波失真指標(biāo)明顯較差以外,其無雜散動(dòng)態(tài)范圍可以和中等檔次的頻譜儀相當(dāng),而底噪聲、帶內(nèi)平坦度、絕對(duì)幅度精度、相位噪聲等指標(biāo)已經(jīng)可以做到和中高檔頻譜儀類似。
而且,為了滿足射頻測(cè)試的要求,現(xiàn)代的高性能示波器里除了傳統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)以外,也開始標(biāo)注射頻指標(biāo)以適應(yīng)射頻用戶的使用習(xí)慣。下表就是Keysight公司V系列示波器里給出的典型的射頻指標(biāo)。
當(dāng)然,由于工作原理的不同,實(shí)時(shí)示波器在做頻域分析時(shí)還有一些局限性,比如在特別小RBW設(shè)置下(<1KHz時(shí))由于需要采集大量數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算,其波形更新速度會(huì)嚴(yán)重變慢,因此不適用于窄帶信號(hào)的測(cè)量。
正是由于實(shí)時(shí)示波器明顯的高帶寬、多通道優(yōu)勢(shì)以及強(qiáng)大的時(shí)域測(cè)量能力,再加上改進(jìn)了的射頻性能指標(biāo),使得其在超寬帶射頻信號(hào)的測(cè)量、時(shí)頻域綜合分析以及多通道測(cè)量的領(lǐng)域開始發(fā)揮越來越重要的作用。
作者簡介:
李凱,畢業(yè)于北京理工大學(xué)光電工程系,碩士學(xué)位,15年通信及測(cè)量行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。2006年加入安捷倫公司,負(fù)責(zé)信號(hào)完整性分析等高速數(shù)字測(cè)試產(chǎn)品的應(yīng)用和研究。《高速數(shù)字接口原理與測(cè)試指南》一書作者,并有大量關(guān)于高速總線測(cè)量原理、測(cè)量方法的文章發(fā)布在《國外電子測(cè)量技術(shù)》、《電子工程專輯》等雜志及EDN China的個(gè)人技術(shù)博客。
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