如何使用示波器進行射頻信號測試

每一位做射頻或者高速數(shù)字設計的工程師都會同時面臨頻域和時域測試的問題。比如從事高速數(shù)字電路設計的工程師通常從時域分析信號的波形和眼圖，也會借用頻域的S 參數(shù)分析傳輸通道的插入損耗，或者用相位噪聲指標來分析時鐘抖動等。對于無線通信、雷達、導航信號的分析來說，傳統(tǒng)上需要進行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測試，但隨著信號帶寬更寬以及脈沖調制、跳頻等技術的應用，有時采用時域的測量手段會更加有效?，F(xiàn)代實時示波器的性能比起 10 多年前已經有了大幅度的提升，可以滿足高帶寬、高精度的射頻微波信號的測試要求。除此以外，現(xiàn)代實時示波器的觸發(fā)和分析功能也變得更加豐富、操作界面更加友好、數(shù)據傳輸速率更高、多通道的支持能力也更好，使得高帶寬實時示波器可以在寬帶信號測試領域發(fā)揮重要的作用。

一、 什么射頻信號測試要用示波器 ?

時域測量的直觀性

要進行射頻信號的時域測量的一個很大原因在于其直觀性。比如在右圖中的例子中分別顯示了 4 個不同形狀的雷達脈沖信號，信號的載波頻率和脈沖寬度差異不大，如果只在頻域進行分析，很難推斷出信號的時域形狀。由于這 4 種時域脈沖的不同形狀對于最終的卷積處理算法和系統(tǒng)性能至關重要，所以就需要在時域對信號的脈沖參數(shù)進行精確的測量，以保證滿足系統(tǒng)設計的要求。

更高分析帶寬的要求

在傳統(tǒng)的射頻微波測試中，也會使用一些帶寬不太高 (< 1 GHz)的示波器進行時域參數(shù)的測試，比如用檢波器檢出射頻信號包絡后再進行參數(shù)測試，或者對信號下變頻后再進行采集等。此時由于射頻信號已經過濾掉，或者信號已經變換到中頻，所以對測量要使用的示波器帶寬要求不高。

但是隨著通信技術的發(fā)展，信號的調制帶寬越來越寬。比如為了兼顧功率和距離分辨率，現(xiàn)代的雷達會在脈沖內部采用頻率或者相位調制，典型的SAR成像雷達的調制帶寬可能會達到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，實際可用的調制帶寬可達到 3 GHz 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，而是達到一定頻點后就開始明顯下降，因此選擇實時示波器時，示波器的帶寬應該大于需要的分析帶寬，至于大多少，要具體看示波器實際的頻響曲線和被測信號的要求。

在這么高的傳輸帶寬下，傳統(tǒng)的檢波或下變頻的測量手段會遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個帶寬可達到2GHz以上同時幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器，所以會造成測試結果的嚴重失真。

同時，如果需要對雷達脈沖或者衛(wèi)星通信信號的內部調制信息進行解調，也需要非常高的實時帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實時分析帶寬目前還達不到GHz以上。因此，如果要進行GHz以上寬帶信號的分析解調，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)代實時示波器技術的發(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，所以在射頻微波領域的應用僅限于中頻或控制信號的測試，但隨著芯片、材料和封裝技術的發(fā)展，現(xiàn)代實時示波器的的帶寬、采樣率、存儲深度以及底噪聲、抖動等性能指標都有了顯著的提升。

材料技術革新對示波器帶寬的提升

以材料技術為例，磷化銦 (InP) 材料是這些年國際和國內比較熱門的材料。相對于傳統(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，更低的表面復合速度以及更高的電絕緣強度。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)的鋁基底時會存在熱膨脹系數(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的應用，現(xiàn)代實時示波器的硬件帶寬已經可以達到 60GHz以上，同時由于磷化銦(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，同時其較低的功率損耗給產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，采用磷化銦材料設計的示波器可用輸入量程可達8V，相當于20dBm以上，大大提高了實用性和可靠性。

ADC 采樣技術對示波器采樣率的提升

要保證高的實時的帶寬，根據 Nyqist 定律，放大器后面ADC采樣的速率至少要達到帶寬的2倍以上(工程實現(xiàn)上會保證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，因此高帶寬的實時示波器通常會采用ADC的拼接技術。

典型的ADC拼接有兩種方式，一種是片內拼接，另一種是片外拼接。片內拼接是把多個ADC的內核集成在一個芯片內部，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10bit ADC芯片，在業(yè)內第一次實現(xiàn)8 GHz帶寬范圍內10bit的分辨率。片內拼接的優(yōu)點是各路之間的一致性和時延控制可以做地非常好，但是對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拼接實現(xiàn)了 160G/s的采樣率，保證了高達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，同時對PCB上信號和采樣時鐘的時延要精確控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采樣保持再進行信號分配和模數(shù)轉換的技術，大大提高了對于PCB走線誤差和抖動的裕量。

三、 寬帶示波器在射頻信號測試中的典型應用

正是由于芯片、材料和工藝技術帶來的示波器帶寬和采樣率的快速提升，使得寬帶實時示波器開始在射頻信號的測試中發(fā)揮關鍵的作用。以下是一些典型應用。

射頻信號時頻域綜合分析

實時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載波的時域波形并進行分析。從中可以清晰看到信號的脈沖包絡以及脈沖包絡內部的載波信號的時域波形，這使得時域參數(shù)的測試更加簡潔和直觀。由于不需要對信號下變頻后再進行采樣，測試系統(tǒng)也更加簡單，同時避免了由于下變頻器性能不理想帶來的額外信號失真。

更進一步地，還可以借助于示波器的時間門功能對一段射頻信號的某個區(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不同位置的時間窗口，并分別做FFT變換的結果，從中可以清晰看出不同時間窗范圍內信號頻譜的變化情況。

雷達脈沖參數(shù)測試

對于雷達等脈沖調制信號來說，對于脈沖信號其寬度、上升時間、占空比、重復頻率等都是非常關鍵的時域參數(shù)。按照IEEE Std 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。

當用寬帶示波器已經把射頻脈沖捕獲下來以后，就可以借助于示波器里內置的數(shù)學函數(shù)編輯一個數(shù)學的檢波器。如下圖所示，黑色曲線是從原始信號里用數(shù)學檢波器檢出的包絡信號。包絡波形得到后，借助于示波器本身的參數(shù)測量功能，就可以進行一些基本的脈沖參數(shù)測試。

更進一步地，我們還可以借助于示波器的 FFT 功能得到信號的頻譜分布，借助示波器的抖動(Jitter)分析軟件得到脈沖內部信號頻率或相位隨時間的變化波形，并把這些結果顯示在一起。下圖顯示的是一個Chirp雷達脈沖的時域波形、頻率/相位變化波形以及頻譜的結果，通過這些波形的綜合顯示和分析，可以直觀地看到雷達信號的變化特性，并進行簡單的參數(shù)測量。

在雷達等脈沖信號的測試中，是否能夠捕獲到足夠多的連續(xù)脈沖以進行統(tǒng)計分析也是非常重要的。如果要連續(xù)捕獲上千甚至上萬個雷達脈沖，可能需要非常長時間的數(shù)據記錄能力。比如某搜索雷達的脈沖的重復周期是5ms，如果要捕獲 1000個連續(xù)的脈沖需要記錄5s時間的數(shù)據。如果使用的示波器的采樣率是80G/s，記錄5s時間需要的內存深度=80G/s*50s=400G樣點，這幾乎是不可能實現(xiàn)的。

為了解決這個問題，現(xiàn)代的高帶寬示波器里都支持分段存儲模式。所謂分段存儲模式(Segmented Memory Mode)，是指把示波器里連續(xù)的內存空間分成很多段，每次觸發(fā)到來時只進行一段很短時間的采集，直到記錄到足夠的段數(shù)。很多雷達脈沖的寬度很窄，在做雷達的發(fā)射機性能測試時，如果感興趣的只是有脈沖發(fā)射時很短一段時間內的信號，使用分段存儲就可以更有效利用示波器的內存。

在下圖中的例子里，被測脈沖的寬度是1us，重復周期是5ms。我們在示波器里使用分段存儲模式，設置采樣率為80G/s，每段分配200k點的內存，并設置做 10000段的連續(xù)記錄。這樣每段可以記錄的時間長度=200k/80G=2.5 us，總共使用的示波器的內存深度=200k點*10000段=2G點，實現(xiàn)的記錄時間=5ms*10000=50 s。也就是說，通過分段存儲模式實現(xiàn)了連續(xù)50s內共10000個雷達脈沖的連續(xù)記錄。

雷達參數(shù)綜合分析

除了在示波器里直接對雷達脈沖的基本參數(shù)進行測量，也可以借助功能更加強大的矢量信號分析軟件。下圖是用Keysight公司的89601B矢量信號分析軟件結合示波器對超寬帶的Chirp雷達信號做解調分析的例子，圖中顯示了被測信號的頻譜、時域功率包絡以及頻率隨時間的變化曲線。被測信號由M8195A超寬帶任意波發(fā)生器產生，Chirp信號的脈沖寬度為2us，頻率變化范圍從1GHz~19GHz，整個信號帶寬高達18GHz! 這里充分體現(xiàn)了實時示波器帶寬的優(yōu)勢。

更嚴格的雷達測試不會僅僅只測脈沖和調制帶寬等基本參數(shù)。比如由于器件的帶寬不夠或者頻響特性不理想，可能會造成Chirp脈沖內部各種頻率成分的功率變化，從而形成脈沖功率包絡上的跌落(Droop)和波動(Ripple)現(xiàn)象。因此，嚴格的雷達性能指標測試還需要對脈沖的峰值功率、平均功率、峰均比、Droop、Ripple、頻率變化范圍、線性度等參數(shù)以及多個脈沖間的頻率、相位變化進行測量，或者要分析參數(shù)隨時間的變化曲線和直方圖分布等。這些更復雜的測試可以借助于89601B軟件里的BHQ雷達脈沖測量選件實現(xiàn)。這個測試軟件也支持示波器的分段存儲模式，可以一次捕獲到多個連續(xù)脈沖后再做統(tǒng)計分析，下圖是一個實際測試的例子。

跳頻信號測試

除了雷達脈沖分析以外，借助于示波器自身的抖動分析軟件或者矢量信號分析軟件，還可以對超寬帶的調頻信號進行分析。下圖是對一段在7GHz的帶寬范圍內進行調頻的信號的頻譜、時域以及調頻圖案的分析結果。

調制器時延測試

在衛(wèi)星通信或者導航等領域，需要測試其射頻輸出 (可能是射頻或者 Ku/Ka 波段信號)相對于內部定時信號 (1pps或100pps信號)的絕對時延并進行修正。這就需要使用至少2通道的寬帶示波器同時捕獲定時信號和射頻輸出，并能進行精確可重復的測量。

下圖是用示波器捕獲到的1pps定時信號(藍色波形)以及QPSK調制的射頻輸出信號(紫色波形)。用作觸發(fā)的定時信號到來后，射頻信號功率第1個過零點的時刻相對于定時信號的時延就是要測量的系統(tǒng)時延。如果僅僅通過手動光標測量，很難卡準合適的功率零點位置。我們借助于前面介紹過的數(shù)字檢波功能，可以檢出射頻信號的功率包絡并進行放大(如灰色波形所示)，并借助示波器的測量功能來測量功率包絡最小點的時刻(Tmin)，這就實現(xiàn)了衛(wèi)星轉發(fā)器或調制器時延的精確測試。通過多次自動測試過零點時刻，還可以進行長時間的統(tǒng)計，以分析時延的變化范圍和抖動等。

寬帶通信信號的解調分析

在WLAN、衛(wèi)星通信、光通信領域，可能需要對非常高帶寬的信號(>500 MHz) 進行性能測試和解調分析，這對于測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上，已經實現(xiàn)了單波長100Gbps的信號傳輸，其采用的技術就是把2路25Gbps的信號通過QPSK的調制方式調制到激光器的一個偏振態(tài)，然后把另 2路25Gbps的信號通過同樣的方式調制到激光器一個偏振態(tài)上，然后把兩個偏振態(tài)的信號合成在一起實現(xiàn)100 Gbps的信號傳輸。而在下一代200Gbps或者400 Gbps 的技術研發(fā)中，可能會采用更高的波特率以及更高階的調制如16QAM、64QAM甚至OFDM 等技術，這些都對測量儀器的帶寬和性能提出了非常高的要求。