如何使用示波器進行射頻信號測試

如下圖所示是Keysight公司進行100G/400G光相干通信分析儀N4391A: 儀器下半部分是一個相干光通信的解調器，用于把輸入信號的2個偏振態(tài)下共4路I/Q 信號分解出來并轉換成電信號輸出，每路最高支持的信號波特率可達126 Gbaud;而上半部分就是一臺高帶寬的Z系列示波器，單臺示波器就可以實現(xiàn)4路33GHz的測量帶寬或者2路63GHz的測量帶寬;示波器里運行89601B矢量信號分析軟件，可以完成信號的偏振對齊、色散補償以及4路I/Q信號的解調和同時顯示等。

下圖中還顯示了用示波器做超寬帶信號解調分析的結果，被測信號是由 M8195A 發(fā)出的32Gbaud的16QAM調制信號。由于16 QAM調制格式下每個符號可以傳輸4個bit的有效數(shù)據，所以實際的數(shù)據傳輸速率達到128 Gbps。通過寬帶的頻響修正和預失真補償，實現(xiàn)了高達20dB以上的信噪比以及<4%的EVM(矢量調制誤差)指標。

多通道測量

在MIMO(Multiple-input and Multiple-output)、相控陣以及做科學研究的場合，通常需要對多于4路的高速信號做同時測量。為了滿足這種應用，現(xiàn)代的高帶寬示波器在硬件和軟件上都提供了對于多通道測量的支持能力。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聯(lián)方案以及示波器里的多通道測量軟件，目前可以支持最多10臺示波器的級聯(lián)，提供20路同步的帶寬高達 63 GHz 的測量通道，或者40路帶寬為33GHz測量通道。通過精確的時延和抖動校準，通道間的抖動可以控制在150fs(rms)以內。

EMI/EMC 預調試功能

很多射頻產品除了要遵循EMC規(guī)范外，EMI現(xiàn)象也影響產品的性能，尤其是在噪聲和抖動方面，如果不小心處理，則有可能破壞整個電路的功能，因此許多電路設計指南都會包括保護頻段、參考地平面、回路、電源控制環(huán)回以及擴頻時鐘，目的就是最小化EMI效應。

EMI問題產生的常見原因包括開關電源、電源濾波、地阻抗、液晶屏、金屬屏蔽殼靜電、電纜屏蔽不好、布線路徑內部耦合、器件的寄生參數(shù)以及信號回路不完全等。EMI問題常見的分析方法是用頻譜分析儀接收機。但很多工程師也許不熟悉的是，示波器是可以用在EMI預調試上的，以前大家的一個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Infiniium S系列示波器在500 MHz~8GHz帶寬內使用10-bitADC，V系列在8GHz~33 GHz帶寬內將本底噪聲降到很低，示波器在EMI預調試方面增加很多功能，包括頻域模板、近場探頭、多達8個FFT同時分析，畫圖(任意位置)觸發(fā)，模擬、邏輯信號和串行信號同時分析等。

下圖是可用于 EMI 預調試的近場探頭以及頻域模板觸發(fā)的實例。

四、 示波器的射頻性能指標

從前面介紹的一些示波器在射頻測試里的典型應用可以看出:由于技術的發(fā)展，使得示波器高帶寬、多通道的優(yōu)勢非常適合于各種復雜的超寬帶應用，同時其時域、頻域的綜合分析能力也提高了測量的直觀性。

但是在使用示波器做射頻信號測試時，我們不能不對其精度和性能有一定的顧慮。因為實時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)示波器只會給出其帶寬、采樣率、存儲深度等指標，可供參考的頻域方面的性能指標較少。因此，下面我們將通過一些實際的測試和分析，來認識一下示波器的射頻性能指標。

底噪聲(Noise Floor)

底噪聲是測量儀器非常重要的一個指標，它會影響到測量結果的信噪比以及測量小信號的能力。傳統(tǒng)上會認為示波器的底噪聲較高，因此不適用于小信號測量，其實并不完全是這樣，最主要原因在于不同儀器對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。比如熱噪聲的計算公式如下，噪聲功率和帶寬是線性的關系。

示波器作為一臺寬帶測量儀器，其底噪聲指標給出的是全帶寬范圍內噪聲的總和，而且也近似和帶寬成正比。

比如在下圖左邊是Keysight公司S系列示波器手冊里給出的底噪聲指標。在50mv/div的量程下，4 GHz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。

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 進行比較，而這也正是頻譜儀等射頻儀器里對其底噪聲DANL(Displayed average 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格相當于400 mV，對應于-4dBm 的滿量程，對于8GHz的S-804A示波器來說，其8 GHz帶寬范圍內總的底噪聲是1.4 mVrms，相當于-44 dBm，歸一化到每單位 Hz 的底噪聲就相當于-143dBm/Hz 。而在更小的量程下， S系列示波器的底噪聲可以達到-158dBm/Hz，這個指標已經好于絕大多數(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指標也僅僅比S系列示波器好幾個dB而已。

下圖是一個S系列8GHz帶寬示波器在最小量程下底噪聲的實測結果。中心頻點1GHz，Span=20MHz，除了在1GHz頻點有很小的雜散以外，其在RBW=10KHz下的底噪聲約為-120dBm，相當于約-160dBm/Hz。

因此，歸一化到每單位Hz后，示波器的底噪已經優(yōu)于絕大多數(shù)頻譜儀在不打開前置放大器時的指標，這個指標還是相當不錯的。由于噪聲是和帶寬成正比的，所以如果信號帶寬只集中在某一個頻段范圍內，就可以通過相應的數(shù)字濾波技術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)字帶寬調整功能就是一種降低示波器自身底噪聲的方法。

無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)

在射頻測試中，除了底噪聲以外，無雜散動態(tài)范圍 (SFDR:Spurious-free dynamic range) 也非常重要，因為它決定了在有大信號存在的情況下能夠分辨的最小信號能量。對于示波器來說，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，如果采樣時鐘的相位沒有控制好精確的180度，就有可能造成信號的失真，在頻譜上就會出現(xiàn)以拼接頻率為周期的雜散信號。如果失真比較嚴重，即使再高的采樣率也無法保證采集到的信號的真實性。

對于高帶寬示波器來說，不論是采用片內拼接還是片外拼接，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40 G/s的ADC 芯片，通過專門的工藝優(yōu)化了時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信號源產生 1GHz信號經濾除諧波后在5GHz的Span范圍內看到的頻譜，可以看到除了2次和3 次諧波失真外，其雜散指標可以達到-75dBc，相當于一臺中等檔次的頻譜儀的水平。

諧波失真 (Harmonic Distortion)

諧波失真也是衡量測量信號保真度的一個重要指標。對于示波器來說，為了保證高的采樣率，其 ADC的位數(shù)(8bit或者10bit)相對于頻譜儀里使用的14 bit ADC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。

在上面的測試結果中，其2次諧波失真約為-65 dBc，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了。因此如果用戶關心諧波失真指標，比如在放大器的非線性測試中，使用示波器并不是一個好的選擇。

不過好在諧波造成的失真通常在帶外，通過簡單的數(shù)學濾波處理很容易把諧波濾除掉。所以在有些寬帶信號解調的應用中，由于測量算法在解調過程中會加入數(shù)學濾波器，諧波失真對于最終的解調結果影響并不是很大。

絕對幅度精度 (Absolute amplitude accuracy)

絕對幅度精度會影響到示波器對某個頻點載波做功率測量時的準確度。對于示波器來說，絕對幅度精度指標=DC幅度測量精度+幅頻響應。因此需要兩部分分別分析。DC幅度測量精度就是示波器里標稱的雙光標測量精度，又由DC增益誤差和垂直分辨率兩部分構成(如下圖所示是Keysight公司S系列示波器的DC測量精度指標)。對于實時示波器來說，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，如果是10bit的ADC就相當于滿量程的1/1024。由此計算得出實時示波器的DC幅度精度大約在±0.2dB左右。

至于幅頻響應，傳統(tǒng)上寬帶設備的幅頻響應都不會特別好，但現(xiàn)代的高性能示波器在出廠時都會做頻率響應的校準和補償，使得其幅頻響應曲線非常平坦。下圖是Keysight公司8 GHz帶寬的S系列示波器的幅頻響應曲線，可以看出其帶內平坦度非常好，在7.5GHz以內的波動不超過±0.5dB。

因此，綜合下來，S系列示波器在7.5 GHz以內的絕對幅度測量精度可以控制在±1dB左右，這個指標和大部分中高檔頻譜儀的指標相當。而Keysight公司的 V 系列示波器更是可以在30GHz的范圍內保證±0.5dB的絕對幅度精度，超過了大部分高檔頻譜儀的指標。

相位噪聲 (Phase Noise)

測量儀器的相位噪聲 (Phase Noise) 反映了測試一個純凈正弦波時的近端低頻噪聲的大小，在雷達等應用中會影響到對于慢目標識別時的多普率頻移的分辨能力。相位噪聲的頻域積分就是時域的抖動。對于示波器來說，相位噪聲太差或者抖動太大會造成對于射頻信號采樣時產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鐘的抖動或者相位噪聲，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 等系列示波器都對時鐘電路進行了優(yōu)化，甚至采用了經典的微波信號源如 E8267D里的時鐘電路設計，使得示波器的相位噪聲指標有了很大提升。如下圖所示是S示波器在1GHz載波時的相位噪聲曲線，測試中的RBW設置為750 Hz，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，這已經超過了市面上大多數(shù)中檔頻譜儀的相噪指標。而更高性能的 V 系列示波器的相位噪聲指標則可以做到約-130dBc/Hz@100 KHz offset，這已經超過了市面上大部分中高檔頻譜儀的相應指標。

五、 總結

從前面的介紹可以看出，現(xiàn)代的高性能的實時示波器除了受ADC位數(shù)的限制造成諧波失真指標明顯較差以外，其無雜散動態(tài)范圍可以和中等檔次的頻譜儀相當，而底噪聲、帶內平坦度、絕對幅度精度、相位噪聲等指標已經可以做到和中高檔頻譜儀類似。

而且，為了滿足射頻測試的要求，現(xiàn)代的高性能示波器里除了傳統(tǒng)的時域指標以外，也開始標注射頻指標以適應射頻用戶的使用習慣。下表就是Keysight公司V系列示波器里給出的典型的射頻指標。

當然，由于工作原理的不同，實時示波器在做頻域分析時還有一些局限性，比如在特別小RBW設置下(<1KHz時)由于需要采集大量數(shù)據做FFT運算，其波形更新速度會嚴重變慢，因此不適用于窄帶信號的測量。

正是由于實時示波器明顯的高帶寬、多通道優(yōu)勢以及強大的時域測量能力，再加上改進了的射頻性能指標，使得其在超寬帶射頻信號的測量、時頻域綜合分析以及多通道測量的領域開始發(fā)揮越來越重要的作用。