MDO4000混合域示波器結(jié)構(gòu)解密（上）

簡(jiǎn)單的理解是：每A/D轉(zhuǎn)換器每增加1比特，A/D轉(zhuǎn)換器的SNR信噪比增加大約6dB。以n = 12為例的A/D轉(zhuǎn)換器，其最大的SNR（信噪比）大概是74dB。

而FFT處理增益= 10Log10(M/2) (M = FFT幀長(zhǎng)度) （公式3）（若M = 4096, FFT處理增益= 33dB）

簡(jiǎn)單的理解是：FFT運(yùn)算時(shí)所采用的幀長(zhǎng)度M與它所產(chǎn)生的頻譜的分辨率帶寬是成反比的，即是所使用的FFT幀長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所得到的頻譜分辨率越高，或分辨率帶寬越窄，見以下公式：

RBW分辨率帶寬=（窗口函數(shù)/ M）*采樣率（公式4）

而分辨率帶寬越窄，所能進(jìn)入的噪聲相對(duì)較低。因此，通過設(shè)置FFT幀長(zhǎng)度M可以增加FFT處理增益，從而降低FFT噪底的電平。

因此，對(duì)于這個(gè)組合，使用12比特A/D轉(zhuǎn)換器，與FFT幀長(zhǎng)為4096，其FFT的噪底應(yīng)為107dB （見圖9）。

圖9 SNR信噪比、處理增益與FFT噪底的關(guān)系

由此可見，若想FFT的噪底足夠低的話，就要使用比特位數(shù)高的A/D轉(zhuǎn)換器加上運(yùn)算FFT變換時(shí)，采用更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此一般VSA與RSA所采用的A/D轉(zhuǎn)換器的比特位數(shù)都要比一般示波器要高得多，舉例：泰克的RSA6000系列所采用的A/D轉(zhuǎn)換器是14位比特的。

頻譜分析儀另外一個(gè)重要的指標(biāo)就是SFDR。雜散信號(hào)主要來源于所采用器件，如下變頻器中的混頻器與A/D轉(zhuǎn)換器等的微分非線性（Differential Non-Linearity, DNL）特性所導(dǎo)致的失真（Distortion; 注意：失真與噪聲Noise是不同的概念）。假設(shè)輸入射頻信號(hào)為正弦波，其基本頻率為F0，若混頻器、A/D轉(zhuǎn)換器為線性的，其輸出在頻域來說也一定是基本頻率為F0的正弦波。然而理想的混頻器與A/D轉(zhuǎn)換器只存在于理論世界之中。在實(shí)際情況下，它們的非線性特性會(huì)產(chǎn)生諧波失真，如產(chǎn)生以F0為倍數(shù)的諧波含量（這些諧波是雜散信號(hào)之一），若把這些諧波與基頻都組合起來重構(gòu)時(shí)域的波形的話，它將不是一單調(diào)的、基本頻率為F0的正弦波了，它將變形，成了一非正弦波，這就是所謂的諧波失真。導(dǎo)致雜散信號(hào)的，還有互調(diào)失真（就是指輸入信號(hào)可以是個(gè)非單調(diào)的正弦波，舉例：雙音的信號(hào)，而它們分別的基本頻率可以是F0與f0,它們的諧波之間可以互相調(diào)制，這在混頻器中是常見的失真問題）。這些失真所產(chǎn)生的雜散信號(hào)會(huì)使SFDR降低。由此我們看出，SFDR主要與器件的非線性特性有關(guān)，與噪聲不一定有直接關(guān)系。要改善SFDR，主要透過改善器件的線性特性，降低失真所產(chǎn)生的雜散信號(hào)。

圖10 SFDR的定義是載波的RMS有效值與最大雜散的RMS有效值之對(duì)數(shù)比例

就一般A/D轉(zhuǎn)換器而言，SFDR無雜散動(dòng)態(tài)范圍通常要比它的SNR信噪比高得多。

（泰克的RSA6000系列SFDR無雜散動(dòng)態(tài)范圍是-78dBc （<6.2GHz時(shí)））。顯明，所使用的A/D轉(zhuǎn)換器的比特位數(shù)越高，它的信噪比能力越高，無雜散動(dòng)態(tài)范圍也可能相對(duì)較好。但是一般情況下，比特位數(shù)高的A/D轉(zhuǎn)換器通常的采樣率都相對(duì)較低（因?yàn)椴蓸勇矢?，?duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率高，因此進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的噪聲也高，這樣一來，A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比就要低，因此，同時(shí)比特位數(shù)高與采樣率高對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)來說是很困難的），因此，A/D轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率也相對(duì)較低，最終需要對(duì)輸入的寬帶的信號(hào)在下變頻時(shí)變?yōu)镮F中頻窄帶的信號(hào)，這樣就限制了VSA或RSA這些現(xiàn)代的頻譜分析儀的實(shí)時(shí)寬帶功能有限，目前市場(chǎng)上最好的大概在150MHz范圍之間。

如表1所述，現(xiàn)代新興的通信標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)的工作帶寬都趨向越來越寬，IEEE802.11在5.6GHz頻段上工作的信號(hào)帶寬要達(dá)200MHz，調(diào)頻雷達(dá)可以在GHz范圍內(nèi)調(diào)頻或調(diào)相，UWB的工作帶寬都超過1GHz。面臨這些寬帶的實(shí)時(shí)變化的信號(hào)，目前沒有一臺(tái)合適的頻譜分析儀可以讓設(shè)計(jì)師一目了然全頻帶看到所有射頻信號(hào)的變化——設(shè)計(jì)工程師需要更好的工具幫助他們?cè)\斷、透視、測(cè)量與解決他們的無線設(shè)計(jì)問題！

傳統(tǒng)的示波器FFT

大多數(shù)數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠計(jì)算和顯示采集的時(shí)域信號(hào)的快速傅立葉變換或FFT，將輸入的模擬信號(hào)（可以是射頻頻率范圍的，只要示波器的帶寬足夠高。目前市面上最高帶寬的示波器是泰克的DPO/DSA73304，帶寬高達(dá)33GHz，幾乎可以捕捉任何信號(hào)，A/D采集后可以進(jìn)行FFT，將時(shí)域轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域。配合泰克的SignalVu 軟件包，更可以在調(diào)制域中測(cè)量多達(dá)27個(gè)矢量與標(biāo)量測(cè)量）。從表面上看，這似乎為許多用戶提供了充足的頻域分析功能。普通示波器即使有FFT功能，在進(jìn)行頻域測(cè)量中仍是次優(yōu)方案。這是什么原因呢？

圖11是傳統(tǒng)示波器簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)方框圖

首先，從上述有關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比與比特位數(shù)關(guān)系中得知，一般示波器的A/D轉(zhuǎn)換器只有8比特，意味最大能夠?qū)崿F(xiàn)的SNR（信噪比）不會(huì)超過50dB。對(duì)比一般入門級(jí)的頻譜分析儀，示波器的動(dòng)態(tài)范圍都相對(duì)比較差，起碼要少10dB 的范圍（見表2）。

表2：典型的SFDR無雜散動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。

其次，傳統(tǒng)示波器都是用來觀察時(shí)域的信號(hào)的，它的使用界面與功能都是圍繞時(shí)域的概念來設(shè)計(jì)的，因此，用戶無法直觀的調(diào)節(jié)例如：中心頻率，跨度，RBW分辨率帶寬等參數(shù)來調(diào)節(jié)頻譜，他必須要使用時(shí)域的觀念，即調(diào)節(jié)采樣率、記錄長(zhǎng)度等來控制他所要觀看的FFT頻譜的中心頻率，跨度，RBW分辨率帶寬等。比方說，對(duì)于輸入100MHz的方波進(jìn)行FFT，使用500MS/s的采樣率以及1MB的記錄長(zhǎng)度，得出來的FFT頻譜的中心頻率，跨度，RBW分辨率帶寬究竟是多少呢？我們可想而知，沒有經(jīng)過計(jì)算，用戶很難直觀地知道兩者之間的關(guān)系。計(jì)算經(jīng)過計(jì)算，獲得確切的所需設(shè)置通常也是不可能的。此外，F(xiàn)FT通常在與時(shí)域曲線相同的窗口中顯示，因此很容易導(dǎo)致客戶對(duì)這些畫面與時(shí)域的波形發(fā)生混淆。因此，從使用的便利性來說，示波器FFT從根本上就不是為了觀看射頻頻域信號(hào)而優(yōu)化的，對(duì)比使用頻譜分析儀來觀看與測(cè)量射頻與頻域信號(hào)，頻譜分析儀要直觀得多。

另外值得注意的是，示波器的帶寬都是從DC開始的，而一般的頻譜分析儀都并不是從DC開始的，因?yàn)橐话泐l譜分析儀的輸入前端都備有衰減器，來保護(hù)耐壓比較差的混頻器，而且混頻器的線性范圍都比較窄，透過衰減信號(hào)使得落在混頻器的線性范圍內(nèi)來避免不必要的諧波失真。但是因?yàn)榧尤肓怂p器的緣故，頻譜分析儀一般比較困難將它的低頻響應(yīng)擴(kuò)展到DC，比較常見的是從9KHz開始。