如何使用示波器進(jìn)行射頻信號測試

每一位做射頻或者高速數(shù)字設(shè)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(shè)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(biāo)來分析時鐘抖動等。對于無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航信號的分析來說，傳統(tǒng)上需要進(jìn)行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測試，但隨著信號帶寬更寬以及脈沖調(diào)制、跳頻等技術(shù)的應(yīng)用，有時采用時域的測量手段會更加有效。現(xiàn)代實(shí)時示波器的性能比起 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的測試要求。除此以外，現(xiàn)代實(shí)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(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)時示波器可以在寬帶信號測試領(lǐng)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(guān)重要，所以就需要在時域?qū)π盘柕拿}沖參數(shù)進(jìn)行精確的測量，以保證滿足系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行時域參數(shù)的測試，比如用檢波器檢出射頻信號包絡(luò)后再進(jìn)行參數(shù)測試，或者對信號下變頻后再進(jìn)行采集等。此時由于射頻信號已經(jīng)過濾掉，或者信號已經(jīng)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(shù)的發(fā)展，信號的調(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 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(dá)到一定頻點(diǎn)后就開始明顯下降，因此選擇實(shí)時示波器時，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(dá)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(jié)果的嚴(yán)重失真。

同時，如果需要對雷達(dá)脈沖或者衛(wèi)星通信信號的內(nèi)部調(diào)制信息進(jìn)行解調(diào)，也需要非常高的實(shí)時帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實(shí)時分析帶寬目前還達(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，所以在射頻微波領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代實(shí)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(biāo)都有了顯著的提升。

材料技術(shù)革新對示波器帶寬的提升

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(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代實(shí)時示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達(dá)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(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)對示波器采樣率的提升

要保證高的實(shí)時的帶寬，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)時示波器通常會采用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ADC的內(nèi)核集成在一個芯片內(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10bit ADC芯片，在業(yè)內(nèi)第一次實(shí)現(xiàn)8 GHz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(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(jìn)行信號分配和模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，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(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)時示波器開始在射頻信號的測試中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。以下是一些典型應(yīng)用。

射頻信號時頻域綜合分析

實(shí)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(jìn)行分析。從中可以清晰看到信號的脈沖包絡(luò)以及脈沖包絡(luò)內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(jié)果，從中可以清晰看出不同時間窗范圍內(nèi)信號頻譜的變化情況。

雷達(dá)脈沖參數(shù)測試

對于雷達(dá)等脈沖調(diào)制信號來說，對于脈沖信號其寬度、上升時間、占空比、重復(fù)頻率等都是非常關(guān)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(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)編輯一個數(shù)學(xué)的檢波器。如下圖所示，黑色曲線是從原始信號里用數(shù)學(xué)檢波器檢出的包絡(luò)信號。包絡(luò)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(jìn)行一些基本的脈沖參數(shù)測試。

更進(jìn)一步地，我們還可以借助于示波器的 FFT 功能得到信號的頻譜分布，借助示波器的抖動(Jitter)分析軟件得到脈沖內(nèi)部信號頻率或相位隨時間的變化波形，并把這些結(jié)果顯示在一起。下圖顯示的是一個Chirp雷達(dá)脈沖的時域波形、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)信號的變化特性，并進(jìn)行簡單的參數(shù)測量。

在雷達(dá)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(jìn)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(dá)脈沖，可能需要非常長時間的數(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個連續(xù)的脈沖需要記錄5s時間的數(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(nèi)存空間分成很多段，每次觸發(fā)到來時只進(jìn)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(dá)脈沖的寬度很窄，在做雷達(dá)的發(fā)射機(jī)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(nèi)的信號，使用分段存儲就可以更有效利用示波器的內(nèi)存。

在下圖中的例子里，被測脈沖的寬度是1us，重復(fù)周期是5ms。我們在示波器里使用分段存儲模式，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間長度=200k/80G=2.5 us，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)的記錄時間=5ms*10000=50 s。也就是說，通過分段存儲模式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)50s內(nèi)共10000個雷達(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雷達(dá)脈沖的基本參數(shù)進(jìn)行測量，也可以借助功能更加強(qiáng)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(jié)合示波器對超寬帶的Chirp雷達(dá)信號做解調(diào)分析的例子，圖中顯示了被測信號的頻譜、時域功率包絡(luò)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(chǎn)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(dá)18GHz! 這里充分體現(xiàn)了實(shí)時示波器帶寬的優(yōu)勢。

更嚴(yán)格的雷達(dá)測試不會僅僅只測脈沖和調(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(Ripple)現(xiàn)象。因此，嚴(yán)格的雷達(dá)性能指標(biāo)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(jìn)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(fù)雜的測試可以借助于89601B軟件里的BHQ雷達(dá)脈沖測量選件實(shí)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(shí)際測試的例子。

跳頻信號測試

除了雷達(dá)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(diào)頻信號進(jìn)行分析。下圖是對一段在7GHz的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的信號的頻譜、時域以及調(diào)頻圖案的分析結(jié)果。

調(diào)制器時延測試

在衛(wèi)星通信或者導(dǎo)航等領(lǐng)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(nèi)部定時信號 (1pps或100pps信號)的絕對時延并進(jìn)行修正。這就需要使用至少2通道的寬帶示波器同時捕獲定時信號和射頻輸出，并能進(jìn)行精確可重復(fù)的測量。

下圖是用示波器捕獲到的1pps定時信號(藍(lán)色波形)以及QPSK調(diào)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(diǎn)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(biāo)測量，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)，并借助示波器的測量功能來測量功率包絡(luò)最小點(diǎn)的時刻(Tmin)，這就實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或調(diào)制器時延的精確測試。通過多次自動測試過零點(diǎn)時刻，還可以進(jìn)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(diào)分析

在WLAN、衛(wèi)星通信、光通信領(lǐng)域，可能需要對非常高帶寬的信號(>500 MHz) 進(jìn)行性能測試和解調(diào)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(wǎng)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單波長100Gbps的信號傳輸，其采用的技術(shù)就是把2路25Gbps的信號通過QPSK的調(diào)制方式調(diào)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(diào)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(shí)現(xiàn)100 Gbps的信號傳輸。而在下一代200Gbps或者400 Gbps 的技術(shù)研發(fā)中，可能會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)，這些都對測量儀器的帶寬和性能提出了非常高的要求。