如何使用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測試

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)126 Gbaud;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的測量帶寬或者2路63GHz的測量帶寬;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，被測信號(hào)是由 M8195A 發(fā)出的32Gbaud的16QAM調(diào)制信號(hào)。由于16 QAM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128 Gbps。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) 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(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Infiniium S系列示波器在500 MHz~8GHz帶寬內(nèi)使用10-bitADC，V系列在8GHz~33 GHz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量的直觀性。

但是在使用示波器做射頻信號(hào)測試時(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(Noise Floor)

底噪聲是測量儀器非常重要的一個(gè)指標(biāo)，它會(huì)影響到測量結(jié)果的信噪比以及測量小信號(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，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(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(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(dāng)于400 mV，對(duì)應(yīng)于-4dBm 的滿量程，對(duì)于8GHz的S-804A示波器來說，其8 GHz帶寬范圍內(nèi)總的底噪聲是1.4 mVrms，相當(dāng)于-44 dBm，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40 G/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 (Harmonic Distortion)

諧波失真也是衡量測量信號(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(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。

在上面的測試結(jié)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(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 (Absolute amplitude 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幅度測量精度+幅頻響應(yīng)。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(biāo)稱的雙光標(biāo)測量精度，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8 GHz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7.5 GHz以內(nèi)的絕對(duì)幅度測量精度可以控制在±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 (Phase Noise)

測量儀器的相位噪聲 (Phase Noise) 反映了測試一個(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，測試中的RBW設(shè)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(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@100 KHz 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)的測量、時(shí)頻域綜合分析以及多通道測量的領(lǐng)域開始發(fā)揮越來越重要的作用。