高性能数字存储示波器的防混淆问题

图1一个5.5GHz信号分别由20GS/s和10GS/s捕捉的波形。
下边由放大波形显示信号的细节，右边是测量的频率参数。

图2图中三条曲线表示取样率随20GS/s数字化器在三个不同时间/格设置的变化。第一条的存储器是250K样本，第二条是1M样本，第三条是100M样本。

2002年力科、泰克、安捷伦三个公司分别推出使实时示波器的带宽扩展到6GHz的三种数字示波器。三种仪器都具有高达20GS/s的取样率，工程师在他们的电路除错手段中获得了前所未有的最高性能实时示波器。然而，跟所有新工具一样，重要的是要掌握使用这些工具的最有效方法。值得注意的一点是信号混淆问题，这里既有在观察中容易出错的新问题，亦有可防止混淆信号分量使数据崩溃的新办法。

信号混淆的基本原理
当信号欠取样时会产生混淆。特别是，奈奎斯特原理告诉我们，为了仪器能重建正确的信号频率，数字取样系统必须在每个周期内捕捉两个以上的样本。当每个周期捕捉的样本小于两个时，仪器仍然获得数据，粗心的用户会认为观察到的信号就是电路的真正信号，而实际都是“混淆”信号。混淆一词是指真正信号频率和实际信号形状没有看见，而且数字化点显示出“假”的很容易被错认的信号。
用20GS/s取样率捕捉的5.5GHz信号与用10GS/s捕捉的结果对比如图1所示。在第一种情况下，捕捉到正确的信号波形和测量到真正的频率。在第二种情况下，虽然信号看来很真实，但它是欠取样的。测量得的频率4.5GHz是取样率（10GS/s）与实际信号频率（5.5GHz）之差。
粗心的示波器用户可能注意到图1的第二个示波器屏幕和认为实际信号频率是4.5GHz，或者假定主要信号是2.5Gbit的通信信号，但是有一些5.5GHz的噪声出现。用户可能相信噪声是4.5GHz和浪费时间在该频率下寻找噪声来源。

采用长存储器防止混淆
一旦混淆信号作为信号采集的一部分被数字化，就不可能将混淆信号从出现在混淆频率上的真正信号区分开。甚至在某一频率下信号的真正分量就是一个混淆分量。如何避免混淆问题？最重要的防御办法是对所用的数字化仪器有充分了解。图2示出取样率随时基的变化曲线。虽然数字化仪的最高取样率可达到20GS/s，如果样本必须延伸到很宽的时间范围，则样本之间的间隔会大于50PS。这意味着信息有损失，超过奈奎斯特极限的信号分量就是混淆信号。
第一级防止混淆的办法是拥有在尽可能多的时基下保持高取样率的存储系统。容易计算出出现混淆的时基。查阅数字化器的技术数据资料，以及了解在最高取样率下有多大存储器可供应用。一个数字化器的总存储器可能有32M样本，但是在最高取样率下它只能捕捉到最多1M样本。这相当于50μS的信号长度（50PS/样本