如何使用示波器进行射频信号测试

如下图所示是Keysight公司进行100G/400G光相干通信分析仪N4391A: 仪器下半部分是一个相干光通信的解调器，用于把输入信号的2个偏振态下共4路I/Q 信号分解出来并转换成电信号输出，每路最高支持的信号波特率可达126 Gbaud;而上半部分就是一台高带宽的Z系列示波器，单台示波器就可以实现4路33GHz的测量带宽或者2路63GHz的测量带宽;示波器里运行89601B矢量信号分析软件，可以完成信号的偏振对齐、色散补偿以及4路I/Q信号的解调和同时显示等。

下图中还显示了用示波器做超宽带信号解调分析的结果，被测信号是由 M8195A 发出的32Gbaud的16QAM调制信号。由于16 QAM调制格式下每个符号可以传输4个bit的有效数据，所以实际的数据传输速率达到128 Gbps。通过宽带的频响修正和预失真补偿，实现了高达20dB以上的信噪比以及<4%的EVM(矢量调制误差)指标。

多通道测量

在MIMO(Multiple-input and Multiple-output)、相控阵以及做科学研究的场合，通常需要对多于4路的高速信号做同时测量。为了满足这种应用，现代的高带宽示波器在硬件和软件上都提供了对于多通道测量的支持能力。Keysight 的 N8834A多通道示波器软件支持将Infiniium 9000、90000、S、V、Z系列多通道示波器方案。

下图展示的是基于 Z 系列示波器的多通道级联方案以及示波器里的多通道测量软件，目前可以支持最多10台示波器的级联，提供20路同步的带宽高达 63 GHz 的测量通道，或者40路带宽为33GHz测量通道。通过精确的时延和抖动校准，通道间的抖动可以控制在150fs(rms)以内。

EMI/EMC 预调试功能

很多射频产品除了要遵循EMC规范外，EMI现象也影响产品的性能，尤其是在噪声和抖动方面，如果不小心处理，则有可能破坏整个电路的功能，因此许多电路设计指南都会包括保护频段、参考地平面、回路、电源控制环回以及扩频时钟，目的就是最小化EMI效应。

EMI问题产生的常见原因包括开关电源、电源滤波、地阻抗、液晶屏、金属屏蔽壳静电、电缆屏蔽不好、布线路径内部耦合、器件的寄生参数以及信号回路不完全等。EMI问题常见的分析方法是用频谱分析仪接收机。但很多工程师也许不熟悉的是，示波器是可以用在EMI预调试上的，以前大家的一个顾虑是示波器大都使用8-bitADC，幅度和相位频响不是很好，而随着像Infiniium S系列示波器在500 MHz~8GHz带宽内使用10-bitADC，V系列在8GHz~33 GHz带宽内将本底噪声降到很低，示波器在EMI预调试方面增加很多功能，包括频域模板、近场探头、多达8个FFT同时分析，画图(任意位置)触发，模拟、逻辑信号和串行信号同时分析等。

下图是可用于 EMI 预调试的近场探头以及频域模板触发的实例。

四、 示波器的射频性能指标

从前面介绍的一些示波器在射频测试里的典型应用可以看出:由于技术的发展，使得示波器高带宽、多通道的优势非常适合于各种复杂的超宽带应用，同时其时域、频域的综合分析能力也提高了测量的直观性。

但是在使用示波器做射频信号测试时，我们不能不对其精度和性能有一定的顾虑。因为实时示波器虽然采样率很高，但是由于普遍采用8bit的ADC，所以其量化误差和底噪声较大。而且传统示波器只会给出其带宽、采样率、存储深度等指标，可供参考的频域方面的性能指标较少。因此，下面我们将通过一些实际的测试和分析，来认识一下示波器的射频性能指标。

底噪声(Noise Floor)

底噪声是测量仪器非常重要的一个指标，它会影响到测量结果的信噪比以及测量小信号的能力。传统上会认为示波器的底噪声较高，因此不适用于小信号测量，其实并不完全是这样，最主要原因在于不同仪器对底噪声的定义方式不一样。底噪声的主要来源是热噪声以及前端放大器增加的噪声，这两部分噪声通常是和带宽近似成正比的。比如热噪声的计算公式如下，噪声功率和带宽是线性的关系。

示波器作为一台宽带测量仪器，其底噪声指标给出的是全带宽范围内噪声的总和，而且也近似和带宽成正比。

比如在下图左边是Keysight公司S系列示波器手册里给出的底噪声指标。在50mv/div的量程下，4 GHz带宽的示波器S-404的底噪声为768uVrms，近似是1GHz带宽的示波器S-104在相同量程下底噪声456uVrms的2倍。由于功率是电压的平方，所以4GHz示波器的底噪声的功率是相同条件下1GHz示波器底噪声功率的4倍，和带宽的倍数正好相当。

正是由于底噪声和带宽近似成正比，所以宽带示波器的底噪声会比窄带的大。为了公平，我们可以把示波器在不同量程下的底噪声归一化到每单位 Hz 进行比较，而这也正是频谱仪等射频仪器里对其底噪声DANL(Displayed average noise level)的描述方法。

比如在每格50mv量程下，示波器的满量程是8格相当于400 mV，对应于-4dBm 的满量程，对于8GHz的S-804A示波器来说，其8 GHz带宽范围内总的底噪声是1.4 mVrms，相当于-44 dBm，归一化到每单位 Hz 的底噪声就相当于-143dBm/Hz 。而在更小的量程下， S系列示波器的底噪声可以达到-158dBm/Hz，这个指标已经好于绝大多数市面上频谱仪不打开前置放大器的情况。即使在打开前置放大器的情况下，很多频谱仪的DANL指标也仅仅比S系列示波器好几个dB而已。

下图是一个S系列8GHz带宽示波器在最小量程下底噪声的实测结果。中心频点1GHz，Span=20MHz，除了在1GHz频点有很小的杂散以外，其在RBW=10KHz下的底噪声约为-120dBm，相当于约-160dBm/Hz。

因此，归一化到每单位Hz后，示波器的底噪已经优于绝大多数频谱仪在不打开前置放大器时的指标，这个指标还是相当不错的。由于噪声是和带宽成正比的，所以如果信号带宽只集中在某一个频段范围内，就可以通过相应的数字滤波技术来滤除不必要的带外噪声以提高信噪比，比如很多示波器里的数字带宽调整功能就是一种降低示波器自身底噪声的方法。

无杂散动态范围 (SFDR)

在射频测试中，除了底噪声以外，无杂散动态范围 (SFDR:Spurious-free dynamic range) 也非常重要，因为它决定了在有大信号存在的情况下能够分辨的最小信号能量。对于示波器来说，其杂散的主要来源是由于ADC拼接造成的不理想。以2片ADC拼接为例，如果采样时钟的相位没有控制好精确的180度，就有可能造成信号的失真，在频谱上就会出现以拼接频率为周期的杂散信号。如果失真比较严重，即使再高的采样率也无法保证采集到的信号的真实性。

对于高带宽示波器来说，不论是采用片内拼接还是片外拼接，由于拼接不理想造成的杂散都客观存在，关键是杂散能量的大小。以Keysight的S系列示波器为例，其采用了单片40 G/s的ADC 芯片，通过专门的工艺优化了时钟分配和采样保持电路，可以保证很好的一致性。下图是用Keysight公司的E8267D信号源产生 1GHz信号经滤除谐波后在5GHz的Span范围内看到的频谱，可以看到除了2次和3 次谐波失真外，其杂散指标可以达到-75dBc，相当于一台中等档次的频谱仪的水平。

谐波失真 (Harmonic Distortion)

谐波失真也是衡量测量信号保真度的一个重要指标。对于示波器来说，为了保证高的采样率，其 ADC的位数(8bit或者10bit)相对于频谱仪里使用的14 bit ADC有较大差异，其谐波失真主要来源于ADC的量化噪声造成的信号失真，典型的是2次和3次谐波失真，通常3次谐波的能量更大，这点和频谱仪里由于混频器造成 2 次谐波失真来源不太一样。

在上面的测试结果中，其2次谐波失真约为-65 dBc，比一般的频谱仪差一些。而其3次谐波失真约为-49dBc，比起一般的频谱仪就差远了。因此如果用户关心谐波失真指标，比如在放大器的非线性测试中，使用示波器并不是一个好的选择。

不过好在谐波造成的失真通常在带外，通过简单的数学滤波处理很容易把谐波滤除掉。所以在有些宽带信号解调的应用中，由于测量算法在解调过程中会加入数学滤波器，谐波失真对于最终的解调结果影响并不是很大。

绝对幅度精度 (Absolute amplitude accuracy)

绝对幅度精度会影响到示波器对某个频点载波做功率测量时的准确度。对于示波器来说，绝对幅度精度指标=DC幅度测量精度+幅频响应。因此需要两部分分别分析。DC幅度测量精度就是示波器里标称的双光标测量精度，又由DC增益误差和垂直分辨率两部分构成(如下图所示是Keysight公司S系列示波器的DC测量精度指标)。对于实时示波器来说，DC增益精度一般为满量程的2%，而分辨率与使用的ADC的位数有关，如果是10bit的ADC就相当于满量程的1/1024。由此计算得出实时示波器的DC幅度精度大约在±0.2dB左右。

至于幅频响应，传统上宽带设备的幅频响应都不会特别好，但现代的高性能示波器在出厂时都会做频率响应的校准和补偿，使得其幅频响应曲线非常平坦。下图是Keysight公司8 GHz带宽的S系列示波器的幅频响应曲线，可以看出其带内平坦度非常好，在7.5GHz以内的波动不超过±0.5dB。

因此，综合下来，S系列示波器在7.5 GHz以内的绝对幅度测量精度可以控制在±1dB左右，这个指标和大部分中高档频谱仪的指标相当。而Keysight公司的 V 系列示波器更是可以在30GHz的范围内保证±0.5dB的绝对幅度精度，超过了大部分高档频谱仪的指标。

相位噪声 (Phase Noise)

测量仪器的相位噪声 (Phase Noise) 反映了测试一个纯净正弦波时的近端低频噪声的大小，在雷达等应用中会影响到对于慢目标识别时的多普率频移的分辨能力。相位噪声的频域积分就是时域的抖动。对于示波器来说，相位噪声太差或者抖动太大会造成对于射频信号采样时产生额外的噪声从而恶化有效位数。

传统的示波器不太注重采样时钟的抖动或者相位噪声，但随着示波器的采样率越来越高，以及为了提高射频测试的性能，现代的数字示波器如Keysight 公司的 S、V、Z 等系列示波器都对时钟电路进行了优化，甚至采用了经典的微波信号源如 E8267D里的时钟电路设计，使得示波器的相位噪声指标有了很大提升。如下图所示是S示波器在1GHz载波时的相位噪声曲线，测试中的RBW设置为750 Hz，在偏离中心载波100kHz处的噪声能量约为-92dBm，归一化到单位Hz能量约为-120dBc/Hz，这已经超过了市面上大多数中档频谱仪的相噪指标。而更高性能的 V 系列示波器的相位噪声指标则可以做到约-130dBc/Hz@100 KHz offset，这已经超过了市面上大部分中高档频谱仪的相应指标。

五、 总结

从前面的介绍可以看出，现代的高性能的实时示波器除了受ADC位数的限制造成谐波失真指标明显较差以外，其无杂散动态范围可以和中等档次的频谱仪相当，而底噪声、带内平坦度、绝对幅度精度、相位噪声等指标已经可以做到和中高档频谱仪类似。

而且，为了满足射频测试的要求，现代的高性能示波器里除了传统的时域指标以外，也开始标注射频指标以适应射频用户的使用习惯。下表就是Keysight公司V系列示波器里给出的典型的射频指标。

当然，由于工作原理的不同，实时示波器在做频域分析时还有一些局限性，比如在特别小RBW设置下(<1KHz时)由于需要采集大量数据做FFT运算，其波形更新速度会严重变慢，因此不适用于窄带信号的测量。

正是由于实时示波器明显的高带宽、多通道优势以及强大的时域测量能力，再加上改进了的射频性能指标，使得其在超宽带射频信号的测量、时频域综合分析以及多通道测量的领域开始发挥越来越重要的作用。