作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型測試儀器的代表，示波器技術(shù)也一直在不斷突破創(chuàng)新，與時俱進。在射頻分析方面，示波器也擁有自己的一套方法論。

基于示波器的射頻分析方法

空前的寬帶分析能力

現(xiàn)代高端示波器集成了高速A/D轉(zhuǎn)換器，覆蓋到了頻譜分析儀最近才可測量的頻率范圍。與高帶寬模擬前端相結(jié)合，這些示波器架構(gòu)可以直接對高頻信號進行采樣，而無需模擬下變頻。

這種方法極大地提升了分析帶寬范圍。舉例來說，使用具有16 GHz帶寬的羅德與施瓦茨(以下簡稱“R&S”公司)的RTP高性能示波器，假設(shè)中心頻率為 8 GHz，將可采集最高16 GHz帶寬的射頻信號，這是傳統(tǒng)頻譜與信號分析儀無法達(dá)到的分析帶寬。

用戶定義的數(shù)字濾波器

在采集窄帶信號時，高分析帶寬可能還會面臨若干挑戰(zhàn)。比如，我們要在中心頻率2.4 GHz處采集帶寬為2 MHz 的 Bluetooth低功耗信號。使用RTP當(dāng)然可以輕松采集信號 (如上所述)，但如果不應(yīng)用濾波器，除了關(guān)注的信號之外，還將采集到示波器帶寬內(nèi)從直流到最大頻率的所有可能的干擾，這會在關(guān)注 Bluetooth低功耗信號時造成噪聲電平不必要地增加。為避免這種情況，R&S高端示波器為用戶提供他們首選的濾波器設(shè)計工具來設(shè)計數(shù)字濾波器，并將濾波器系數(shù)導(dǎo)入儀器，這樣便可針對所關(guān)注的信號設(shè)置分析窗口。

引入數(shù)字下變頻

應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可以提高信噪比(SNR)，但此時還需要考慮，對于這種窄帶信號，可實現(xiàn)的捕獲時間是否仍有提升空間。即使我們將采樣率降至剛好符合奈奎斯特定理的要求，執(zhí)行上述操作時的最大捕獲時間也仍小于1秒。

R&S先為其高端示波器引入數(shù)字下變頻解決方案。 功能強大的選件能夠采取適當(dāng)?shù)牟襟E對信號進行下變頻，并存儲轉(zhuǎn)換后的I/Q數(shù)據(jù)以供進一步分析，支持 VSE矢量信號分析軟件或MATLAB等第三方工具。在我們的Bluetooth低功耗場景中，應(yīng)用數(shù)字下變頻后的捕獲時間約為500秒。

先進的觸發(fā)系統(tǒng)

示波器通常配備比頻譜與信號分析儀更加先進的觸發(fā)系統(tǒng)，能夠非常準(zhǔn)確地檢測短時、間歇、突發(fā)或脈沖信號，尤其是對于需要精確檢測脈沖/chirp信號起始頻率。

R&S示波器的特點之一在于搭載全數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，可直接對A/D轉(zhuǎn)換器的采樣點進行操作。測量信號不會像傳統(tǒng)模擬觸發(fā)器那樣兵分兩路，解決了與模擬觸發(fā)系統(tǒng)相關(guān)的問題，因而觸發(fā)抖動更低，觸發(fā)靈敏度更高，還可根據(jù)實際需要進行優(yōu)化。

如下圖顯示了采用傳統(tǒng)模擬觸發(fā)器和采用R&S數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的示波器架構(gòu)之間存在的差異。

示波器架構(gòu)簡圖

相位相干多信道采集

在眾多無線應(yīng)用中，多天線設(shè)計日益受到重視。以雷達(dá)應(yīng)用為例，雷達(dá)系統(tǒng)的一個常見要求是確定周圍物體的方向。針對這一用途，多天線系統(tǒng)成為最先進的技術(shù)，可基于多個接收路徑之間的相位差來估計物體的到達(dá)角 (AoA)。

為表征這些類型的系統(tǒng)，測試設(shè)備必須具備多信道功能，并確保所有信道始終保持相位相干。示波器非常適合這種場景，它們通常提供多個信道，在設(shè)計上嚴(yán)格對準(zhǔn)，并且不需要任何額外的增強功能 (例如時基和LO共享) 即可執(zhí)行相位相干測量，這與頻譜分析儀類似。因此，在多天線系統(tǒng)設(shè)計測試中，示波器是一種經(jīng)濟高效且易于使用的解決方案。

RTP的分析帶寬最高為16 GHz，可以覆蓋整個 X波段和大部分Ku波段。在這些頻率范圍內(nèi)，無需使用任何外部下變頻器即可實現(xiàn)多信道采集。這在雷達(dá)和電子戰(zhàn) (EW)應(yīng)用中尤其有價值，最突出的一個實例是數(shù)字射頻存儲器 (DRFM) 干擾技術(shù)，其中干擾器能夠接收原始雷達(dá)信號，同時生成用于代表虛假目標(biāo)的虛假雷達(dá)回波，而發(fā)射雷達(dá)無法將該信號與其他合法信號區(qū)分開來。

使用RTP板載工具分析與原始脈沖相關(guān)的重發(fā)回波?？稍跁r域和頻域中追蹤隨時間的變化。

用于汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的相位相干多信道信號分析設(shè)置

為此，重發(fā)虛假目標(biāo)必須與原始信號保持一致。只有在對原始脈沖和重發(fā)脈沖進行相互關(guān)聯(lián)分析時，才能對此進行驗證。RTP可用于對時域和頻域中的信號進行相位相干分析，甚至是在相對較寬的帶寬上進行捷變頻雷達(dá)和射頻跳變分析，以驗證DRFM是否遵循該特征。

即使標(biāo)準(zhǔn)所使用的頻率范圍超出示波器的帶寬能力，通過將示波器與FS-Zxx等外部混頻器相結(jié)合，仍然可以采集相應(yīng)的信號。這樣一來，無論是應(yīng)用多時還是問世不久的雷達(dá)信號類型，都能實現(xiàn)多信道采集和分析，例如77 GHz至81 GHz范圍的汽車雷達(dá)技術(shù)，以及用于60 GHz手勢感應(yīng)的全新雷達(dá)技術(shù)。R&S示波器的實時去嵌入功能可補償整個信號路徑上由附加組件引起的損耗。

對采集到的信號進行分析時，可以使用示波器內(nèi)置的基礎(chǔ)分析測量工具，也可使用VSE軟件中的脈沖和瞬態(tài)分析等選件獲得更全面的功能。如下圖給出了針對汽車?yán)走_(dá)信號運用這兩種方法的示例。

使用a)示波器板載工具和b) VSE進行汽車?yán)走_(dá)信號分析的屏幕截圖

5G NR等現(xiàn)代無線標(biāo)準(zhǔn)依賴于使用多個天線將信號發(fā)送至所需方向的類似方法，稱為波束成形。波束成形通過為各相鄰輸入信號流生成明確定義的相移來實現(xiàn)。引入保持恒定的相移，使生成的波束始終指向所需方向。

如下圖給出了使用RTP和VSE的5G分析選件進行5G NR MIMO信號分析的示例。RTP的多信道功能最多可對四個輸入流進行相位相干測量，這樣可將單5G NR信道支持的所有測量擴展到多達(dá)四個輸入信道，此外還增加了輸入信號間的相位差等MIMO專用測量，這是在5G NR基站或小基站執(zhí)行發(fā)射機測試時表征波束的重要指標(biāo)。

5G NR基站/小基站MIMO發(fā)射機測量的典型設(shè)置

使用VSE矢量信號分析軟件進行5G NR MIMO測量

用于系統(tǒng)級調(diào)試的多域分析

除采集射頻信號以外，示波器還可進行多種測量，提供各種總線觸發(fā)和解碼、功率、時域和頻域測量選項。所有這些測量之間可始終確保時間對齊，因此可將采集到的射頻信號與其他信號 (例如電源電壓或數(shù)字總線信號) 相關(guān)聯(lián)。

例如，在汽車?yán)走_(dá)模塊的開發(fā)和調(diào)試過程中，同時采集CAN總線或汽車以太網(wǎng)信號以及雷達(dá)信號尤其有幫助。雷達(dá)傳感器的分析時間可以根據(jù)雷達(dá)信號與總線協(xié)議信號之間的延遲來確定，如果測得的延遲超過規(guī)范要求，則不能被自動駕駛車輛接受。

R&S示波器的多域功能

強大的FFT功能

FFT功能在通常需要時域關(guān)聯(lián)的初始設(shè)計和原型設(shè)計階段特別有用。假定我們需要遵循在汽車應(yīng)用關(guān)注度越來越高的UWB 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)，示波器的多域功能支持同時在時域和頻域中檢查UWB信號，因而可根據(jù)需要調(diào)整測量設(shè)置。如下圖所示，可以使用R&S示波器提供的門控FFT功能來定義時域中的信號部分，并繪制該特定部分的頻譜。除此之外，R&S示波器還提供各種易于設(shè)置的快速頻譜測量，例如信道功率和占用帶寬。這在關(guān)注特定脈沖的頻譜特性或調(diào)試被測設(shè)備的意外行為時會非常有用。

同樣的方法也可用于調(diào)試電子設(shè)計的電磁干擾(EMI)行為，R&S示波器為此提供專用近場探頭，可與FFT和觸發(fā)功能結(jié)合使用。

UWB信號的時域和頻域測量

區(qū)域觸發(fā)

另一個有用的多域聯(lián)調(diào)功能例子是區(qū)域觸發(fā)。使用R&S高端示波器，可在時域和頻域中以圖形方式定義最多八個區(qū)域，并通過邏輯運算符組合來定義條件以及滿足該條件時的示波器的響應(yīng)。這對EMI調(diào)試用途非常有幫助，使用戶可以靈活定義兩個域中的違規(guī)區(qū)域，并在這些區(qū)域發(fā)生違規(guī)時收到警告，即使是短時或間歇性干擾也不例外。如下圖所示，可以結(jié)合兩個域的區(qū)域來定義哪些情況需要檢測對 WLAN信號的衰落效應(yīng)。

在時域和頻域中使用區(qū)域觸發(fā)來檢測對WLAN信號的衰落效應(yīng)

總結(jié)一下，示波器的優(yōu)點源于包括直流分量在內(nèi)的全面信號捕獲功能，以及支持多個 (通常是兩個或四個) 相位相干輸入：

可以測量包含直流分量的信號

提供無與倫比的分析帶寬，通?？蛇_(dá)到示波器的最大頻率

可進行模擬基帶信號的寬帶測量，四端口儀器甚至可用于差分I/Q捕獲

可對多個源進行相位相干測量

支持時間關(guān)聯(lián)多域測量

注意

下面開始劃重點啦!

各位小伙伴趕快掏出小本本記下來

我們分別列出R&S的頻譜分析儀與示波器

各自的性能優(yōu)勢

以及

根據(jù)不同的射頻應(yīng)用需求

應(yīng)該怎樣選擇R&S的

頻譜分析儀和示波器

最后

祝你順利選到最適合的測試設(shè)備

輕松完成你的系統(tǒng)設(shè)計!

關(guān)于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨是測試與測量、系統(tǒng)與方案、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。公司成立已超過85年，總部設(shè)在德國慕尼黑，在全球70多個國家設(shè)有子公司。作為一家獨立的科技集團，羅德與施瓦茨創(chuàng)新性的產(chǎn)品和解決方案為全球工業(yè)及政府客戶提供了一個更安全與互聯(lián)的世界。截至2021年6月30日，羅德與施瓦茨公司在全球擁有約13000名員工。

原文標(biāo)題：頻譜儀 or 示波器? 一文治愈你的選擇困難癥(下篇：示波器)

文章出處：【微信公眾號：羅德與施瓦茨中國】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅