如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量

1、前言-如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（一）前面推出了數(shù)字工程師需要掌握的射頻知識(shí)連載后，反響強(qiáng)烈。有些工程師朋友聯(lián)系我說，除了數(shù)字工程師要用到射頻儀器外，有些射頻工程師也會(huì)用到示波器做射頻信號(hào)測試，但是不清楚精度如何，以及和頻譜儀等傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，希望能對(duì)這方面做些講解。     為此，我對(duì)示波器做射頻信號(hào)測試的應(yīng)用案例和注意事項(xiàng)做了一些整理，將陸續(xù)連載，希望能給大家提供一些幫助。 時(shí)域測量的直觀性    要進(jìn)行射頻信號(hào)的時(shí)域測量的一個(gè)很大原因在于其直觀性。比如在下圖中的例子中分別顯示了4個(gè)不同形狀的雷達(dá)脈沖信號(hào)

2、，信號(hào)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(hào)的時(shí)域形狀。由于這4種時(shí)域脈沖的不同形狀對(duì)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(shí)域?qū)π盘?hào)的脈沖參數(shù)進(jìn)行精確的測量，以保證滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)使用一些帶寬不太高（<1GHz）的示波器進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測試，比如用檢波器檢出射頻信號(hào)包絡(luò)后再進(jìn)行參數(shù)測試，或者對(duì)信號(hào)下變頻后再進(jìn)行采集等。此時(shí)由于射頻信號(hào)已經(jīng)過濾掉，或者信號(hào)已經(jīng)變換到中頻，所以對(duì)測量要使用的示波器帶寬要求不高。  

3、60;  但是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)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(huì)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(huì)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(huì)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3GHz以上甚至更高。     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(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。由于很難從市面上尋找到一個(gè)帶寬可達(dá)到2GHz以上同時(shí)幅頻/相頻特性又非常理想的檢波器或下變頻器，所以會(huì)造成測試結(jié)果的嚴(yán)重失真。&#

4、160;    同時(shí)，如果需要對(duì)雷達(dá)脈沖或者衛(wèi)星通信信號(hào)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(shí)帶寬。傳統(tǒng)的頻譜儀測量精度和頻率范圍很高，但實(shí)時(shí)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(hào)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)。現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器技術(shù)的發(fā)展-如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（二） 要實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的直接測量，首先得益于由于材料和芯片技術(shù)發(fā)展帶來的實(shí)時(shí)示波器性能的提升。     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(hào)，所以在射頻微波領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于中頻

5、或控制信號(hào)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(shí)示波器的的帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度以及底噪聲、抖動(dòng)等性能指標(biāo)都有了顯著的提升。 材料技術(shù)革新對(duì)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(duì)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(shí)會(huì)存在熱膨脹系數(shù)不一致以及散熱效率的問題。氮化鋁（AIN

6、）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(shí)示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達(dá)到60GHz以上，同時(shí)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(shí)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(jì)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(duì)示波器采樣率的提升

7、     要保證高的實(shí)時(shí)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(huì)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(shí)示波器通常會(huì)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(gè)ADC的內(nèi)核集成在一個(gè)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)8GHz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

8、性和時(shí)延控制可以做地非常好，但是對(duì)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(shí)對(duì)PCB上信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)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(hào)分配和模數(shù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，大大提高了對(duì)于PCB走線誤差和抖動(dòng)的裕量。射頻信號(hào)時(shí)頻域綜合分析

9、-如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（三）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(shí)示波器開始在射頻信號(hào)的測試中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。后續(xù)我們將介紹一些用實(shí)時(shí)示波器做簡單射頻、雷達(dá)脈沖、調(diào)頻信號(hào)、調(diào)制器時(shí)延、寬帶信號(hào)解調(diào)等的一些典型應(yīng)用。 射頻信號(hào)時(shí)頻域綜合分析     實(shí)時(shí)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(hào)載波的時(shí)域波形并進(jìn)行分析。從中可以清晰看到信號(hào)的脈沖包絡(luò)以及脈沖包絡(luò)內(nèi)部的載波信號(hào)的時(shí)域波形，這使得時(shí)域參數(shù)的測試更加簡潔和直觀。由于不需要對(duì)信號(hào)下變頻后再進(jìn)行采樣，測試

10、系統(tǒng)也更加簡單，同時(shí)避免了由于下變頻器性能不理想帶來的額外信號(hào)失真。     更進(jìn)一步地，還可以借助于示波器的時(shí)間門功能對(duì)一段射頻信號(hào)的某個(gè)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(gè)不同位置的時(shí)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(shí)間窗范圍內(nèi)信號(hào)頻譜的變化情況。 雷達(dá)脈沖信號(hào)分析-如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（四）對(duì)于雷達(dá)等脈沖調(diào)制信號(hào)來說，對(duì)于脈沖信號(hào)其寬度、上升時(shí)間、占空比、重復(fù)頻率等都是非常關(guān)鍵的時(shí)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

11、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(gè)數(shù)學(xué)的檢波器。如下圖所示，黑色曲線是從原始信號(hào)里用數(shù)學(xué)檢波器檢出的包絡(luò)信號(hào)。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(hào)的頻譜分布，借助示波器的抖動(dòng)（Jitter）分析軟件得到脈沖內(nèi)部信號(hào)頻率或相位隨時(shí)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(gè)Chirp雷達(dá)脈沖的時(shí)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(hào)的變化特性，并進(jìn)行簡單的參數(shù)測量。 在

12、雷達(dá)等脈沖信號(hào)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(jì)分析也是非常重要的。如果要連續(xù)捕獲上千甚至上萬個(gè)雷達(dá)脈沖，可能需要非常長時(shí)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(gè)連續(xù)的脈沖需要記錄5s時(shí)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(shí)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(gè)問題，現(xiàn)代的高帶寬示波器里都支持分段存儲(chǔ)模式。所謂分段存儲(chǔ)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(shí)只進(jìn)行一段很短時(shí)間的采集，直到記錄到足夠的段數(shù)。很多

13、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(shí)，如果感興趣的只是有脈沖發(fā)射時(shí)很短一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)，使用分段存儲(chǔ)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?cè)谑静ㄆ骼锸褂梅侄未鎯?chǔ)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(shí)間長度=200k/80G=2.5us，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(shí)間=5ms*10000=50s。也就是說，通過分段存儲(chǔ)模式實(shí)現(xiàn)了連續(xù)50s內(nèi)共10000個(gè)雷達(dá)脈沖的連續(xù)記錄。雷達(dá)脈沖參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析-如何用示波

14、器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（五）除了在示波器里直接對(duì)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(hào)分析軟件。下圖是用Keysight公司的89601B矢量信號(hào)分析軟件結(jié)合示波器對(duì)超寬帶的Chirp雷達(dá)信號(hào)做解調(diào)分析的例子，圖中顯示了被測信號(hào)的頻譜、時(shí)域功率包絡(luò)以及頻率隨時(shí)間的變化曲線。被測信號(hào)由M8195A超寬帶任意波發(fā)生器產(chǎn)生，Chirp信號(hào)的脈沖寬度為2us，頻率變化范圍從1G19GHz，整個(gè)信號(hào)帶寬高達(dá)18GHz！這里充分體現(xiàn)了實(shí)時(shí)示波器帶寬的優(yōu)勢。更嚴(yán)格的雷達(dá)測試不會(huì)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(huì)造成Chirp脈沖內(nèi)部各種頻

15、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(dòng)（Ripple）現(xiàn)象。因此，嚴(yán)格的雷達(dá)性能指標(biāo)測試還需要對(duì)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(gè)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(shí)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(gè)測試軟件也支持示波器的分段存儲(chǔ)模式，可以一次捕獲到多個(gè)連續(xù)脈沖后再做統(tǒng)計(jì)分析，下圖是一個(gè)實(shí)際測試的例子。除了雷達(dá)脈沖分析以外，借助于示波器自身的抖動(dòng)分析軟件或者矢量信號(hào)分析軟件，還可以對(duì)超寬帶的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行分析。下圖是對(duì)一段在

16、7GHz的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的信號(hào)的頻譜、時(shí)域以及跳頻圖案的分析結(jié)果。調(diào)制器時(shí)延測試-如何用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測量連載（六）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(hào)）相對(duì)于內(nèi)部定時(shí)信號(hào)（1pps或100pps信號(hào)）的絕對(duì)時(shí)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(shí)捕獲定時(shí)信號(hào)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(shí)信號(hào)（藍(lán)色波形）以及QPSK調(diào)制的射頻輸出信號(hào)（紫色波形）。用作觸發(fā)的定時(shí)信號(hào)到來后，射頻信號(hào)功率第1個(gè)過零點(diǎn)的時(shí)刻相對(duì)于定時(shí)信號(hào)的時(shí)延就是要測量的系統(tǒng)時(shí)延。如果僅僅通過手動(dòng)光標(biāo)測量，很難卡準(zhǔn)合適的功率零

17、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(hào)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(shí)刻（Tmin），這就實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器或調(diào)制器時(shí)延的精確測試。通過多次自動(dòng)測試過零點(diǎn)時(shí)刻，還可以進(jìn)行長時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，以分析時(shí)延的變化范圍和抖動(dòng)等。在WLAN、衛(wèi)星通信、光通信領(lǐng)域，可能需要對(duì)非常高帶寬的信號(hào)（>500MHz）進(jìn)行性能測試和解調(diào)分析，這對(duì)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(hào)傳輸，其采用的技術(shù)就是把2路25Gbps的信號(hào)通過QPSK的調(diào)制方式調(diào)制到激光器的一個(gè)偏振態(tài)，然后把另2

18、路25Gbps的信號(hào)通過同樣的方式調(diào)制到激光器一個(gè)偏振態(tài)上，然后把兩個(gè)偏振態(tài)的信號(hào)合成在一起實(shí)現(xiàn)100Gbps的信號(hào)傳輸。而在下一代200Gbps或者400Gbps的技術(shù)研發(fā)中，可能會(huì)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(duì)測量儀器的帶寬和性能提出了非常高的要求。     如下圖所示是一種進(jìn)行100G/400G光相干通信測試的分析儀表：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)126Gbaud；而上半部分就是一臺(tái)高帶寬的Z系列示波器，單臺(tái)