【经验】示波器的射频测试——解析示波器多通道大带宽的测量应用

在传统射频、数字工程师的概念中，示波器是一种用于多通道时域测试的仪表。示波器通常用来测量多个信号的时序和相位；有别于频谱分析仪，它不被“传统”的射频工程师赋以频率扫描、解调等应用。因此射频工程师对上一代示波器没有太多的ENOB（动态范围）要求。

图 1 时域和频域的关系

随着无线应用带宽和载波频率的增大，高阶调制的广泛应用，以及MIMO多天线(多进多出技术）的应用，将示波器用于射频测试的优势开始体现。

首先示波器很容易实现高带宽应用（对应载波频率也可以到59G~110GHz）。

第二，示波器通常是一个多通道的仪表（通常有4~8个接收机），这些接收机可以独立使用，也可以作为相位相参的接收机使用；这为互相关、MIMO等射频无线应用提供了很高的便利性。

既然示波器有这样多的优势，那么在上一代无线应用（5~10年前）示波器为什么没有被射频测试所重视？

1.当时的无线制式对高频率、高带宽、高阶调制、MIMO等测量的需求并不如今天这样强烈；

2.上一代示波器的ADC ENOB有限，底噪较高，一些严苛的解调测试需要频谱仪才能完成；

3.示波器是一个大带宽，高采样率的仪表。在FPGA技术不发达的时候，处理大量的数据意味着需要大量时间。

了解示波器ADC位数与ENOB

示波器中的ADC位数是最受关注的技术指标之一。因此，许多工程师倾向于将此作为决定示波器品质的技术指标。虽然这是一个非常重要的技术指标，但如果示波器的其余部分设计不妥当，那么ADC位数可能就会打折扣。

与ADC位数同样重要的是系统的有效位数（系统ENOB）。

有效位数（Effective Number of Bits，ENOB）

系统有效位数ENOB是进行测量时的实际有效位数。在任一款示波器中，有些ADC位是不起作用的，它们只能在噪声中工作。因此，决定示波器测量质量的是ENOB而不是ADC位数。如果测量质量太差，那么结果会不且不可重复，导致对设计出现误判。

可以肯定的是，ENOB能够更好地表示信号完整性，因为它考虑了系统误差。

示波器厂商通常不会提到系统ENOB，因为设计出高ENOB并不像放置一台高位ADC那么简单。ADC周围的前端和支持电路也必须具有高质量的设计，这不是一项简单的任务。

厂商们自然倾向于宣传那些看起来最好的技术指标。因此，如果您看到ADC的位数比较高的话，这是一个好兆头，但您务必还要查看关系到信号完整性的其他重要元器件。ADC位数只是这其中的一小部分。

图 2. 100 MHz到 1 GHz的S系列DSOS104A 1 GHz实时示波器的ENOB平均为8位左右，确保您始终可以获得极高的信号完整性。

图 2

ADC ENOB与系统ENOB

如果您只了解ENOB的基础知识并且只是通过产品资料获得这些信息，那么您可能不会意识到ENOB技术指标实际上也存在差异。系统 ENOB和ADC ENOB之间存在巨大的差异。

ADC ENOB指的是ADC的有效位数，并且仅仅是针对ADC。但是，示波器是由整个系统组成，而不只是ADC。ADC ENOB技术指标并不代表整个示波器的有效位数，而后者才是对测量真正起作用的技术指标。

系统ENOB是让您在屏幕上看到信号、进行测量、以及使用分析功能的有效位数。

系统ENOB可以决定您的测试成败。如果您的系统ENOB不够高，您将无法获得实现稳定设计所需的清晰度。

如何使用示波器做高阶调制测试

Infiniium MXR系列示波器是KEYSIGHT新一代的中端示波器。凭借与Infiniium UXR系列相同的硬件加速ASIC，发挥是德科技产品的信号完整性优势。MXR系列全部4个或8个模拟通道均可提供500 MHz至6 GHz带宽。每个通道的有效位数（ENOB）最高达到9.0，噪声低至43μV，确保测量结果准确可靠。MXR系列可以完美的整合Keysight VSA信号分析软件，使一台示波器成为多通道的信号分析仪。

图 3 Infiniium MXR系列示波器

“Keysight MXR系列实时示波器是一台集八种仪器的功能于一身的实时频谱分析仪，在全部8个通道上提供500 MHz到6 GHz的带宽。”

下图4是在MXR示波器上测量了一个4096QAM的高阶调制的OFDMA信号，信号带宽为160MHz。其中4096QAM是目前商业化的信号中调制阶数最高的，请注意左上角密集的星座图，这种信号给半导体器件、设备供应商，以及仪器测量厂商带来了巨大的挑战。

图 4 4096QAM的高阶调制的OFDMA信号测试图

请注意右下角的 EVM（Error Vector Magnitude，矢量幅度误差）测量结果。MXR示波器有4~8个通道，我们使用了接收机互相关的技术来消除MXR示波器产生的白噪声，因此得到了非常优异的EVM测量结果（<-60dB, Note：EVM以dB为单位，值越小越好）。

如何使用示波器实现相位噪声测试

随着数据速率的不断增加，时钟抖动分析也变得更加必要。相位噪声和抖动都表明信号的稳定性，并且是相互关联的。

图 5 Infiniium UXR 系列示波器

相位噪声是频率在频域上的体现，而抖动是在时域上的表征。

对于相位噪声（phase noise）的测量，之前通常情况下会选择专门测量相位噪声的仪器，例如Keysight E5052B信号源分析仪（SSA），它拥有比任何示波器都低的相位噪声测试本底噪声。但是该仪器也有一些测量限制，例如对最大频率偏移范围有所要求。相位噪声分析仪的典型最大偏移为100MHz。对大于100 MHz的时钟频率就超出了此类仪器的测量范围，同时，示波器作为测量的通用仪表，如果也可以满足测量要求，那会给测量相噪带来极大的便利，示波器测量相位噪声最大的难点在于仪表自身底噪的影响，是德科技在这方面技术上不断突破，是第一个在Infiniium示波器上提供专用相位噪声测量应用的公司，采用D90x0JITA软件进行测试分析。降噪的方法是使用两个不同的示波器通道同时测量时钟信号，然后使用互相关技术计算TIE或相位噪声。计算消除了每个示波器通道之间不相关或唯一的示波器噪声和抖动，这样进一步降低仪表的底噪，大大提高测量精度。

下面是用N5182B信号发生器发送的100M标准时钟，我们对比一下互相关设置前后的测量结果。

下图（图6）是没有进行互相关设置的测试，phase jitter(rms)测量值为1.26ps。

图 6  示波器没有相关设置

下图（图7）为使用两个通道进行互相关设置来降噪，互相关数量设置为10，phase jitter(rms)测量值为898fs，明显我们可以看出，使用互相关之后，更有效的去除了示波器底噪的影响，使得测量结果更为精准

图 7 互相关设置

如何使用示波器实现宽带毫米波测试

在射频工程师的传统印象中，宽带毫米波信号测试需要信号源发射宽带信号（下文用SG代替，Vector Signal Generator），频谱仪解调分析信号（下文用SA代替，Signal Analyzer）。直到2022年底是德科技的SG已经支持频率超过110GHz，通道数超过4。但是每台 SA的通道数仍然只有1个。这时，UXR示波器可以完美的解决这个问题。

UXR示波器不仅底噪很低，而且拥有DDC模块（Digital Down Conversion，数字下变频），这使得它比之前的示波器在处理宽带毫米波信号时要快上50倍以上。UXR示波器可以根据客户的需求选择1，2，4个通道，每个通道支持DC~110GHz的带宽。此外新一代的示波器可以很好的融合VSA，RTSA(实时频谱仪分析)等应用，成为射频工程师的利器。

我们来看下面图8的例子，这里我们仅动用了UXR示波器的一个通道，就完成了载波频率在28GHz左右，总带宽为2GHz的卫星信号的测量。这个信号是DVB-S2X体制，调制方式为64APSK；分为4个载波，每个载波带宽不超过500MHz。UXR示波器对这4个信号取得了1.2%~1.56%的优秀EVM（换算为dB单位是-38.4~-36.1dB）。

图 8 载波频率在28GHz左右，总带宽为2GHz的卫星信号测试

如果我们使用UXR的2或4个通道，那么一方面UXR可以处理2*2或者4*4 MIMO的信号(需要多通道SG配合)；另一方面如果我们使用EVM互相关技术，每个载波的EVM有望下降到-40dB以下。

从前面几个部分的简单叙述，相信你可以看到，以UXR，MXR为代表的是德科技新一代实时示波器凭借优秀的硬件性能和丰富的射频测试和应用，从数字工程师数字完整性测试应用“飞入”射频工程师新的“战场”。在传统的解调分析上，在多通道，大带宽测试应用上，示波器更是可以发挥其独有的优势。