如何使用示波器進(jìn)行射頻信號(hào)測(cè)試

每一位做射頻或者高速數(shù)字設(shè)計(jì)的工程師都會(huì)同時(shí)面臨頻域和時(shí)域測(cè)試的問題。比如從事高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的工程師通常從時(shí)域分析信號(hào)的波形和眼圖，也會(huì)借用頻域的S 參數(shù)分析傳輸通道的插入損耗，或者用相位噪聲指標(biāo)來分析時(shí)鐘抖動(dòng)等。對(duì)于無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航信號(hào)的分析來說，傳統(tǒng)上需要進(jìn)行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測(cè)試，但隨著信號(hào)帶寬更寬以及脈沖調(diào)制、跳頻等技術(shù)的應(yīng)用，有時(shí)采用時(shí)域的測(cè)量手段會(huì)更加有效。現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的性能比起 10 多年前已經(jīng)有了大幅度的提升，可以滿足高帶寬、高精度的射頻微波信號(hào)的測(cè)試要求。除此以外，現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器的觸發(fā)和分析功能也變得更加豐富、操作界面更加友好、數(shù)據(jù)傳輸速率更高、多通道的支持能力也更好，使得高帶寬實(shí)時(shí)示波器可以在寬帶信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

一、 什么射頻信號(hào)測(cè)試要用示波器 ?

時(shí)域測(cè)量的直觀性

要進(jìn)行射頻信號(hào)的時(shí)域測(cè)量的一個(gè)很大原因在于其直觀性。比如在右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)，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(cè)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(cè)試中，也會(huì)使用一些帶寬不太高 (< 1 GHz)的示波器進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的測(cè)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(cè)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(cè)量要使用的示波器帶寬要求不高。

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 3 GHz 以上甚至更高。另外示波器的幅頻特性曲線并不是從直流到額定帶寬都平坦，而是達(dá)到一定頻點(diǎn)后就開始明顯下降，因此選擇實(shí)時(shí)示波器時(shí)，示波器的帶寬應(yīng)該大于需要的分析帶寬，至于大多少，要具體看示波器實(shí)際的頻響曲線和被測(cè)信號(hào)的要求。

在這么高的傳輸帶寬下，傳統(tǒng)的檢波或下變頻的測(cè)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(cè)試結(jié)果的嚴(yán)重失真。

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(cè)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)。

二、現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器技術(shù)的發(fā)展

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)用僅限于中頻或控制信號(hào)的測(cè)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(guó)際和國(guó)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)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

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)8 GHz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。

三、 寬帶示波器在射頻信號(hào)測(cè)試中的典型應(yīng)用

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(cè)試中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。以下是一些典型應(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(cè)試更加簡(jiǎn)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(cè)試系統(tǒng)也更加簡(jiǎn)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)脈沖參數(shù)測(cè)試

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(cè)量功能，就可以進(jìn)行一些基本的脈沖參數(shù)測(cè)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(jiǎn)單的參數(shù)測(cè)量。

在雷達(dá)等脈沖信號(hào)的測(cè)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(zhǎng)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)。很多雷達(dá)脈沖的寬度很窄，在做雷達(dá)的發(fā)射機(jī)性能測(cè)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(cè)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(zhǎng)度=200k/80G=2.5 us，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=50 s。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)參數(shù)綜合分析

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(cè)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(cè)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(cè)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1GHz~19GHz，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(shì)。

更嚴(yán)格的雷達(dá)測(cè)試不會(huì)僅僅只測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試可以借助于89601B軟件里的BHQ雷達(dá)脈沖測(cè)量選件實(shí)現(xiàn)。這個(gè)測(cè)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(cè)試的例子。

跳頻信號(hào)測(cè)試

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)域以及調(diào)頻圖案的分析結(jié)果。

調(diào)制器時(shí)延測(cè)試

在衛(wèi)星通信或者導(dǎo)航等領(lǐng)域，需要測(cè)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(cè)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(cè)量的系統(tǒng)時(shí)延。如果僅僅通過手動(dòng)光標(biāo)測(cè)量，很難卡準(zhǔn)合適的功率零點(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(cè)量功能來測(cè)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(cè)試。通過多次自動(dòng)測(cè)試過零點(diǎn)時(shí)刻，還可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，以分析時(shí)延的變化范圍和抖動(dòng)等。

寬帶通信信號(hào)的解調(diào)分析

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)(>500 MHz) 進(jìn)行性能測(cè)試和解調(diào)分析，這對(duì)于測(cè)量?jī)x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(zhǎng)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)100 Gbps的信號(hào)傳輸。而在下一代200Gbps或者400 Gbps 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(cè)量?jī)x器的帶寬和性能提出了非常高的要求。