基于示波器的射頻分析方法

作為傳統的基礎型測試儀器的代表，示波器技術也一直在不斷突破創新，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

現代高端示波器集成了高速A/D轉換器，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合，這些示波器架構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，這是傳統頻譜與信號分析儀無法達到的分析帶寬。

用戶定義的數字濾波器

在采集窄帶信號時，高分析帶寬可能還會面臨若干挑戰。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當然可以輕松采集信號 (如上所述)，但如果不應用濾波器，除了關注的信號之外，還將采集到示波器帶寬內從直流到最大頻率的所有可能的干擾，這會在關注 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計工具來設計數字濾波器，并將濾波器系數導入儀器，這樣便可針對所關注的信號設置分析窗口。

引入數字下變頻

應用適當的數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字下變頻解決方案。 功能強大的選件能夠采取適當的步驟對信號進行下變頻，并存儲轉換后的I/Q數據以供進一步分析，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，應用數字下變頻后的捕獲時間約為500秒。

先進的觸發系統

示波器通常配備比頻譜與信號分析儀更加先進的觸發系統，能夠非常準確地檢測短時、間歇、突發或脈沖信號，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字觸發系統，可直接對A/D轉換器的采樣點進行操作。測量信號不會像傳統模擬觸發器那樣兵分兩路，解決了與模擬觸發系統相關的問題，因而觸發抖動更低，觸發靈敏度更高，還可根據實際需要進行優化。

如下圖顯示了采用傳統模擬觸發器和采用R&S數字觸發系統的示波器架構之間存在的差異。

示波器架構簡圖

相位相干多信道采集

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

為表征這些類型的系統，測試設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，在設計上嚴格對準，并且不需要任何額外的增強功能 (例如時基和LO共享) 即可執行相位相干測量，這與頻譜分析儀類似。因此，在多天線系統設計測試中，示波器是一種經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，無需使用任何外部下變頻器即可實現多信道采集。這在雷達和電子戰 (EW)應用中尤其有價值，最突出的一個實例是數字射頻存儲器 (DRFM) 干擾技術，其中干擾器能夠接收原始雷達信號，同時生成用于代表虛假目標的虛假雷達回波，而發射雷達無法將該信號與其他合法信號區分開來。

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

用于汽車雷達應用的相位相干多信道信號分析設置

為此，重發虛假目標必須與原始信號保持一致。只有在對原始脈沖和重發脈沖進行相互關聯分析時，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和射頻跳變分析，以驗證DRFM是否遵循該特征。

即使標準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等外部混頻器相結合，仍然可以采集相應的信號。這樣一來，無論是應用多時還是問世不久的雷達信號類型，都能實現多信道采集和分析，例如77 GHz至81 GHz范圍的汽車雷達技術，以及用于60 GHz手勢感應的全新雷達技術。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，可以使用示波器內置的基礎分析測量工具，也可使用VSE軟件中的脈沖和瞬態分析等選件獲得更全面的功能。如下圖給出了針對汽車雷達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進行汽車雷達信號分析的屏幕截圖

5G NR等現代無線標準依賴于使用多個天線將信號發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。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基站或小基站執行發射機測試時表征波束的重要指標。

5G NR基站/小基站MIMO發射機測量的典型設置

使用VSE矢量信號分析軟件進行5G NR MIMO測量

用于系統級調試的多域分析

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 (例如電源電壓或數字總線信號) 相關聯。

例如，在汽車雷達模塊的開發和調試過程中，同時采集CAN總線或汽車以太網信號以及雷達信號尤其有幫助。雷達傳感器的分析時間可以根據雷達信號與總線協議信號之間的延遲來確定，如果測得的延遲超過規范要求，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聯的初始設計和原型設計階段特別有用。假定我們需要遵循在汽車應用關注度越來越高的UWB 802.15.4z標準，示波器的多域功能支持同時在時域和頻域中檢查UWB信號，因而可根據需要調整測量設置。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置的快速頻譜測量，例如信道功率和占用帶寬。這在關注特定脈沖的頻譜特性或調試被測設備的意外行為時會非常有用。

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

UWB信號的時域和頻域測量

區域觸發

另一個有用的多域聯調功能例子是區域觸發。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。這對EMI調試用途非常有幫助，使用戶可以靈活定義兩個域中的違規區域，并在這些區域發生違規時收到警告，即使是短時或間歇性干擾也不例外。如下圖所示，可以結合兩個域的區域來定義哪些情況需要檢測對 WLAN信號的衰落效應。

在時域和頻域中使用區域觸發來檢測對WLAN信號的衰落效應

總結一下，示波器的優點源于包括直流分量在內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_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

支持時間關聯多域測量

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

各自的性能優勢

以及

根據不同的射頻應用需求

應該怎樣選擇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備

輕松完成你的系統設計!

關于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨是測試與測量、系統與方案、網絡與網絡安全領域的領先供應商。公司成立已超過85年，總部設在德國慕尼黑，在全球70多個國家設有子公司。作為一家獨立的科技集團，羅德與施瓦茨創新性的產品和解決方案為全球工業及政府客戶提供了一個更安全與互聯的世界。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。

原文標題：頻譜儀 or 示波器? 一文治愈你的選擇困難癥(下篇：示波器)

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審核編輯：湯梓紅