基于示波器的射頻分析方法

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(jìn)。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(jìn)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(shí)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(qiáng)大的選件能夠采取適當(dāng)?shù)牟襟E對信號進(jìn)行下變頻，并存儲轉(zhuǎn)換后的I/Q數(shù)據(jù)以供進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)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(shí)際需要進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jì)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(shí)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(shí)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(jìn)行相互關(guān)聯(lián)分析時，才能對此進(jìn)行驗證。RTP可用于對時域和頻域中的信號進(jìn)行相位相干分析，甚至是在相對較寬的帶寬上進(jìn)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(shí)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(shí)時去嵌入功能可補(bǔ)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(jìn)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(yùn)用這兩種方法的示例。

使用a)示波器板載工具和b) VSE進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行相位相干測量，這樣可將單5G NR信道支持的所有測量擴(kuò)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(jī)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(jī)測量的典型設(shè)置

使用VSE矢量信號分析軟件進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)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，通常可達(dá)到示波器的最大頻率

可進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(dú)立的科技集團(tuán)，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)

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審核編輯：湯梓紅