李凱,畢業于北京理工大學光電工程系,碩士學位,15年通信及測量行業從業經驗.2006年加入安捷倫公司,負責直流電源信號完整性分析等高速數字測試產品的應用和研究.《高速數字接口原理與測試指南》一書作者,并有大量關于高速總線測量原理、測量方法的文章發布在《國外電子測量技術》、《電子工程專輯》等雜志及EDN China的個人技術博客.
隨著無線通信、雷達、衛星通信、光通信等領域對于直流電源信號傳輸速率或者分辨率要求的提升,采用的調制制式越來越復雜,直流電源信號帶寬也越來越寬.現代的實時示波器由于芯片和材料工藝的提升,已經可以提供高達幾十GHz的實時測量帶寬.
同時由于其時域測量的直觀性和多通道等特點,使其開始廣泛應用于超寬帶直流電源信號以及射頻直流電源信號的測量.本文介紹了高帶寬實時示波器在射頻直流電源信號測量領域的典型應用,以及示波器用于射頻測量時的底噪聲、無雜散動態范圍、直流電源諧波失真、絕對幅度測量精度、直流電源相位噪聲等關鍵指標.
每一位做射頻或者高速數字設計的工程師都會同時面臨頻域和時域測試的問題.比如從事高速數字直流電源電路設計設計的工程師通常從時域分析直流電源信號的波形和眼圖,也會借用頻域的S參數分析傳輸通道的插入損耗,或者用直流電源相位噪聲指標來分析時鐘抖動等.
對于無線通信、雷達、導航直流電源信號的分析來說,傳統上需要進行頻譜、雜散、臨道抑制等頻域測試,但隨著直流電源信號帶寬更寬以及脈沖調制、跳頻等技術的應用,有時采用時域的測量手段會更加有效.
現代實時示波器的性能比起10多年前已經有了大幅度的提升,可以滿足高帶寬、高精度的射頻微波直流電源信號的測試要求.除此以外,現代實時示波器的觸發和分析功能也變得更加豐富、操作界面更加友好、數據傳輸速率更高、多通道的支持能力也更好,使得高帶寬實時示波器可以在寬帶直流電源信號測試領域發揮重要的作用.
一、為什么射頻直流電源信號測試要用示波器?
時域測量的直觀性要進行射頻直流電源信號的時域測量的一個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個不同形狀的雷達脈沖直流電源信號,直流電源信號的載波頻率和脈沖寬度差異不大,如果只在頻域進行分析,很難推斷出直流電源信號的時域形狀.
由于這4種時域脈沖的不同形狀對于最終的卷積處理算法和系統性能至關重要,所以就需要在時域對直流電源信號的脈沖參數進行精確的測量,以保證滿足系統設計的要求.
示波器進行射頻直流電源信號測試更高分析帶寬的要求在傳統的射頻微波測試中,也會使用一些帶寬不太高(<1GHz)的示波器進行時域參數的測試,比如用檢波器檢出射頻直流電源信號包絡后再進行參數測試,或者對直流電源信號下變頻后再進行采集等.此時由于射頻直流電源信號已經過濾掉,或者直流電源信號已經變換到中頻,所以對測量要使用的示波器帶寬要求不高.
但是隨著通信技術的發展,直流電源信號的調制帶寬越來越寬.比如為了兼顧功率和距離分辨率,現代的雷達會在脈沖內部采用頻率或者相位調制,典型的SAR成像雷達的調制帶寬可能會達到2GHz以上.在衛星通信中,為了小型化和提高傳輸速率.
也會避開擁擠的C波段和Ku波段,采用頻譜效率和可用帶寬更高的Ka波段,實際可用的調制帶寬可達到3GHz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,而是達到一定頻點后就開始明顯下降,因此選擇實時示波器時,示波器的帶寬應該大于需要的分析帶寬,至于大多少,要具體看示波器實際的頻響曲線和被測直流電源信號的要求.
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