基于示波器的射频分析方法

作为传统的基础型测试仪器的代表，示波器技术也一直在不断突破创新，与时俱进。在射频分析方面，示波器也拥有自己的一套方法论。

基于示波器的射频分析方法

空前的宽带分析能力

现代高端示波器集成了高速A/D转换器，覆盖到了频谱分析仪最近才可测量的频率范围。与高带宽模拟前端相结合，这些示波器架构可以直接对高频信号进行采样，而无需模拟下变频。

这种方法极大地提升了分析带宽范围。举例来说，使用具有16 GHz带宽的罗德与施瓦茨(以下简称“R&S”公司)的RTP高性能示波器，假设中心频率为 8 GHz，将可采集最高16 GHz带宽的射频信号，这是传统频谱与信号分析仪无法达到的分析带宽。

用户定义的数字滤波器

在采集窄带信号时，高分析带宽可能还会面临若干挑战。比如，我们要在中心频率2.4 GHz处采集带宽为2 MHz 的 Bluetooth低功耗信号。使用RTP当然可以轻松采集信号 (如上所述)，但如果不应用滤波器，除了关注的信号之外，还将采集到示波器带宽内从直流到最大频率的所有可能的干扰，这会在关注 Bluetooth低功耗信号时造成噪声电平不必要地增加。为避免这种情况，R&S高端示波器为用户提供他们首选的滤波器设计工具来设计数字滤波器，并将滤波器系数导入仪器，这样便可针对所关注的信号设置分析窗口。

引入数字下变频

应用适当的数字滤波器可以提高信噪比(SNR)，但此时还需要考虑，对于这种窄带信号，可实现的捕获时间是否仍有提升空间。即使我们将采样率降至刚好符合奈奎斯特定理的要求，执行上述操作时的最大捕获时间也仍小于1秒。

R&S先为其高端示波器引入数字下变频解决方案。 功能强大的选件能够采取适当的步骤对信号进行下变频，并存储转换后的I/Q数据以供进一步分析，支持 VSE矢量信号分析软件或MATLAB等第三方工具。在我们的Bluetooth低功耗场景中，应用数字下变频后的捕获时间约为500秒。

先进的触发系统

示波器通常配备比频谱与信号分析仪更加先进的触发系统，能够非常准确地检测短时、间歇、突发或脉冲信号，尤其是对于需要精确检测脉冲/chirp信号起始频率。

R&S示波器的特点之一在于搭载全数字触发系统，可直接对A/D转换器的采样点进行操作。测量信号不会像传统模拟触发器那样兵分两路，解决了与模拟触发系统相关的问题，因而触发抖动更低，触发灵敏度更高，还可根据实际需要进行优化。

如下图显示了采用传统模拟触发器和采用R&S数字触发系统的示波器架构之间存在的差异。

示波器架构简图

相位相干多信道采集

在众多无线应用中，多天线设计日益受到重视。以雷达应用为例，雷达系统的一个常见要求是确定周围物体的方向。针对这一用途，多天线系统成为最先进的技术，可基于多个接收路径之间的相位差来估计物体的到达角 (AoA)。

为表征这些类型的系统，测试设备必须具备多信道功能，并确保所有信道始终保持相位相干。示波器非常适合这种场景，它们通常提供多个信道，在设计上严格对准，并且不需要任何额外的增强功能 (例如时基和LO共享) 即可执行相位相干测量，这与频谱分析仪类似。因此，在多天线系统设计测试中，示波器是一种经济高效且易于使用的解决方案。

RTP的分析带宽最高为16 GHz，可以覆盖整个 X波段和大部分Ku波段。在这些频率范围内，无需使用任何外部下变频器即可实现多信道采集。这在雷达和电子战 (EW)应用中尤其有价值，最突出的一个实例是数字射频存储器 (DRFM) 干扰技术，其中干扰器能够接收原始雷达信号，同时生成用于代表虚假目标的虚假雷达回波，而发射雷达无法将该信号与其他合法信号区分开来。

使用RTP板载工具分析与原始脉冲相关的重发回波。可在时域和频域中追踪随时间的变化。

用于汽车雷达应用的相位相干多信道信号分析设置

为此，重发虚假目标必须与原始信号保持一致。只有在对原始脉冲和重发脉冲进行相互关联分析时，才能对此进行验证。RTP可用于对时域和频域中的信号进行相位相干分析，甚至是在相对较宽的带宽上进行捷变频雷达和射频跳变分析，以验证DRFM是否遵循该特征。

即使标准所使用的频率范围超出示波器的带宽能力，通过将示波器与FS-Zxx等外部混频器相结合，仍然可以采集相应的信号。这样一来，无论是应用多时还是问世不久的雷达信号类型，都能实现多信道采集和分析，例如77 GHz至81 GHz范围的汽车雷达技术，以及用于60 GHz手势感应的全新雷达技术。R&S示波器的实时去嵌入功能可补偿整个信号路径上由附加组件引起的损耗。

对采集到的信号进行分析时，可以使用示波器内置的基础分析测量工具，也可使用VSE软件中的脉冲和瞬态分析等选件获得更全面的功能。如下图给出了针对汽车雷达信号运用这两种方法的示例。

使用a)示波器板载工具和b) VSE进行汽车雷达信号分析的屏幕截图

5G NR等现代无线标准依赖于使用多个天线将信号发送至所需方向的类似方法，称为波束成形。波束成形通过为各相邻输入信号流生成明确定义的相移来实现。引入保持恒定的相移，使生成的波束始终指向所需方向。

如下图给出了使用RTP和VSE的5G分析选件进行5G NR MIMO信号分析的示例。RTP的多信道功能最多可对四个输入流进行相位相干测量，这样可将单5G NR信道支持的所有测量扩展到多达四个输入信道，此外还增加了输入信号间的相位差等MIMO专用测量，这是在5G NR基站或小基站执行发射机测试时表征波束的重要指标。

5G NR基站/小基站MIMO发射机测量的典型设置

使用VSE矢量信号分析软件进行5G NR MIMO测量

用于系统级调试的多域分析

除采集射频信号以外，示波器还可进行多种测量，提供各种总线触发和解码、功率、时域和频域测量选项。所有这些测量之间可始终确保时间对齐，因此可将采集到的射频信号与其他信号 (例如电源电压或数字总线信号) 相关联。

例如，在汽车雷达模块的开发和调试过程中，同时采集CAN总线或汽车以太网信号以及雷达信号尤其有帮助。雷达传感器的分析时间可以根据雷达信号与总线协议信号之间的延迟来确定，如果测得的延迟超过规范要求，则不能被自动驾驶车辆接受。

R&S示波器的多域功能

强大的FFT功能

FFT功能在通常需要时域关联的初始设计和原型设计阶段特别有用。假定我们需要遵循在汽车应用关注度越来越高的UWB 802.15.4z标准，示波器的多域功能支持同时在时域和频域中检查UWB信号，因而可根据需要调整测量设置。如下图所示，可以使用R&S示波器提供的门控FFT功能来定义时域中的信号部分，并绘制该特定部分的频谱。除此之外，R&S示波器还提供各种易于设置的快速频谱测量，例如信道功率和占用带宽。这在关注特定脉冲的频谱特性或调试被测设备的意外行为时会非常有用。

同样的方法也可用于调试电子设计的电磁干扰(EMI)行为，R&S示波器为此提供专用近场探头，可与FFT和触发功能结合使用。

UWB信号的时域和频域测量

区域触发

另一个有用的多域联调功能例子是区域触发。使用R&S高端示波器，可在时域和频域中以图形方式定义最多八个区域，并通过逻辑运算符组合来定义条件以及满足该条件时的示波器的响应。这对EMI调试用途非常有帮助，使用户可以灵活定义两个域中的违规区域，并在这些区域发生违规时收到警告，即使是短时或间歇性干扰也不例外。如下图所示，可以结合两个域的区域来定义哪些情况需要检测对 WLAN信号的衰落效应。

在时域和频域中使用区域触发来检测对WLAN信号的衰落效应

总结一下，示波器的优点源于包括直流分量在内的全面信号捕获功能，以及支持多个 (通常是两个或四个) 相位相干输入：

可以测量包含直流分量的信号

提供无与伦比的分析带宽，通常可达到示波器的最大频率

可进行模拟基带信号的宽带测量，四端口仪器甚至可用于差分I/Q捕获

可对多个源进行相位相干测量

支持时间关联多域测量

注意

下面开始划重点啦!

各位小伙伴赶快掏出小本本记下来

 

我们分别列出R&S的频谱分析仪与示波器

各自的性能优势

以及

根据不同的射频应用需求

应该怎样选择R&S的

频谱分析仪和示波器

最后

祝你顺利选到最适合的测试设备

轻松完成你的系统设计!

关于罗德与施瓦茨

罗德与施瓦茨是测试与测量、系统与方案、网络与网络安全领域的领先供应商。公司成立已超过85年，总部设在德国慕尼黑，在全球70多个国家设有子公司。作为一家独立的科技集团，罗德与施瓦茨创新性的产品和解决方案为全球工业及政府客户提供了一个更安全与互联的世界。截至2021年6月30日，罗德与施瓦茨公司在全球拥有约13000名员工。

原文标题：频谱仪 or 示波器? 一文治愈你的选择困难症(下篇：示波器)

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审核编辑：汤梓红