如何使用示波器进行射频信号测试

声以外，无杂散动态范围 (SFDR:Spurious-free dynamic range) 也非常重要，因为它决定了在有大信号存在的情况下能够分辨的最小信号能量。对于示波器来说，其杂散的主要来源是由于ADC拼接造成的不理想。以2片ADC拼接为例，如果采样时钟的相位没有控制好精确的180度，就有可能造成信号的失真，在频谱上就会出现以拼接频率为周期的杂散信号。如果失真比较严重，即使再高的采样率也无法保证采集到的信号的真实性。

对于高带宽示波器来说，不论是采用片内拼接还是片外拼接，由于拼接不理想造成的杂散都客观存在，关键是杂散能量的大小。以Keysight的S系列示波器为例，其采用了单片40 G/s的ADC 芯片，通过专门的工艺优化了时钟分配和采样保持电路，可以保证很好的一致性。下图是用Keysight公司的E8267D信号源产生 1GHz信号经滤除谐波后在5GHz的Span范围内看到的频谱，可以看到除了2次和3 次谐波失真外，其杂散指标可以达到-75dBc，相当于一台中等档次的频谱仪的水平。

谐波失真 (Harmonic Distortion)

谐波失真也是衡量测量信号保真度的一个重要指标。对于示波器来说，为了保证高的采样率，其 ADC的位数(8bit或者10bit)相对于频谱仪里使用的14 bit ADC有较大差异，其谐波失真主要来源于ADC的量化噪声造成的信号失真，典型的是2次和3次谐波失真，通常3次谐波的能量更大，这点和频谱仪里由于混频器造成 2 次谐波失真来源不太一样。

在上面的测试结果中，其2次谐波失真约为-65 dBc，比一般的频谱仪差一些。而其3次谐波失真约为-49dBc，比起一般的频谱仪就差远了。因此如果用户关心谐波失真指标，比如在放大器的非线性测试中，使用示波器并不是一个好的选择。

不过好在谐波造成的失真通常在带外，通过简单的数学滤波处理很容易把谐波滤除掉。所以在有些宽带信号解调的应用中，由于测量算法在解调过程中会加入数学滤波器，谐波失真对于最终的解调结果影响并不是很大。

绝对幅度精度 (Absolute amplitude accuracy)

绝对幅度精度会影响到示波器对某个频点载波做功率测量时的准确度。对于示波器来说，绝对幅度精度指标=DC幅度测量精度+幅频响应。因此需要两部分分别分析。DC幅度测量精度就是示波器里标称的双光标测量精度，又由DC增益误差和垂直分辨率两部分构成(如下图所示是Keysight公司S系列示波器的DC测量精度指标)。对于实时示波器来说，DC增益精度一般为满量程的2%，而分辨率与使用的ADC的位数有关，如果是10bit的ADC就相当于满量程的1/1024。由此计算得出实时示波器的DC幅度精度大约在±0.2dB左右。

至于幅频响应，传统上宽带设备的幅频响应都不会特别好，但现代的高性能示波器在出厂时都会做频率响应的校准和补偿，使得其幅频响应曲线非常平坦。下图是Keysight公司8 GHz带宽的S系列示波器的幅频响应曲线，可以看出其带内平坦度非常好，在7.5GHz以内的波动不超过±0.5dB。

因此，综合下来，S系列示波器在7.5 GHz以内的绝对幅度测量精度可以控制在±1dB左右，这个指标和大部分中高档频谱仪的指标相当。而Keysight公司的 V 系列示波器更是可以在30GHz的范围内保证±0.5dB的绝对幅度精度，超过了大部分高档频谱仪的指标。

相位噪声 (Phase Noise)

测量仪器的相位噪声 (Phase Noise) 反映了测试一个纯净正弦波时的近端低频噪声的大小，在雷达等应用中会影响到对于慢目标识别时的多普率频移的分辨能力。相位噪声的频域积分就是时域的抖动。对于示波器来说，相位噪声太差或者抖动太大会造成对于射频信号采样时产生额外的噪声从而恶化有效位数。

传统的示波器不太注重采样时钟的抖动或者相位噪声，但随着示波器的采样率越来越高，以及为了提高射频测试的性能，现代的数字示波器如Keysight 公司的 S、V、Z 等系列示波器都对时钟电路进行了优化，甚至采用了经典的微波信号源如 E8267D里的时钟电路设计，使得示波器的相位噪声指标有了很大提升。如下图所示是S示波器在1GHz载波时的相位噪声曲线，测试中的RBW设置为750 Hz，在偏离中心载波100kHz处的噪声能量约为-92dBm，归一化到单位Hz能量约为-120dBc/Hz，这已经超过了市面上大多数中档频谱仪的相噪指标。而更高性能的 V 系列示波器的相位噪声指标则可以做到约-130dBc/Hz@100 KHz offset，这已经超过了市面上大部分中高档频谱仪的相应指标。

五、 总结

从前面的介绍可以看出，现代的高性能的实时示波器除了受ADC位数的限制造成谐波失真指标明显较差以外，其无杂散动态范围可以和中等档次的频谱仪相当，而底噪声、带内平坦度、绝对