用于宽带测量的数字化仪或示波器--关注的理由？

我们生活在一个存在巨大技术断层的时代。新兴的无线通信应用趋向于更宽的带宽、更高的频率、更密集的调制方案、多个信道，以及有更多的数据需要管理。为了测量宽带信号，工程师通常需要使用示波器和数字化仪，这些仪器利用ADC 技术进行波形采集。在某些情况下，这些仪器可互换使用进行波形分析。然而，尽管存在许多相似之处，示波器和数字化仪终究有些区别，它们分别针对不同的目标应用进行了优化。例如，示波器通常配有大型前面板显示屏和键盘，用于快速呈现随时间变化的波形。某些仪器厂商将示波器当作数字化仪推广，或将数字化仪作为示波器推广，这可能会造成困惑。本文针对数字化仪或示波器的关键特性进行了详细介绍，以供您在选择下一个宽带测量解决方案时参考。

在设计宽带测试解决方案时，要考虑以下这些关键特性：

表1. 宽带测量要考虑的关键特性。

关键特性
分辨率和动态范围	通道间同步	测量和分析
采样率和瞬时带宽	波形更新速率	FPGA 访问
采集存储器（记录时间）	数据流传输	算数运算功能
通道数量	触发	探测

我们来详细解释几个关键项：

• 分辨率和动态范围。数字化仪和示波器都使用ADC 来采集波形数据。ADC 对输入电压进行采样，并得出电压电平的二进制表示。有效位数（ENOB）能很好地衡量动态范围。ENOB 是考虑到噪声和失真的有效位分辨率。它准确地反映了频域或时域测量中出现的宽带噪声。

ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

○ SINAD（信号-噪声及失真比）衡量的是信号质量。ADC 分辨率会对它造成影响，但还有其他一些因素也对它有影响。

例如：

- 8 位采集将10 Vpp 输入范围分成2⁸ 份= 256 级，每级为39 mV
- 10 位采集将级数增加4 倍，16 位增加256 倍（10Vpp 输入范围分为每级152 uV）

示波器通常在非常大的带宽上使用8 位ADC 进行采集。通过在示波器内添加不同的滤波技术可以改善ENOB。例如，是德科技InfiniiVision 示波器（配有8 位ADC，采样率达2.5 GS/秒）具有高分辨率模式，可以在降低带宽的前提下实现更好的分辨率，将ENOB 提升到12 位。示波器分辨率适用于呈现非常宽的带宽上的时域测量结果。

数字化仪通常采用12 位或14 位ADC，并可以在缩小的带宽上获得更高的分辨率。数字化仪通常具有更高的ENOB，或者在更窄带宽上提供更高分辨率。对于需要进行频谱分析或具有动态信号（同时包含大电压和小电压分量）的应用（如调制后的波形），较高的ENOB 有助于实现更高的分辨率和更低的本底噪声（或更好的无杂散动态范围，即SFDR）。与8 位示波器可以提供45 dB SFDR 相比，具有更高分辨率和良好SFDR 的数字化仪能在数据分析期间捕获更精细的细节，例如，一台10 位数字化仪可以提供57 dB 的SFDR，而12 位数字化仪则能达到65 dB。

• 输入带宽和采样率。选择具有足够带宽的数字化仪或示波器对于准确捕获信号中最高频率分量非常重要。奈奎斯特采样定理表明，对于采样系统，奈奎斯特频率Fn 等于采样频率fs 的1/2。奈奎斯特频率以上的信号能量将与ADC 采样率混合，其产物将折返到基带上感兴趣信号的顶部，导致无法实施精确采集（也称为混叠）。输入带宽限制滤波器通常用于确保没有信号能量高于有效奈奎斯特频率。

图1. 输入带宽和采样频率。

Amplitude Frequency 1st Nyquist zone 2nd Nyquist zone 3rd Nyquist zone 4rd Nyquist zone Baseband Signal Aliased Signal Sampling Frequency Signal to acquire Signal IBW (Instantaneous Bandwidth) Digitizer Front-end bandwidth 2 GHz (@2V FSR) CB_DDC (LO) Sampling

振幅 频率 第一奈奎斯特区域 第二奈奎斯特区域 第三奈奎斯特区域 第四奈奎斯特区域 基带信号 混叠信号 采样频率 要采集的信号 信号IBW（瞬时带宽） 数字化仪前端带宽2 GHz (@2V FSR) CB_DDC (本振) 采样

在示波器中，最大额定采样率fs 应当比实时带宽高2.5 至3 倍。这使得波形重建滤波器能够以很好的分辨率精确再现高速信号的波形。

在数字化仪中，您可以考虑选择超过采样率（fn）一半的带宽。有时可以通过欠采样（undersampling）和特殊输入滤波来捕获大于Fs/2 的频率。例如，是德科技的M9203A 和M9703B 数字化仪支持2 GHz 带宽，ADC 采样时钟速率为1.6 GS/s，允许使用欠采样直接进行下变频。

在更高分辨率的数字化仪中，应当考虑到带宽增加时随之上升的总体噪声。电路上增加的额外信号调理可能会影响SFDR。这也是为什么数字化仪通常通过有限的满标度范围（SFR）功能来保持交流或直流耦合，以确保获得最低失真和最大动态范围（以及最好的SFDR）。

示波器可以提供多种FSR 和交