网络分析仪与采样示波器TDR的优势比较

VNA与 TDR示波器动态范围的比较

此前的文档 1已介绍了 VNA和 TDR示波器的限制和精度。本节将从理论的角度，对 VNA和 TDR示波器的动态范围进行比较。VNA和 TDR示波器由于体系结构不同，所以在动态范围上也有差异。
以下假设将简化对比过程:
●两个系统的噪声和带宽(fc)相等
●从直流至 fc频率范围内，噪声都是一致的(白噪声)，观察到的功率为 b2
● TDR示波器的阶跃输入和 VNA示波器正弦波输入的最大信号功率(a2)相等
●信号源和接收机之间的传输通道不产生损耗
●使用归一化阻抗以简化数字的表达

首先对比的是对同一测量的动态范围。TDR示波器的时域响应由阶跃激励和噪声组成，各分量的功率分别定义为 a2和 b2，动态范围是这些分量的比值。对 VNA来说，带通滤波器可以无损传送信号，因此信号功率为 a2; 噪声分量在带通滤波器的阻带中被衰减 -如果带通滤波器的带宽为 fIF，则滤波器输出端口的噪声衰减为 fIF/fC。鉴于噪声的降幅与动态范围成正比，所以 VNA TDR的测量动态范围可以扩大10 log(fC/fIF)dB。由于此关系式与激励频率无关，与 TDR示波器相比，从VNA的测量结果经过傅立叶逆变换获得的时域响应的动态范围也将扩大 10log (fC/fIF)dB。

图 7. VNA降低噪声的原理

接下来对比的是在相同的时间测量范围 (T)和时间分辨率条件下得到时域响应特性所需要的测量时间。

使用 TDR示波器测量时，为了在物理采样频率 fP下获得等效采样时间 fE，测量需要多花 fE/fP倍的时间来完成(如图 7所示)。当测量时间长度为 T时，则需要测量 T x fE个数据点 (M)，测量时间为 T x fP/fS。使用 VNA进行测量，如要获得相同的时域响应特性的话(如图 9所示)，则需要以 1/T作为频率扫描的步长，并测量 M*2个数据点。单个数据点的测量时间主要由带通滤波器决定，等于 1/fIF。因此总测量时间为 M x 1/fIF，等于(Tx fE)x 1/fIF。

对比结果可知，在 VNA进行一次测量扫描的时间内，TDR示波器可以测量 fP/fIF次。由于将信号波形平均 L次会使得噪声与成正比下降，与 VNA相比， TDR示波器能够将动态范围扩大 10 log(fP/fIF)dB。

图 8. 采样示波器恢复的波形与测量时间的关系。

图 9. 用 VNA测量时，恢复的波形与测量时间的关系。

要想对比真实的动态范围，就必须要在测量时间相同的条件下进行对比。因此，必须将VNA通过使用带通滤波器所带来的在动态范围上的改善和TDR示波器通过多次平均所达到的在动态范围上的改善这些因素都考虑在内。

通常，TDR示波器的物理采样频率 (fP)远低于 TDR示波器的截止频率 (fC)， VNA的动态范围要高出 TDR示波器动态范围的 10 log(fC/fP)倍(表 1)。要通过取平均法在TDR示波器上获得与VNA示波器相同的动态范围，TDR的测量时间将延长 fC/fP倍。

以上内容主要讨论了时域响应的动态范围。频域测量对当今高速数字通信系统的重要性日益凸显。例如，要测量串扰效应，则精确测量高频响应至关重要，因此必须使用在高频时具有宽动态范围的仪器进行测量。下面我们将重点对比VNA与TDR示波器的频域动态范围。我们在本节会对一些要点和结果进行讨论，与此有关的详细分析请参见附录。

因为我们假设激励信号功率在整个频率范围内是保持恒定的，因此在VNA的整个测量频率范围内可以得到相同的动态范围。TDR示波器的阶跃激励经傅立叶变换后变为 δ (f)/2 + 1/(2∏jf)，其中包括了一个与频率的提高成反比的较大的 DC分量。图 10比较了 VNA与 TDR示波器在相同频率范围和分辨率条件下的动态范围。对于 N个点的测量，动态范围 10log (fC/fP)dB在
/2∏点出现差异。频率越高，VNA在动态范围方面的优势越大 (请参阅附件了解详情)。

图 10. VNA和 TDR示波器的频域动态范围比较

信号同步比较

为了测试在多个传输通道之间的信号的时序偏差，需要在各个通道的测量结果之间进行时间同步。VNA和 TDR示波器对测量结果进行同步的方法并不相同。本章节将讨论不同方法对测量精度的影响。图 11对比了 VNA和 TDR示波器测量多端口器件时使用的激励信号。TDR示波器为每个端口提供激励源，并独立生成阶跃激励。因此，必须要激励信号同步起来才可以测量不同通道间信号的时序偏差。如果激励信号在某个时间点实现同步，该激励的任意时间波动将导致测量结果中出现抖动。

图 11. 测量多端口器件时，TDR示波器(左)和 VNA(右)的激励设置方块图。

图 12. TDR示波器 (左)上的多个激励源的时间同步。调整 VNA的相位时延，以实现时间同步 (右)。

使用VNA可以在频域中进行测量，并通过傅立叶逆变换计算出时域响应。频域中的相位时延对应的就是时域