基于矢量网络分析仪与传统采样示波器TDR 之间的测量性能和优势比较

序言

最近几年随着多Gbps传输的普及，数字通信标准的比特率也在迅速提升。例如， USB 3.0的比特率达到 5 Gbps。比特率的提高使得在传统数字系统中不曾见过的问题显现了出来。诸如反射和损耗的问题会造成数字信号失真，导致出现误码。另外由于保证器件正确工作的可接受时间裕量不断减少，信号路径上的时序偏差问题变得非常重要。杂散电容所产生的辐射电磁波和耦合会导致串扰，使器件工作出现错误。随着电路越来越小、越来越紧密，这一问题也就越来越明显。更糟糕的是，电源电压的降低将会导致信噪比降低，使器件的工作更容易受到噪声的影响。尽管这些问题增加了数字电路设计的难度，但是设计人员在缩短开发时间上受到的压力丝毫没有减轻。

随着比特率的提高，尽管无法避免上述问题，但是使用高精度的测量仪器可以对此类问题进行检测和表征。以下是使用仪器处理这些问题时必须要遵守的测量要求:

a.在更宽的频率范围都要有很大的测量动态范围
实现高动态范围的一种方法是降低噪声。如果仪器噪声达到最低水平，就可以把很小的信号(例如串扰信号)测量出来。精确地测量高频元器件也很关键，因为它们是导致信号完整性问题的最常见原因。

b.激励信号要能精确地同步起来
在测量多条微带线之间信号的时序偏差时，精确同步的激励信号更能保证精确的测量结果。

c.快速进行测量并刷新仪表屏幕上显示的测量结果
能够快速进行测量并刷新所显示的测量结果可以使产品的设计效率更高并提高生产吞吐量。

传统上，基于采样示波器的时域反射计 (TDR)一直用于电缆和印刷电路板的测试。由于这种示波器的噪声相对较大，同时实现高动态范围和快速测量具有一定难度，虽然通过取平均法可以降低噪声，但是这会影响测量速度。示波器上用于测量时序偏差的多个信号源之间的抖动，也会导致测量误差。此外，给 TDR示波器设计静电放电(ESD)保护电路非常困难，因此 TDR示波器容易被 ESD损坏。

这些问题只凭 TDR示波器基本上很难解决，只有通过 E5071C-TDR —基于矢量网络分析仪(VNA)的 TDR解决方案才能解决。

使用矢量网络分析仪进行时域反射计测量

VNA进行哪些测量?
VNA是测量被测件 (DUT)频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21)或反射信号 (S11)之间的矢量幅度比 (图 2)得到测量结果; 在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性(图3); 在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

图 2. 输入信号、反射信号和传输信号示意图。 
 

图 3. 在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用 VNA测得被测器件的频率响应特性。

从频域变换到时域 (傅立叶逆变换)

众所周知，频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用VNA获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性 (图4)。再通过对冲激响应特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在TDR示波器上观察到的响应特性是一样的。由于积分计算非常耗时，因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶变换的卷积原理进行计算 —把输入信号的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积，然后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，因此我们可以快速计算出阶跃响应特性。

图 4. 从傅立叶逆变换中推导出的阶跃响应特性与冲激响应特性之间的关系。

通过傅立叶逆变换得到的时域特性的时间分辨率和时间测量范围分别对应于最高测量频率的倒数和频率扫描间隔的倒数(图 5)。例如，若最高测量频率是 10GHz，则时间分辨率为 100ps。我们似乎可以认为通过不断缩小频率扫描的间隔就可以无限地扩大测量的时间范围，但事实上却存在限制。因为傅立叶逆变换中使用的频率数据在频域中必须是等距的，若扫描的频率间隔比VNA的最低测量频率还要小，那么就不能执行傅立叶逆变换。例如，如果 VNA的最低测量频率是100kHz，则在时域测量中能够得到的最大时间测量范围就是10 µs，对于 TDR的测量应用，这足够了。

图 5. 时域参数 (时间分辨率和时间测量范围)与频域参数 (最大频率和扫描频率间隔)之间的关系。

图 6显示的是使用基于 VNA的 TDR (Agilent E5071C-TDR)和示波器 TDR (Agilent DCA 86100C TDR)，对同一被测件 (用Hosiden的测试夹具和电缆)的阻抗进行测量，得到的响应曲线之间的相关性。两个测量结果之间的差别不到0.4 Ω。

图 6. E5071C-TDR和 86100C TDR示波器(86100C)的测量结果之间的相关性(示波器 TDR的测量结果是经过 16次平均以后得到的)。