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用于宽带测量的数字化仪或示波器——关注的理由？

2017-07-31

中国电源产业网

导语：

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

1^st Nyquist zone

2^nd Nyquist zone

3^rd Nyquist zone

4^rd 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 和交流/直流耦合选择。45 dB 的 SFDR 足以同时呈现大信号和小信号。带宽越大，影响就越小，因为在 8 位分辨率下看不到增加的噪声。

采集存储器和数据流传输。请确保您有足够的采集存储器，能在适当的观察时间窗口内捕获最复杂的信号。这需要根据应用和需要收集的数据量来确定。在数字化仪中，采集存储器通常以MSa或GSa为单位，在示波器中则以Mpts为单位。它们决定了每个 ADC 板上存储器的大小。

时间间隔 = 采集存储器/采样率

某些记录应用需要长时间采集数据，不可能在板上存储器中存储数据。在这样的情况下，可以使用离线数据流传输来采集数据并发送到外部存储设备上进行后期处理。许多模块化数字化仪是数据流传输的理想之选，因为它们直接与高速PCIe总线相连。

高级触发、分段和 DDC 等技术减少采集所需的板上存储器。

图 2. 传统和分段存储器采集。

Traditional Single-Shot Acquisition

Acquisition time = memory depth/sample rate

Segmented Memory Acquisition

Selectively captures more waveform data using the amount of acquisition memory

传统的单次采集

采集时间 = 存储器深度/采样率

分段存储器采集

使用采集存储器容量选择性地捕获更多波形数据

示波器和数字化仪通常都支持分段存储器技术。有了分段存储器，您可以使用触发或选通来选择性地捕获波形数据，从而减少所需的采集存储器容量。

数字化仪采用诸如零抑制（zero suppress）等数据压缩技术，只保留超过给定阈值的相关信号。它们还使用数据打包和四舍五入来优化可用存储器空间。也使用诸如数字下变频（DDC）等实时数据压缩技术。DDC 直接在 ADC 数据上进行数据的频率转换和抽取。图 3 中的框图显示了其基本原理。捕获到复杂的 IQ 数据，可以使中心频率下变频到 0 Hz。然后使用滤波和数据抽取来去除不需要的频率分量，缩减所需数据的大小。在对宽带采集中的一小段频谱进行分析时，DDC 非常有价值。DDC 不仅可以减少所需的存储空间，而且可以降低宽带综合噪声，改善整体信噪比（SNR）。

图 3. DDC 操作框图。

ADC

Tune

0 deg

90 deg

Zoom

LPF

Real

Imag

Memory

模数转换器

调谐

0 度

90 度

放大

低通滤波器 (LPF)

实部

虚部

存储器

· 波形更新速率。示波器具有较高的板上波形更新速率，能够查看意外事件和毛刺。一旦发现随机事件，您可以调整示波器的增强触发来捕获感兴趣的事件。

图 4. 示波器具有超过每秒 1,000,000 个波形的更新速率，让用户可以看到意外事件和毛刺。

采集之间的静寂时间可能需要保持在最短，具体取决于应用情况。高速数字化仪通过技术手段将静寂时间控制到最短，例如同时采集和读出（或 SAR 模式）。

触发。触发支持同步进行信号采集，包括简单的功能（如何时开始采集）和更复杂的触发（如码型触发、突发脉冲触发，甚至是特定串行协议触发）。示波器通常支持许多不同类型的触发，包括边沿、脉冲宽度、码型、上升/下降时间、第 N 个边沿突发脉冲、矮波（Runt）、建立/保持等。某些示波器（如InfiniiVision）还支持串行总线的特定串行协议触发，如 CAN、FlexRay、I2C、LIN、MIL-STD1553、URAT 等。

数字化仪通常支持 ATE 类型的触发，如边沿和/或通道电平触发，这种触发规定了何时开始记录采集。许多数字化仪支持触发前和触发后数据采集。在 ATE 或更大的嵌入式系统中，请务必考虑触发重新准备（re-arm）时间，并确保所有触发在所有通道/仪器上同时发生。如果使用随附的触发时间插补器（TTI），数字化仪触发定位可以精确到几ps。例如，M9703B 就达到了 15 ps的精度。额外的特定触发检测设计可用于通过开放的 FPGA 体系结构进行实时检测。

测量和分析。示波器针对易用性和测量速度进行了优化。它们的硬件中内置了各种测量和分析工具。如果是台式示波器，用户可以从台式仪器的前面板访问这些测量和工具，如果是模块化仪器，用户可以从软件前面板访问。这使得示波器非常适合用于在设计或故障诊断期间进行的各种常见测试。由于测量在硬件中执行，因此可以快速获取结果，缩短测试台或 ATE 环境的测量时间。以下所示为InfiniiVision系列示波器中提供的一些算数运算、FFT 和串行协议分析工具。

表 2. 是德科技PXIe M924xA 示波器提供的板载测量和分析工具。

算数运算		串行分析¹	其他内置功能
- 加，减 - 乘，除 - 微分，积分 - 增强型 FFT 及加窗 – Ax + B - 平方，平方根 - 绝对值 - 常用对数 - 自然对数	- 指数 - 以 10 为底的指数 - 低通滤波器 - 高通滤波器 - 平均值 - 平滑、包络 - 放大 - 最大值和最小值保持 - 测量趋势 - 逻辑总线图表	– I²C – RS232/422/485/UART – CAN – LIN – MIL-STD1553 – ARINC429 – SENT – CXPI – NFC	- FFT（快速傅立叶变换、幅度、相位） - 占用带宽 – ACPR（邻近信道功率） – THD（总谐波失真比） - 3 位 DVM （数字电压表） - 8 位计数器 * 频率 * 周期 * 累加器 – 20MHz波形发生器 * 正弦波方波、斜波 * 脉冲、sinc * 指数上升/下降 + 其他 * AM/FM/FSK

另一方面，数字化仪依靠计算机上的应用软件来完成大量分析。一些数字化仪允许访问板载 FPGA（现场可编程门阵列），因此可以在仪器中添加自定义代码、滤波器、校正或数据压缩方案。这样的例子包括向输出添加算数运算，或随附查询表来更改输出。在某些情况下，您可能需要将自定义 IP 添加到仪器中来执行特殊功能。在仪器 FPGA 中添加定制功能可以增加仪器功能、降低成本、缩短开发时间，还可以提高测量速度。它也可以用于计算，所以您只需要处理数据输出即可，减少了要管理的数据量。

图 5. 将自定义代码写入仪器的 FPGA，可以缩短测量时间、加快测试或缩减数据需求。

Input Signal DC – 2 Ghz

Channel 1

Channel 2

High-Speed Digitizer

ADC

FPGA

Specific function

Insert custom code

Processed data

Recommended Host PC

输入信号直流 - 2 GHz

通道 1

通道 2

高速数字化仪

模数转换器

FPGA

具体功能

插入自定义代码

处理过的数据

建议的主机

示波器和数字化仪都可以利用其他特定应用软件和分析工具来处理采集的信号。常用分析工具包括MathWorks或是德科技的 89600 VSA 复杂调制分析软件。

探测和输入电压。探测对于获得所需的信号至关重要。此外，如果考虑在更高频率、更高电压或更大电流下增加的电容负载，探测可能会变得更复杂。在进行较高频率的测量时应当使用有源探头。示波器通常提供各种探测选件，包括无源探头、有源的电压和电流探头、高电压探头、差分探头和光学探头。探头采用与示波器输入阻抗相匹配的设计。通过选择正确的探头，示波器可以支持更高的电压和电流输入。

数字化仪通常不包括匹配的探头解决方案，并且在很多情况下只支持固定的 50 Ω 输入阻抗，其目的是尽量减少信号路径中额外电路的影响。此外，数字化仪通常嵌入在更大的系统中，这些系统中的信号连接是固定连接。

总结

示波器和数字化仪都使用 ADC 进行宽带测量，但它们都针对不同的使用模式和应用进行了优化。

示波器针对在非常宽的带宽测试上的可视性进行了优化。它们具有非常高的波形更新速率，可用于查看和识别未知事件或毛刺。高级触发支持对特定事件进行归零，以供进一步分析或触发高速串行总线测试。各种类型的示波器探头能用于查看设计中不同点上的信号，通过信号调理来适应高电压、高电流或高频率。典型的示波器应用包括：

对设计执行调试和故障诊断。示波器可以查看信号细节—它具有极高的波形更新速率，能够显示波形细节（如毛刺和异常），并且能对设计中的目标区域进行探测。
捕获不常见的通信误码对于串行协议解码至关重要，具有硬件触发和串行协议解码功能的示波器可以实现这一点。
表征和验证数字 I/O 性能以及各种 COTS 技术（包括 CAN、DDR、DisplayPort、PCIe、NFC 和其他技术）。

宽带数字化仪用于对信号保真度要求很高的应用。它们通常具有高分辨率和高动态范围，以及用于捕获信号的深存储器，以便使用快速多通道PCIe总线将信号发送给计算机进行后期处理。在采集大量数据时偶尔会使用数据流传输。ATE 系统和高密度多信道信号分析应用都得益于具有高分辨率模数转换（ADC）技术的数字化仪。典型的数字化仪应用包括：

使用单信道或多信道数字化仪来监测电信号，以确定事件的物理特性，常用于激励响应实验。数字化仪可在不同时间点记录信号特征，以便对事件发生前后的情况进行分析。

通过进行多次跨信道幅度和相位测量可以校准多通道天线，然后进行比较，以确保信道/组件之间保持最小相位差。多通道数字化仪用于快速获取跨信道幅度和相位测量结果以进行比较。
多通道高速数字化仪用于采集 MIMO 探测信号。
信号经过采样后，由板载 FPGA 加以处理，或将 I 和 Q 数据发送到外部存储设备进行后期处理，以便在 5G 毫米波 MIMO 信道探测应用中创建有效的信道脉冲响应（CIR）数据。

在选择宽带信号采集所使用的示波器或数字化仪时，各个型号的详细信息及优缺点请见www.keysight.com/find/wideband-appnotes或网络研讨会。

关于是德科技

是德科技是一家领先的技术公司，致力于帮助工程、企业和服务提供商客户优化网络，进而将其电子产品以更低的成本、更快地推向市场。从设计仿真到原型验证、再到生产测试以及网络和云环境的优化，是德科技提供了全方位电子信号测试与分析解决方案。我们的客户遍及全球通信、航空航天与国防、汽车、能源、半导体和通用电子终端市场。2017 年 4 月，是德科技完成对 Ixia 的收购。Ixia 公司在网络测试、可见性和安全解决方案领域具有十分雄厚的实力。更多信息，请访问www.keysight.com。

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