2020年10月15日 | 射频实验室的大PK，示波器能否盖过信号分析仪？

在射频 (RF) 行业中通常认为，信号分析仪是进行无线发射机 (Tx) 测量的首选工具。

然而，许多正在开发的新毫米波 (mmWave) 技术的工作带宽超出了信号分析仪可以直接测量的带宽。新兴的 MIMO（多路输入/多路输出）技术也需要进行相位相干的多通道分析。这意味着测试设备的使用策略需要改变。示波器势必会加入其中，成为必不可少的射频测试工具，这一转变将给全球的射频工程师都带来巨大影响。

为了测试新兴的无线毫米波技术，新的台式设备需要具备三大特性 ：

• 高输入频率范围和宽分析带宽，能够捕获和分析信号；

• 出色的信号完整性技术指标，如误差矢量幅度 (EVM) 和无杂散动态范围；

• 多个通道在时间上紧密相关，能够支持MIMO系统。

新一代示波器平台如何与信号分析仪相辅相成，满足这些测试需求？

在进行高频宽带测量时，首先要考虑的技术指标是仪器的带宽，包括分析带宽和频率范围。分析带宽是指仪器在单次采集中可以分析的频率范围有多宽。频率范围指的是给定仪器可用输入频率的总范围。

第①回合：分析带宽对比

当今的示波器既有 50 MHz 的低端型号，也有 110 GHz 的高端型号。它们都提供实时分析带宽，这意味着它们能够执行从直流到其本身带宽的测量。相比之下，信号分析仪可以 进行从几Hz 到110 GHz的频率分析。当今的射频信号分析仪通常具有25 MHz至2 GHz 的测量带宽。为了突破这些带宽限制，信号分析仪通常使用下变频器和外部器件，但其分析带宽最大也只能达到约5GHz左右。增加器件和电缆还有一个缺点，即设置时间比较长，而且夹具的使用变得更复杂，这会从本质上影响信号的完整性。

第②回合：频率范围对比

信号分析仪是最常用的射频测试工具，因为它们能够在高频下进行低噪声测量。它们能够 测量非常高的频率范围，而价格又不贵。高端示波器的输入频率范围与信号分析仪不相上下，但价格通常要贵得多。对于某些频率范围的测量来说，示波器的成本要比信号分析仪高出一个数量级。 但是，许多信号分析仪的分析带宽通常不超过1 GHz，无法覆盖新兴毫米波技术所使用的频率。

第③回合：噪声和功能对比

理论上来讲，示波器在大部分场合下可以代替信号分析仪，但是信号分析仪也有一些独具优势的特长。对于较低输入频率和较窄带宽的测量而言，成本是一个重要的因素。但是，随着带宽和频率的升高，成本的影响不再突出。信号分析仪还配有专用的射频测试套件，让大多数技术的验证和调试变得简单。示波器以往主要用于DDR、PCI Express和 USB高速数字测量、调试和一致性测试应用。

并不是每一款示波器都能做到这一切。传统的一些高端示波器具有足够的频率范围，能够对新兴技术进行测试，但是它们通常需要在设计上做出一些权衡，因而并不适合在毫米波带宽下进行射频测试。例如，很多高带宽示波器中使用的传统交织采样技术会给射频测量带来极大噪声。这样您会失去直接进行数字化时噪声较小的优势。 因此，您最好是选择具有适当噪声性能和信号完整性的示波器来进行射频测量。

第④回合：信号完整性对比

在进行高频射频测量时，通常最好是使用信号分析仪。在射频相关的技术指标方面，例如EVM、无杂散动态范围、显示的平均噪声电平 (DANL) 和有效位数，信号分析仪均表现出色。 但问题是，在传统的射频技术指标上，示波器能否匹敌甚至胜过信号分析仪？

答案令人大吃一惊，是的，它们可以。设计人员持续提升示波器的带宽，最终达到了以前只有信号分析仪才能触及的频率。有鉴于此，示波器设计人员开始在设计中更谨慎地考虑射频相关的技术指标。例如，图6和图7显示了两代示波器的噪声密度图。图6是旧型号的，图7是新型号的。如果仔细观察这两个图，您会发现新款示波器的噪声密度比旧款示波器高 8 dB/Hz以上。

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第⑤回合：射频相关技术指标对比

从各项技术指标来看，示波器与信号分析仪相比孰高孰低？我们来比较一下两款旗舰测试设备 的技术指标：Keysight UXA X 系列信号分析仪和 Keysight Infiniium UXR 系列示波器（表 1）。如表 1 所示，在信号分析仪通常占优势的技术指标上，示波器也占据了一席之地。尽管信号分析仪在许多领域仍保持领先，但是在某些技术指标上，示波器更胜一筹，并且在其他技术指标上也表现不凡。仅凭这样的技术指标，示波器便可跻身射频测试工具之列。

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第⑥回合：多通道测量对比

为了进行正确的 MIMO 发射机测试，您需要一次性测量多个通道，并且必须保持精确的时间 同步。使用信号分析仪进行测量时，您通常必须在每个通道上使用一台分析仪并使它们保持 时间关联。这一方法的成本很快就会变得非常高昂，但它是进行此类毫米波测量的行业标准。

最新的技术进步使得多通道分析成为可能，它可以提供多达四个相位相干的分析通道， 是进行真正多通道分析的理想选择。示波器通常有两个或四个通道，并且通道之间也具有出色的相位相干性。示波器的时基使其能够捕获相位紧密锁定的信号。例如，Keysight UXR 系列示波器的信道间抖动为20 fs。 它可以与其他UXR结合使用，使示波器内部抖动降低到50 fs以下。

第⑦回合：毫米波频率需要新的测试工具

对于许多技术而言，信号分析仪仍然是最好的射频测试工具。出色的噪声性能、专用测量 应用软件以及成本优势，使信号分析仪在毫米波解决方案中优势明显。扫频信号分析仪仍然是很多工程师的首选工具，因为它具有杂散搜索功能，且能够进行带外测量（如邻道 功率和频谱发射模板）和实时频谱分析。

但是，对于高频测量和新兴的毫米波技术，示波器的作用就不容忽视了。示波器的宽广带宽、出色的信号完整性和相位相干性以及强大的多通道功能，使其成为独具优势的毫米波测试工具。