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混合域示波器:工作原理

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该技术文章概括了泰克核心仪器的精华部分:

•MDO是如何做到将一流的混合信号示波器技术与频谱分析仪硬件和软件结合起来的?

•MDO是如何工作的?

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混合域示波器:工作原理 技术简介 技术简介 图 1. MDO4000C 和 MDO3000 系列混合域示波器。 MDO 是什么? 在描述其内部技术前,我们最好先了解一下 MDO 是 由哪些东西组成的。过去,进行模拟测量、数字测量 和 RF 测量需要使用三种不同的仪器: ●● 示波器,用来在时域中对模拟信号进行时间相关测 量 ●● 逻辑分析仪,用来在时域中对数字信号进行时间相 关测量。混合信号示波器 (MSO) 是增加了数字通 道的示波器 ●● 频谱分析仪,用来在频域中对 RF 信号进行测量 混合域示波器 (MDO) 是第一个把混合信号示波器 ( 包 括逻辑和协议分析功能 ) 与现代频谱分析仪集成在一 起的工具。如图 1 所示,它们是拥有一整套输入通道, 为测量模拟信号、数字信号和 RF 信号而优化的: ●● 2 条或 4 条模拟时域通道,100 MHz、200 MHz、 350 MHz、500 MHz 或 1 GHz 带宽,拥有串行总 线解码和触发功能 ●● 16 条数字时域通道,定时分辨率最低 60.6 ps,拥 有串行总线解码和触发功能 ●● 1 条频谱分析仪通道,最高 6 GHz 输入频率范围 2 cn.tek.com 混合域示波器:工作原理 输入频率范围 杂散响应 残余响应 显示的平均噪声 (DANL) MDO4000C 选项 SA3 或 SA6 技术数据 9 kHz ~ 3 GHz 或 6 GHz -65 dBc 典型值 -85 dBm,<-78 和 <-73 dBm 时除外 -148 dBm/Hz 典型值 (5 MHz - 400 MHz) -149 dBm/Hz 典型值 (400 MHz - 3 GHz) 普通示波器技术数据 1 普通频谱分析仪技术数据 2 DC ~ 3.5 GHz -45 dBc 标称值 -70 dBm 9 kHz ~ 3 GHz -60 dBc 典型值 -90 dBm -3 -150 dBm/Hz 典型值 (10 MHz - 1.5 GHz) -147 dBm/Hz 典型值 (1.5 GHz - 2.2 GHz) -143 dBm/Hz 典型值 (2.2 GHz - 3 GHz) 1. 泰克 DPO7354,在普通生产仪器上测得,非保障性能。 2. 安捷伦 CXA,安捷伦 CXA 频谱分析仪产品技术资料中指明的性能,2013 年 7 月,© 安捷伦科技公司版权所有。 表 1. 普通频谱分析仪技术数据。 MDO 不是什么 - 不是简单的拥有 FFT 功能的示波器 大多数示波器都能计算和显示采集的时域信号快速傅 立叶变换 (FFT) 结果。但是,MDO 与拥有 FFT 功能 的普通示波器相比有一个主要优势: ●● 为频域测量提供了更好的功能和保真度 ●● 独立采集系统,在时域和频域中同时实现最优查看 能力 ●● 频谱测量功能 为频域测量提供更好的功能和保真度 与拥有 FFT 功能的示波器相比,MDO 中的集成频谱 分析仪提供了更高的保真度。表 1 比较了部分关键指 标,后面的“MDO 是怎样实现其 RF 性能的”介绍了 获得这些结果使用的技术。 分析灵敏度优化的。MDO 中集成的频谱分析仪提供了 典型 RF 信号要求的性能,而又不要求其他模拟通道就 能实现这种性能。此外,频谱分析仪输入的技术指标 与示波器输入通道不同。示波器的模拟输入在额定带 宽上会滚降到 -3 dB,MDO 上的频谱分析仪输入对 3 或 6 GHz 额定频率的响应是平坦的。 杰出的保真度。无杂散动态范围 (SFDR) 指明了频谱 分析仪在存在大信号时检测和测量小信号的能力。杂 散响应是用户信号与测量仪器交互的结果。它们很难 “处理”,因为其频率和幅度随着输入信号变化而变化。 测量仪器内部生成的信号泄漏到信号路径中,会导致 残余杂散信号。它们识别起来比较容易,因为它们一 般是静态的,但可能会被误认为用户信号中的杂散信 号。由于通用性特点,示波器的 SFDR 一般会比频谱 分析仪差。 输入频率范围大。尽管示波器提供了能够测量 2 GHz 以上信号的带宽,但它们一般比较贵,且不是为 RF 低噪声性能对测量小信号及发射机的带外辐射十分重 要。 cn.tek.com 3 技术简介 图 2. MDO4000 系列频域显示的用户控制功能。 为频域测量优化的独立硬件和用户接口 在使用普通示波器上的 FFT 进行频域测量时,时域 测量通常使用相同的用户界面,或者用户界面会埋在 FFT 功能一层层菜单里。因此普通频谱分析仪很难调 节,如中心频率、频宽和 RBW。此外,在使用普通 示波器 FFT 时,一个采集系统是由一套采集参数 ( 时 间 / 格、记录长度、采样率 ) 驱动的,以便在所有视 图中采集所有数据。这意味着您绝大部分时间可以优 化采集系统,显示所需的时域视图或所需的频域视图, 但几乎不能同时显示时域视图和频域视图。 相比之下,MDO 有两个采集系统,一个用于模拟通 道和数字通道,另一个用于频谱分析仪。这些独立采 集系统使得用户能够在两个域中都获得最优视图。 4 cn.tek.com 图 3. MDO3000 频谱分析仪显示画面要素。 图 4. MDO3000 上的通道功率测量。 混合域示波器:工作原理 MDO 为最常用的频谱分析功能提供专用前面板按钮 ( 图 2),而不是深埋在一层层菜单结构中的传统 FFT 控 件。数字小键盘可以简便地输入精确值。 MDO 频谱分析仪显示画面 ( 图 3) 对频谱分析仪用户熟 悉而又直观,标出了幅度格线及开始频率和停止频率、 峰值标记、以及关键频域参数的读数,包括基准电平、 垂直标度、中心频率、频宽和解析带宽 (RBW)。 主要频谱测量设施 独立式频谱分析仪上提供的许多测量功能,在 MDO 中的频谱分析仪中也提供。如前所述及如图 3 所示, 自动标记可以连续跟踪最多 11 个最高幅度的频率。它 提供了许多自动 RF 测量,包括通道功率、邻道功率比 (ACPR) 和占用带宽测量。图 4 是通道功率测量实例。 MDO 有一种三维频谱图功能,可以有效查看频率变化 的 RF 信号。图 5 是三维频谱图显示画面。注意即使 没有一条频谱轨迹显示所有跳频,但它仍能清楚地传 达信号的跳频特点。 图 5. MDO3000 上的三维频谱图。 cn.tek.com 5 技术简介 时域轨迹 RF 时域轨迹 频谱时间指示符 峰值标记 频谱轨迹 频域设置 触发设置 图 6. MDO4000 系列显示画面要素。 MDO4000 系 列 实 现 模 拟、数字和 RF 同步 通 过 选 项 SA3 或 SA6, MDO4000C 系列包括 MDO3000 中没有的额外硬件,提供了任何 其他仪器提供不了的系统级洞察 能力: ●● 能够同时查看时间相关的时域 波形和频谱 ●● 能够查看 RF 幅度、相位或频 率相对于时间关系,并与时域 波形同步 MDO4000 系 列 的 模 拟 通 道、 数 字通道和频谱分析仪输入通道均 时 间 相 关。 因 此,MDO4000 系 列能够显示时间关系,比如发送 到 RF 发射机的串行数据与得到的 RF 突发之间的时间关系。可以分 析器件状态变化过程中的电源电 压暂降,并与对 RF 信号的影响关 联起来。 图 6 是 MDO4000C 多 域 屏 幕 及 怎样表示时间相关信息进行分析 的实例。 1. 时域轨迹:“普通”模拟示波 器轨迹。 2. RF 时域轨迹:专用时域轨迹, 从频谱分析仪输入导出,用户可 以查看 RF 信号的幅度、相位或频 率相对于时间的关系。它们与其 他模拟通道和数字通道实现时间 相关,表示连续的时域数据流。 橙色轨迹“f”显示了 RF 信号的 频率相对于时间关系,迅速揭示 其跳频特点。 3. 频 谱 时 间 指 示 符: 指 明 用 来 生成频谱画面的数据位置、输入 时间。它用橙色色条表示,位于 时域窗口底部。频谱轨迹从时间 采样的采集中导出,并与其他模 拟 通 道 和 数 字 通 道 相 关。Wave Inspector® 旋钮控制着频谱时间 的位置。 4. 峰值标记:自动确定峰值的频 率和幅度读数。 5. 频谱轨迹:频谱分析仪轨迹。 6. 频域设置:关键频域参数的读 数, 包 括 基 准 电 平、 中 心 频 率、 频宽和 RBW 设置。 7. 触 发 设 置: 触 发 参 数 读 数。 由 于 MDO4000 系 列 把 频 谱 分 析仪集成到基于时域的采集系 统中,因此可以触发采集流程。 MDO4000 系列能够在频谱分析 仪输入上边沿触发整体功率电平。 通过 MDO4TRIG 选项,频谱分析 仪输入可以作为脉宽和欠幅脉冲 等触发类型的触发源使用。 6 cn.tek.com 混合域示波器:工作原理 图 7. 频谱分析仪架构概况:(a) 扫频分析仪;(b) 矢量信号分析仪。 MDO 是怎样工作的 为了提供上述功能,尤其是 RF 测量性能,MDO 采用 独特的结构,传统频谱分析仪或示波器用户可能并不 熟悉这种结构。 图 7(a) 是传统扫频分析仪简化的方框图。传统结构是 扫频超外差频谱分析仪 (SA),正是这种结构使得工程 师在几十年前就能进行频域测量。当前一代频谱分析 仪包括许多数字要素,如 ADCs、DSPs 和微处理器。 但基本扫频方法仍大部分相同。SA 通过下变频关心 的信号,然后扫描通过解析带宽 (RBW) 滤波器的传输 频带,来进行功率相对于频率关系测量。RBW 滤波器 后面是一个检测器,计算选定频宽中每个频率点上的 幅度。这种方法的优点是提供了高动态范围,缺点是 一次只能计算一个频率点的数据。结果,测量数据只 对相对稳定的、不变化的窄带输入信号有效。 图 7(b) 是矢量信号分析仪 VSA 的结构。VSA 代表着 一种比较现代的频谱分析仪结构,其中本振是步进式 的,而不是扫描式的。得到的信号先滤波,再进行模 数转换。这会得到一个带限时域信号,可以通过使用 DFT ( 离散傅立叶变换 ) 从时域转换到频域。然后使用 cn.tek.com 7 技术简介 图 8. 简化的 MDO 方框图。 得到的频域信息,在本振频率周围的画面上绘制一小 部分频谱图。然后本振步进到下一个更高的频率,然 后重复这个过程,直到绘制整个频谱。在处理随时间 变化的 RF 时,步进式分析仪要优于扫频分析仪,但 前提是关心的频宽位于步进宽度范围内,而频进宽度 通常相当窄 (10 MHz ~ 25 MHz)。 图 8 是简化的 MDO 方框图。高亮显示的模块是只 有 MDO4000 系 列 中 才 有 的 模 块, 其 他 模 块 则 是 MDO4000 和 MDO3000 系列共有的模块。现代矢量 信号分析仪使用的结构基本相同。MDO 和普通 VSA 之间的主要差异在于,MDO 有: ●● ADC 采样率要高得多,因此实现了超宽捕获带宽 ●● 固定下变频范围数量少 8 cn.tek.com 混合域示波器:工作原理 图 9. MDO4000C 模块下变频器频率范围。 MDO 的核心是大多数泰克示波器中使用的泰克自 主 开 发 的 同 一 模 数 转 换 器。 这 种 8 位 模 数 转 换 器 以 10 GS/s 速 率 采 样, 输 入 带 宽 超 过 5 GHz。 在 MDO4000C 上,为了扩展 6 GHz MDO 型号中的输 入频率响应,模数转换器前面使用了一个下变频器。 图 9 显示了 MDO4000C 下变频器的范围。 在 所 有 MDOs 中, 信 号 都 增 加 了 抖 动, 以 改 善 SFDR。在把数据采集到存储器中后,会结合使用硬 件技术和软件技术,执行数字下变频 (DDC),大大增 强信号保真度。这个过程实现了三件事: ●● 数据记录被转换成 I ( 同相 ) 和 Q ( 正交 ) 复合数据 格式 ●● 中心频率被传送到 DC,可以把 IQ 采样率降低到半 速率 ●● 数据进行过滤,压缩到足以覆盖频宽的采样率 MDO 中的数字信号处理器执行 FFT,把 RF 时域数据 转换成频域数据,采用频谱的形式。整个频谱乘以校 准系数,调节平坦度和相位。 然后使用用户可选的检测方法,确定怎样把 10002,000,000 点 FFT 输出压缩到宽 1,000 像素的显示画 面。其中提供了正峰值、负峰值、平均值和采样检测器。 最后,把得到的频谱加上对数标度,进行显示。 cn.tek.com 9 技术简介 MDO 怎样实现其 RF 性能 专用集成频谱分析仪改善了保真度 由于频谱分析仪专门用于 RF 测量,因此优化了信号 路径设计,改善了频谱保真度。 ●● BNC 被代以保真度更高的 N 连接器,更好地连接 电路板。 ●● 与普通示波器输入不同,频谱分析仪输入不需要传 送 DC 信号,也不需要提供偏置功能。因此可以使 用为频谱应用优化的衰减器和放大器组件。 ●● 明显改善屏蔽,如图 10 所示。 处理增益改善了灵敏度 使用 8 位模数转换器与要查看低于满刻度 100 dB 以 上的信号细节似乎有些格格不入,这源于模数转换器 分辨率与信噪比 (SNR) 关系公式: SNR = 6.02N + 1.76dB 其中 N 是分辨率位数。对 8 位模数转换器,噪底最多 比满刻度低约 50 dB,如果信号低于这个水平,那么 似乎就不可能看得到信号。 但是,必需指出,这个公式预测的噪声是宽带噪声, 一般均匀分布在模数转换器的带宽中。通过结合使用 DDC 和 DFT 降低实际处理和显示的数据带宽,噪底 会下降,从而可以查看小信号。这种效应称为工艺增 益,它改善了信噪比,公式如下: 工艺增益 图 10. 将 MDO4000C 模拟电路中的屏蔽壳拿掉后可以清晰 地看到射频信号电路 其中 fs 是采样率,RBW 是 DFT 的解析带宽。例如, 对 10 MHz 频宽和 10 kHz RBW,如果 MDO4000 系 列中频谱分析仪通道的采样率是 10 GS/s,那么工艺 增益会使 SNR 改善大约 57 dB,达到大约 107 dB。 需要指出的是,在模数转换采样率是 20 MS/s 时(这 是入门级频谱分析仪的典型值),至少要求 12.5 位 的分辨率才能实现同样的 SNR 性能。MDO 的高采样 率是实现其灵敏度的一个关键因素。 另外还要注意 RBW 在工艺增益公式中的作用。回想 一下,频谱分析仪的显示平均噪声电平 (DANL) 指标 的单位是 dBm/Hz,这是因为系统噪声是宽带噪声, 在某个设置下看到的噪声取决于 RBW 设置。普通频 谱分析仪表明了这种现象,RBW 每下降 10 倍,噪底 会下降 10 dB。 10 cn.tek.com 混合域示波器:工作原理 图 11. 1 GHz 通道在 10 MHz RBW 时的噪声功率和轨迹。 图 12. 1 GHz 通道在 10 kHz RBW 时的噪声功率和轨迹。 例如,图 11 中 10 MHz RBW 时 1 GHz 频宽中的噪底 约为 -85 dBm。在图 12 中,我们现在把相同频宽中 的 RBW 降低 3 个量级,降到 10 kHz RBW。尽管频 宽中的噪声功率保持不变(现在是 -65.37 dBm),1 GHz 频宽中的噪底现在下降到 -115 dBm,噪底改进 了 30 dB。 了解噪声性能的另一个重点是,在普通频谱分析仪中 (使用 14 位或 16 位模数转换器),下变频器的噪声 输出要远高于模数转换器噪底。在 MDO 中,下变频 器的噪声电平低于模数转器的噪声电平。其结果,是 处理增益使得 MDO 的 DANL 指标与普通频谱分析仪 非常类似。 抖动改善了 SFDR 使用 8 位模数转换器与频谱测量所需的高无杂散动态 范围 (SFDR) 之间似乎不太一致。 在模数转换器中,差分非线性度 (DNL) 误差在频域中 显示为杂散信号。分辨率较低的模数转换器的 DNL 误 差一般较高,导致相应的 SFDR 较低。 在普通模数转换器中,DNL 误差并不是均匀分布的, 而是只影响模数转换代码的一个子集。正因如此,可 以使用抖动来明显减少 DNL 误差,改善 SFDR。抖动 是一个随机信号,这个随机信号增加到输入信号中, 把 其 能 量 涂 抹 到 多 个 模 数 转 换 代 码 中, 从 而 把 各 个 DNL 误差有效平均到所有代码中。增加的抖动的结果, 是 DNL 误差引起的杂散信号被推得离噪底更近。 在 MDO 中,抖动增加到 3.75 GHz IF 滤波器滚降点上 方、模数转换 5 GHz Nyquist 频率下方。增加的抖动 信号在关心的频宽以外,在下变频过程中滤掉。 在普通示波器上,增加抖动是不可接受的,尽管它改 善了频域性能,但它在时域中会显示为噪声。 cn.tek.com 11 技术简介 超宽捕获带宽 最早开发频谱分析仪时,进行频域分析的 RF 信号在 不同时间是稳定的,采用的是窄带调制方式,如 AM 或 FM。而当今数字通信中使用的信号会随时间明显 变 化, 采 用 了 完 善 的 数 字 调 制 方 式, 通 常 采 用 涉 及 RF 突发的传输技术。这些调制方式的带宽也非常宽。 MDO 的独特之处在于其提供了超宽采集带宽。普通 步进式频谱分析仪的捕获带宽约为 10 MHz。由于其 采用的结构,MDO 提供了最低 1 GHz 的捕获带宽。 在 1 GHz 及以下的频宽设置下,不要求“扫描”显 示画面。MDO 在所有中心频率下的捕获带宽最低为 1 GHz,某些情况下高达 3.75 GHz。RF 信号路径输 送到高采样率模数转换器,而不是扫描或步进通过关 心的频率范围。得到的时域记录存储在内存中,频谱 从单次采集中生成,其时间跨度由 RBW 设置确定。 这不仅提供了宽捕获带宽,与传统扫频分析仪或窄带 图 13. MDO 可以同时在 900 MHz 和 2.4 GHz ISM 频段中 捕获信号。 FFT 分析仪相比,还节省了时间,因为传统扫频分析 仪或窄带 FFT 分析仪需要大量的时间 ( 扫描时间 ) 来 捕获与宽频宽相关的频率范围。 12 cn.tek.com 混合域示波器:工作原理 图 14. 生成 RF 时域数据。 MDO4000 系列中的 RF 域触发 MDO4000 系列基于示波器的采集系统还提供了固有 的触发采集系统。数据在一个邻近时域记录中采集。 然后这个记录数字下变频到所需的频宽,然后经过 DFT,转换到频域。结果,一次采集显示的整套频域 数据都是一致的,因为它来自相同的触发数据记录。 在 MDO4000 系列中生成 RF 时域数 据 MDO4000 系列还使用来自数字下变频的 I 和 Q 数据, 生成 RF 时域轨迹。在数字下变频之后,IQ 数据是 RF 信号的笛卡尔表示。因此,IQ 数据可以变换成幅度、 相位和频率信息,如图 14 所示。 可以在时域格线图中,与其他时域轨迹一起绘制得到 的 RF 时域数据,如图 15 所示。所有时域数据(包括 RF 轨迹),模拟通道、数字通道和频谱分析仪通道 在格线中都在时间上对准,用户可以评估这些不同通 道之间的定时关系。 图 15. 处理 I 和 Q 数据使得 MDO4000 系列能够与模拟波形 和数字波形一起绘制 RF 幅度、相位和频率。在本例中,SPI 包激活压控振荡器。可以清楚地看到 RF 幅度 ( 顶部橙色 )、 控制信号 ( 黄色 ) 和总线活动 ( 紫色 )。 cn.tek.com 13 技术简介 总结 MDO3000 和 MDO4000 系列都可以方便地在一个集 成平台中实现多台仪器的功能。MDO4000 系列能够 在一个同步视图中同时显示时域和频域,特别适合进 行 EMI 调试和集成无线收发机。尽管采用示波器技术 构建高保真度频谱分析仪大大突破了传统,但有许多 技术可以有效实现这一目标,具体包括: ●● 使用专用频谱分析仪输入,改善保真度 ●● 使用数字下变频器和 DFT 技术,利用工艺增益改 善灵敏度 ●● 使用抖动改善 SFDR ●● 改善屏蔽 通过使用这些技术,MDO 实现了进行频谱测量所需 的保真度,同时保留了集成示波器提供的优势,具体 包括: ●● 在任何中心频率上实现了至少 1 GHz 的宽捕获带 宽,某些情况下实现了高达 3.75 GHz 的带宽 ●● 成本和空间优势,共享一个机箱、显示器、接口、 电源等 ●● 一台集成仪器的方便性 ●● 在 MDO4000 系列上 - 模拟通道和数字通道实现了时间相关 - 能够查看频谱分析仪提供的典型零频宽之外的 RF 时域数据 如果想更深入地了解 MDO 的功能和结构,特别是 MDO4000C 系列,请参阅“MDO4000C 系列混合 域示波器基础知识”,网址:cn.tektronix.com/ mdo4000 14 cn.tek.com 泰克官方微信 如需所有最新配套资料 , 请立即与泰克本地代表联系 ! 或登录泰克公司中文网站 : cn.tek.com 泰克中国客户服务中心全国热线 : 400-820-5835 CN.TEK.COM 为您提供更多宝贵资源。 © 泰克科技公司版权所有,侵权必究。泰克产品受到已经签发及正在申请的美国专利和国外专利保护。本文中的信息代替所有以前出版的材料中的信息。技术数据和价 格如有变更,恕不另行通告。TEKTRONIX 和泰克徽标是泰克公司的注册商标。本文提到的所有其他商号均为各自公司的服务标志、商标或注册商标。 05.16 EA 48C-60187-2

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