作為傳統的基礎型測試儀器的代表,示波器技術也一直在不斷突破創新,與時俱進。在射頻分析方面,示波器也擁有自己的一套方法論。
基于示波器的射頻分析方法
1、空前的寬帶分析能力
現代高端示波器集成了高速A/D轉換器,覆蓋到了頻譜分析儀最近才可測量的頻率范圍。與高帶寬模擬前端相結合,這些示波器架構可以直接對高頻信號進行采樣,而無需模擬下變頻。
這種方法極大地提升了分析帶寬范圍。舉例來說,使用具有16 GHz帶寬的羅德與施瓦茨(以下簡稱“R&S”公司)的RTP高性能示波器,假設中心頻率為 8 GHz,將可采集最高16 GHz帶寬的射頻信號,這是傳統頻譜與信號分析儀無法達到的分析帶寬。
2、用戶定義的數字濾波器
在采集窄帶信號時,高分析帶寬可能還會面臨若干挑戰。比如,我們要在中心頻率2.4 GHz處采集帶寬為2 MHz 的 Bluetooth®低功耗信號。使用RTP當然可以輕松采集信號 (如上所述),但如果不應用濾波器,除了關注的信號之外,還將采集到示波器帶寬內從直流到最大頻率的所有可能的干擾,這會在關注 Bluetooth®低功耗信號時造成噪聲電平不必要地增加。為避免這種情況,R&S高端示波器為用戶提供他們首選的濾波器設計工具來設計數字濾波器,并將濾波器系數導入儀器,這樣便可針對所關注的信號設置分析窗口。
3、引入數字下變頻
應用適當的數字濾波器可以提高信噪比(SNR),但此時還需要考慮,對于這種窄帶信號,可實現的捕獲時間是否仍有提升空間。即使我們將采樣率降至剛好符合奈奎斯特定理的要求,執行上述操作時的最大捕獲時間也仍小于1秒。
R&S先為其高端示波器引入數字下變頻解決方案。 功能強大的選件能夠采取適當的步驟對信號進行下變頻,并存儲轉換后的I/Q數據以供進一步分析,支持 VSE矢量信號分析軟件或MATLAB®等第三方工具。在我們的Bluetooth®低功耗場景中,應用數字下變頻后的捕獲時間約為500秒。
4、先進的觸發系統
示波器通常配備比頻譜與信號分析儀更加先進的觸發系統,能夠非常準確地檢測短時、間歇、突發或脈沖信號,尤其是對于需要精確檢測脈沖/chirp信號起始頻率。
R&S示波器的特點之一在于搭載全數字觸發系統,可直接對A/D轉換器的采樣點進行操作。測量信號不會像傳統模擬觸發器那樣兵分兩路,解決了與模擬觸發系統相關的問題,因而觸發抖動更低,觸發靈敏度更高,還可根據實際需要進行優化。
如下圖顯示了采用傳統模擬觸發器和采用R&S數字觸發系統的示波器架構之間存在的差異。
示波器架構簡圖
相位相干多信道采集
在眾多無線應用中,多天線設計日益受到重視。以雷達應用為例,雷達系統的一個常見要求是確定周圍物體的方向。針對這一用途,多天線系統成為最先進的技術,可基于多個接收路徑之間的相位差來估計物體的到達角 (AoA)。
為表征這些類型的系統,測試設備必須具備多信道功能,并確保所有信道始終保持相位相干。示波器非常適合這種場景,它們通常提供多個信道,在設計上嚴格對準,并且不需要任何額外的增強功能 (例如時基和LO共享) 即可執行相位相干測量,這與頻譜分析儀類似。因此,在多天線系統設計測試中,示波器是一種經濟高效且易于使用的解決方案。
RTP的分析帶寬最高為16 GHz,可以覆蓋整個 X波段和大部分Ku波段。在這些頻率范圍內,無需使用任何外部下變頻器即可實現多信道采集。這在雷達和電子戰 (EW)應用中尤其有價值,最突出的一個實例是數字射頻存儲器 (DRFM) 干擾技術,其中干擾器能夠接收原始雷達信號,同時生成用于代表虛假目標的虛假雷達回波,而發射雷達無法將該信號與其他合法信號區分開來。
使用RTP板載工具分析與原始脈沖相關的重發回波。可在時域和頻域中追蹤隨時間的變化。