在射頻 (RF) 行業(yè)中通常認(rèn)為，信號(hào)分析儀是進(jìn)行無線發(fā)射機(jī) (Tx) 測量的首選工具。

但是，這里有一個(gè)問題。

許多正在開發(fā)的新毫米波 (mmWave) 技術(shù)的工作帶寬超出了信號(hào)分析儀可以直接測量的帶寬。新興的 MIMO（多路輸入/多路輸出）技術(shù)也需要進(jìn)行相位相干的多通道分析。這意味著測試設(shè)備的使用策略需要改變。示波器勢必會(huì)加入其中，成為必不可少的射頻測試工具，這一轉(zhuǎn)變將給全球的射頻工程師都帶來巨大影響。

為了測試新興的無線毫米波技術(shù)，您的臺(tái)式設(shè)備需要具備三大特性：

• 高輸入頻率范圍和寬分析帶寬，能夠捕獲和分析信號(hào)

• 出色的信號(hào)完整性技術(shù)指標(biāo)，如誤差矢量幅度(EVM) 和無雜散動(dòng)態(tài)范圍

• 多個(gè)通道在時(shí)間上緊密相關(guān)，能夠支持 MIMO 系統(tǒng)

新一代示波器平臺(tái)如何與信號(hào)分析儀相輔相成，滿足這些測試需求？我們下面來深入研究一下這三個(gè)方面，找出問題的答案。

圖 1. 使用示波器捕獲 5G NR 信號(hào)

寬帶測量是否真有必要？

美國聯(lián)邦通信委員會(huì)最近 宣布開放100 GHz以上頻譜，而業(yè)內(nèi)也在競相開發(fā)更高 頻率的技術(shù)。使用極高頻率的新興技術(shù)包括

? 某些 5G 新空口 (NR) 頻段(> 24 GHz, > 50 GHz)

? 部分車載雷達(dá)系統(tǒng) (> 70 GHz)

? 802.11ad 和 802.11ay(50 – 70 GHz)

? 衛(wèi)星通信 (> 70 GHz)

? 6G 開發(fā) (> 100 GHz)

為了測試這些新技術(shù)，您的設(shè)備必須能夠采集和分析 它們的信號(hào)。毫無疑問， 您需要高頻測量儀器和測試方法。

高頻和寬分析帶寬測量

早先的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的工作帶寬通常比較窄。如今分析 2 GHz 以上調(diào)制帶寬的需求將變得司空見慣，對分析 10 – 20 GHz 帶寬的需求也在增長。以 5G NR 和 WiGig 等新一代

發(fā)射機(jī)測試為例：

• 5G 測試需要大約 5 GHz 的分析帶寬。

• 802.11 ad 和 802.11 ay 的信道帶寬分別為 2.16 GHz 和 4.32 GHz， 另外還有6.48 GHz 和 8.64 GHz 的帶寬待定。

要對其進(jìn)行測量，通常采用的是信號(hào)分析儀，其分析帶寬一般不超過 1 GHz。為了測試這類技術(shù)，設(shè)計(jì)人員和測試人員需要采用極其復(fù)雜的信號(hào)分析儀設(shè)置，包括使用混頻器、下變頻和復(fù)雜的探測連接等。為了提高測量精度，降低設(shè)置復(fù)雜性，幫助設(shè)計(jì)進(jìn)度如期進(jìn)展，我們需要考慮其他毫米波測量系統(tǒng)。

分析帶寬和頻率范圍

在進(jìn)行高頻寬帶測量時(shí)，首先要考慮的技術(shù)指標(biāo)是儀器的帶寬，包括分析帶寬和頻率范圍。分析帶寬是指儀器在單次采集中可以分析的頻率范圍有多寬。頻率范圍指的是給定儀器可用輸入頻率的總范圍。下面，我們來回顧一下示波器的發(fā)展歷程，了解它們?nèi)绾螏椭漕l設(shè)計(jì)人員深入了解自己的設(shè)計(jì)。

圖 2. 顯示 PAM4 信號(hào)的 Keysight UXR 系列示波器

示波器與信號(hào)分析儀的分析帶寬對比

當(dāng)今的示波器既有 50 MHz 的低端型號(hào)，也有 110 GHz 的高端型號(hào)。它們都提供實(shí)時(shí)分析帶寬，這意味著它們能夠執(zhí)行從直流到其本身帶寬的測量。相比之下，信號(hào)分析儀可以進(jìn)行從幾 Hz 到 110 GHz 的頻率分析。當(dāng)今的射頻信號(hào)分析儀通常具有 25 MHz 至 2 GHz 的測量帶寬。為了突破這些限制，信號(hào)分析儀通常使用下變頻器和外部器件，但其分析帶寬最大也只能達(dá)到約 5 GHz 左右。增加器件和電纜還有一個(gè)缺點(diǎn)，即設(shè)置時(shí)間比較長，而且夾具的使用變得更復(fù)雜，這會(huì)從本質(zhì)上影響信號(hào)的完整性。參見圖 3 中的 EVM 測量結(jié)果。

信號(hào)分析儀是最常用的射頻測試工具，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟哳l下進(jìn)行低噪聲測量。它們能夠測量非常高的頻率范圍，而價(jià)格又不貴。

高端示波器的輸入頻率范圍與信號(hào)分析儀不相上下，但價(jià)格通常要貴得多。對于某些頻率范圍的測量來說，示波器的成本要比信號(hào)分析儀高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

但是，許多信號(hào)分析儀的分析帶寬通常不超過 1 GHz，無法覆蓋新興毫米波技術(shù)所使用的頻率。

示波器與信號(hào)分析儀的噪聲和功能對比

理論上來講，示波器在大部分場合下可以代替信號(hào)分析儀，但是信號(hào)分析儀也有一些獨(dú)具優(yōu)勢的特長。對于較低輸入頻率和較窄帶寬的測量而言，成本是一個(gè)重要的因素。但是， 隨著帶寬和頻率的升高，成本的影響不再突出。

信號(hào)分析儀還配有專用的射頻測試套件，讓大多數(shù)技術(shù)的驗(yàn)證和調(diào)試變得簡單。示波器以往主要用于 DDR、PCI Express 和 USB 高速數(shù)字測量、調(diào)試和一致性測試應(yīng)用。

圖 3. 使用 VSA 和 Keysight UXR 系列示波器捕獲 28 GHz 5G NR 信號(hào)（注意，EVM 僅為 0.64%）

并不是每一款示波器都能做到這一切。傳統(tǒng)的一些高端示波器具有足夠的頻率范圍，能夠?qū)π屡d技術(shù)進(jìn)行測試，但是它們通常需要在設(shè)計(jì)上做出一些權(quán)衡，因而并不適合在毫米波帶寬下進(jìn)行射頻測試。

例如，很多高帶寬示波器中使用的傳統(tǒng)交織采樣技術(shù)會(huì)給射頻測量帶來極大噪聲。這樣您會(huì)失去直接進(jìn)行數(shù)字化時(shí)噪聲較小的優(yōu)勢。

因此，您最好是選擇具有適當(dāng)噪聲性能和信號(hào)完整性的示波器來進(jìn)行射頻測量。如果您想了解這些示波器做出了哪些設(shè)計(jì)權(quán)衡，它們對毫米波測量的影響以及解決這些問題的方法， 請接著閱讀下面的內(nèi)容。您也可以跳到“多通道和 MIMO 測量”部分，了解信號(hào)分析儀和示波器在進(jìn)行多通道測量時(shí)的區(qū)別。

極高示波器帶寬的隱性成本

部分示波器制造商聲稱其高端示波器的帶寬可達(dá)到 70 GHz 和 100 GHz，但他們實(shí)際上是利用混頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)如此高的帶寬。

數(shù)字帶寬交織采樣

一家廠商使用了數(shù)字帶寬交織采樣 (DBI) 技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)最早是在 2000 年代中期在實(shí)時(shí)示波器上使用。DBI 是一種混合濾波器組，示波器制造商采用這種方式實(shí)現(xiàn)對頻率的交織采樣。交織采樣技術(shù)的優(yōu)勢在于，示波器的前置放大器不需要具備完整帶寬。因此， 您可以更容易地找到足夠快的晶體管技術(shù)來實(shí)現(xiàn)極高帶寬。

例如， 假設(shè)有一個(gè)示波器， 其帶寬技術(shù)指標(biāo)為 60 GHz， 而其前置放大器的帶寬只有30 GHz。我們需要的晶體管技術(shù)只要接近 150 GHz 即可，這個(gè)速度相當(dāng)普通。

為了讓這個(gè)方案行得通，示波器引入了60 GHz 信號(hào)，并使用雙工器將其分成兩個(gè)單獨(dú)的 30 GHz 信號(hào)。這個(gè)步驟會(huì)得到一個(gè) 0 – 30 GHz（低帶寬）信號(hào)和一個(gè) 30 – 60 GHz （高帶寬）信號(hào)。對高帶寬信號(hào)進(jìn)行下變頻，使兩個(gè)信號(hào)都成功通過 30 GHz 示波器的前端。接下來對信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化、上變頻并重新組合，形成一個(gè) 60 GHz 的信號(hào)。

上變頻和重新組合會(huì)給整個(gè)信號(hào)帶來很大的噪聲。這意味著從技術(shù)上講您可以實(shí)現(xiàn)

60 GHz 帶寬，但代價(jià)是噪聲大幅增加（見圖 4）。

圖 4. 過去示波器實(shí)現(xiàn) 30 GHz 以上帶寬的典型方法

DSP 增強(qiáng)

實(shí)現(xiàn)極高帶寬的另一個(gè)方法是 DSP 增強(qiáng)，這個(gè)方法采用了數(shù)字濾波器，能夠使示波器的高頻分量達(dá)到峰值，將其帶寬提高多達(dá) 20%。其優(yōu)點(diǎn)是您可以得到更寬的帶寬，但缺點(diǎn)是關(guān)鍵的信號(hào)完整性會(huì)有一點(diǎn)損失。DSP 增強(qiáng)會(huì)給測量注入噪聲。噪聲增加帶來的問題是， 當(dāng)今的新興技術(shù)非常敏感，這種注入噪聲會(huì)使得采用 DSP 增強(qiáng)的示波器不適合毫米波測量。

避免采用交織采樣方案

要在噪聲方面做出權(quán)衡，最直接的辦法就是為示波器配備全帶寬前置放大器和采樣器。然而， 具有極高帶寬的部件目前還很稀少。市面上目前只有一款高端全帶寬前置放大器和采樣器， 這就是 Keysight UXR 系列示波器中專有的磷化銦 ASIC。在不采取 DSP 增強(qiáng)、交織采樣或其他帶寬改進(jìn)方案的情況下，它的帶寬可以達(dá)到 110 GHz（圖 5）。

圖 5. 是德科技的 UXR 示波器如何實(shí)現(xiàn) 110 GHz 帶寬

示波器與信號(hào)分析儀的信號(hào)完整性對比

在進(jìn)行高頻射頻測量時(shí)，通常最好是使用信號(hào)分析儀。在射頻相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)方面，例如EVM、無雜散動(dòng)態(tài)范圍、顯示的平均噪聲電平 (DANL) 和有效位數(shù)，信號(hào)分析儀均表現(xiàn)出色。

但問題是，在傳統(tǒng)的射頻技術(shù)指標(biāo)上，示波器能否匹敵甚至勝過信號(hào)分析儀？答案令人大吃一驚，是的，它們可以。

設(shè)計(jì)人員持續(xù)提升示波器的帶寬，最終達(dá)到了以前只有信號(hào)分析儀才能觸及的頻率。

有鑒于此，示波器設(shè)計(jì)人員開始在設(shè)計(jì)中更謹(jǐn)慎地考慮射頻相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。

例如，圖 6 和圖 7 顯示了兩代示波器的噪聲密度圖。圖 6 是舊型號(hào)的，圖 7 是新型號(hào)的。如果仔細(xì)觀察這兩個(gè)圖，您會(huì)發(fā)現(xiàn)新款示波器的噪聲密度比舊款示波器高 8 dB/Hz 以上。

圖 6. 采用頻率交織采樣技術(shù)的 8 位是德科技示波器的噪聲密度圖

圖 7. 配有 10 位 ADC 且不使用頻率交織采樣的 Keysight UXR 系列示波器的噪聲密度圖

示波器與信號(hào)分析儀的射頻相關(guān)技術(shù)指標(biāo)對比

從各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來看，示波器與信號(hào)分析儀相比孰高孰低？我們來比較一下兩款旗艦測試設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)：Keysight UXA X 系列信號(hào)分析儀和 Keysight Infiniium UXR 系列示波器（表 1）。

表 1. 性能技術(shù)指標(biāo)——Keysight UXR 系列示波器與 Keysight UXA 系列信號(hào)分析儀* 此表中所有測得的技術(shù)指標(biāo)均為是德科技研發(fā)部門實(shí)測得出，不是保證的技術(shù)指標(biāo)。

** 配有毫米波擴(kuò)展選件和 VSA 的 110 GHz UXR

如表 1 所示，在信號(hào)分析儀通常占優(yōu)勢的技術(shù)指標(biāo)上，示波器也占據(jù)了一席之地。盡管信號(hào)分析儀在許多領(lǐng)域仍保持領(lǐng)先，但是在某些技術(shù)指標(biāo)上，示波器更勝一籌，并且在其他技術(shù)指標(biāo)上也表現(xiàn)不凡。

僅憑這樣的技術(shù)指標(biāo)，示波器便可躋身射頻測試工具之列。

多通道和 MIMO 測量

無線運(yùn)營商開始開發(fā)和建設(shè) 5G 基礎(chǔ)設(shè)施，他們希望采用更小、更密集的小區(qū)來實(shí)現(xiàn) 5G 速度。這些小區(qū)借助 MIMO 和波束賦形（圖 8 和圖 9）等技術(shù)，將數(shù)據(jù)無縫推送給客戶，不會(huì)造成中斷。未來，信道密度可能會(huì)達(dá)到 64 個(gè)信道。為了測量這些類型的系統(tǒng)，測試設(shè)備必須具有時(shí)間精確同步的多通道功能，如果只有單個(gè)通道，則必須使用復(fù)雜的測試方案。

圖 8. 相控陣的基本工作原理

圖 9. 50 單元線性陣列傳播的二維時(shí)域雙工仿真。單獨(dú)的波束被導(dǎo)向目標(biāo)用戶設(shè)備 (UE)，零點(diǎn)對準(zhǔn)干擾源。

示波器與信號(hào)分析儀的多通道測量對比

為了進(jìn)行正確的 MIMO 發(fā)射機(jī)測試，您需要一次性測量多個(gè)通道，并且必須保持精確的時(shí)間同步。使用信號(hào)分析儀進(jìn)行測量時(shí)，您通常必須在每個(gè)通道上使用一臺(tái)分析儀并使它們保持時(shí)間關(guān)聯(lián)。這一方法的成本很快就會(huì)變得非常高昂，但它是進(jìn)行此類毫米波測量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

最新的技術(shù)進(jìn)步使得多通道分析成為可能， 它可以提供多達(dá)四個(gè)相位相干的分析通道， 是進(jìn)行真正多通道分析的理想選擇。

示波器通常有兩個(gè)或四個(gè)通道，并且通道之間也具有出色的相位相干性。示波器的時(shí)基使其能夠捕獲相位緊密鎖定的信號(hào)。例如，Keysight UXR 系列示波器的信道間抖動(dòng)為 20 fs。它可以與其他 UXR 結(jié)合使用，使示波器內(nèi)部抖動(dòng)降低到 50 fs 以下。

圖 10. 印制電路板的兩面，從中可見 28 GHz RFIC 與天線陣列高度集成。圖片由加州大學(xué)圣迭戈

從現(xiàn)代示波器的帶寬、輸入頻率、信號(hào)完整性、相位相干性和多通道功能等方面來評判， 它們的確足以擔(dān)當(dāng)毫米波測試工具。

示波器與信號(hào)分析儀：成本

110 GHz 示波器的成本可能超過 100 萬美元，而且這還是雙通道示波器的價(jià)格。如果是四通道示波器，其成本動(dòng)輒超過 150 萬美元。擁有同檔次技術(shù)指標(biāo)的信號(hào)分析儀的價(jià)格要便宜得多，因此仍然是首選的發(fā)射測試工具。

然而，它們的優(yōu)勢還不止于此。

示波器制造商在逐漸改變示波器的核心功能。他們不再追求從直流到高頻全覆蓋，而是致力開發(fā)新的濾波功能，使示波器能夠在 0 Hz 至 110 GHz 范圍內(nèi)捕獲用戶定義的頻率。這樣， 示波器就可以濾除廣譜噪聲，其功能特性與信號(hào)分析儀更接近。這也意味著您不必為了測量高頻信號(hào)而購買昂貴的 110 GHz 示波器。

舉例來說，您可以購買一臺(tái) 25 GHz UXR 示波器，其價(jià)格不到 110 GHz 示波器的四分之一， 但可以進(jìn)行高達(dá) 110 GHz 的射頻分析。借助 UXR 系列的毫米波擴(kuò)展選件，您可以在 25 GHz 示波器上獲得用戶定義的 5 GHz 或 10 GHz 分析帶寬，能夠?qū)?1 GHz 至 110 GHz 輸入頻率進(jìn)行分析。

這樣不僅將該示波器的價(jià)格降低到同類示波器產(chǎn)品的三分之一，還讓它們的功能達(dá)到同類信號(hào)分析儀的水平。您同時(shí)擁有了一臺(tái) 25 GHz 示波器和一款能夠測試毫米波頻率的射頻工具。由于新一代無線芯片兼具數(shù)字輸入和射頻輸入，因此，示波器的重要性更加凸顯。示波器可以對這些設(shè)計(jì)的時(shí)域和頻域輸入進(jìn)行同時(shí)測量。

圖 11. Keysight E7515B UXM 5G 無線測試平臺(tái)

毫米波頻率需要新的測試工具

對于許多技術(shù)而言，信號(hào)分析儀仍然是最好的射頻測試工具。出色的噪聲性能、專用測量應(yīng)用軟件以及成本優(yōu)勢，使信號(hào)分析儀在毫米波解決方案中優(yōu)勢明顯。掃頻信號(hào)分析儀仍然是很多工程師的首選工具，因?yàn)樗哂须s散搜索功能，且能夠進(jìn)行帶外測量（如鄰道功率和頻譜發(fā)射模板）和實(shí)時(shí)頻譜分析。

但是，對于高頻測量和新興的毫米波技術(shù)，示波器的作用就不容忽視了。示波器的寬廣帶寬、出色的信號(hào)完整性和相位相干性以及強(qiáng)大的多通道功能，使其成為獨(dú)具優(yōu)勢的毫米波測試工具。