谐波失真 (Harmonic Distortion)
谐波失真也是衡量测量信号保真度的一个重要指标。对于示波器来说,为了保证高的采样率,其 ADC的位数(8bit或者10bit)相对于频谱仪里使用的14 bit ADC有较大差异,其谐波失真主要来源于ADC的量化噪声造成的信号失真,典型的是2次和3次谐波失真,通常3次谐波的能量更大,这点和频谱仪里由于混频器造成 2 次谐波失真来源不太一样。
在上面的测试结果中,其2次谐波失真约为-65 dBc,比一般的频谱仪差一些。而其3次谐波失真约为-49dBc,比起一般的频谱仪就差远了。因此如果用户关心谐波失真指标,比如在放大器的非线性测试中,使用示波器并不是一个好的选择。
不过好在谐波造成的失真通常在带外,通过简单的数学滤波处理很容易把谐波滤除掉。所以在有些宽带信号解调的应用中,由于测量算法在解调过程中会加入数学滤波器,谐波失真对于最终的解调结果影响并不是很大。
绝对幅度精度 (Absolute amplitude accuracy)
绝对幅度精度会影响到示波器对某个频点载波做功率测量时的准确度。对于示波器来说,绝对幅度精度指标=DC幅度测量精度+幅频响应。因此需要两部分分别分析。DC幅度测量精度就是示波器里标称的双光标测量精度,又由DC增益误差和垂直分辨率两部分构成,而分辨率与使用的ADC的位数有关,如果是10bit的ADC就相当于满量程的1/1024。由此计算得出实时示波器的DC幅度精度大约在±0.2dB左右。
相位噪声 (Phase Noise)
测量仪器的相位噪声 (Phase Noise) 反映了测试一个纯净正弦波时的近端低频噪声的大小,在雷达等应用中会影响到对于慢目标识别时的多普率频移的分辨能力。相位噪声的频域积分就是时域的抖动。对于示波器来说,相位噪声太差或者抖动太大会造成对于射频信号采样时产生额外的噪声从而恶化有效位数。
传统的示波器不太注重采样时钟的抖动或者相位噪声,但随着示波器的采样率越来越高,以及为了提高射频测试的性能,现代的数字示波器如Keysight 公司的 S、V、Z 等系列示波器都对时钟电路进行了优化,甚至采用了经典的微波信号源如 E8267D里的时钟电路设计,使得示波器的相位噪声指标有了很大提升。如下图所示是S示波器在1GHz载波时的相位噪声曲线,测试中的RBW设置为750 Hz,在偏离中心载波100kHz处的噪声能量约为-92dBm,归一化到单位Hz能量约为-120dBc/Hz,这已经超过了市面上大多数中档频谱仪的相噪指标。而更高性能的 V 系列示波器的相位噪声指标则可以做到约-130dBc/Hz@100 KHz offset,这已经超过了市面上大部分中高档频谱仪的相应指标。
四、总结
从前面的介绍可以看出,现代的高性能的实时示波器除了受ADC位数的限制造成谐波失真指标明显较差以外,其无杂散动态范围可以和中等档次的频谱仪相当,而底噪声、带内平坦度、绝对幅度精度、相位噪声等指标已经可以做到和中高档频谱仪类似。
而且,为了满足射频测试的要求,现代的高性能示波器里除了传统的时域指标以外,也开始标注射频指标以适应射频用户的使用习惯。下表就是Keysight公司V系列示波器里给出的典型的射频指标。
当然,由于工作原理的不同,实时示波器在做频域分析时还有一些局限性,比如在特别小RBW设置下(<1KHz时)由于需要采集大量数据做FFT运算,其波形更新速度会严重变慢,因此不适用于窄带信号的测量。
正是由于实时示波器明显的高带宽、多通道优势以及强大的时域测量能力,再加上改进了的射频性能指标,使得其在超宽带射频信号的测量、时频域综合分析以及多通道测量的领域开始发挥越来越重要的作用。