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示波器能否在射频实验室中占据一席之地?

日期:2021-02-22 浏览次数:110
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   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。

  但是,这里有一个问题。

  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,您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?我们下面来深入研究一下这三个方面,找出问题的答案。

图 1. 使用示波器捕获 5G NR 信号

  宽带测量是否真有必要?

  美国联邦通信委员会最近 宣布开放100 GHz以上频谱,而业内也在竞相开发更高 频率的技术。使用极高频率的新兴技术包括

  • 某些 5G 新空口 (NR) 频段(> 24 GHz, > 50 GHz)

  • 部分车载雷达系统 (> 70 GHz)

  • 802.11ad 和 802.11ay(50 – 70 GHz)

  • 卫星通信 (> 70 GHz)

  • 6G 开发 (> 100 GHz)

  为了测试这些新技术,您的设备必须能够采集和分析 它们的信号。毫无疑问, 您需要高频测量仪器和测试方法。

  高频和宽分析带宽测量

  早先的无线技术标准的工作带宽通常比较窄。如今分析 2 GHz 以上调制带宽的需求将变得司空见惯,对分析 10 – 20 GHz 带宽的需求也在增长。以 5G NR 和 WiGig 等新一代

  发射机测试为例:

  5G 测试需要大约 5 GHz 的分析带宽。

  802.11 ad 和 802.11 ay 的信道带宽分别为 2.16 GHz 和 4.32 GHz, 另外还有6.48 GHz 和 8.64 GHz 的带宽待定。

  要对其进行测量,通常采用的是信号分析仪,其分析带宽一般不超过 1 GHz。为了测试这类技术,设计人员和测试人员需要采用极其复杂的信号分析仪设置,包括使用混频器、下变频和复杂的探测连接等。为了提高测量精度,降低设置复杂性,帮助设计进度如期进展,我们需要考虑其他毫米波测量系统。

  分析带宽和频率范围

  在进行高频宽带测量时候、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。频率范围是给定仪器可用输入频率的总范围。下面、我们来回顾一下示波器的发展历程、了解它们如何帮助射频设计人员深入了解自己的设计。

图 2. 显示 PAM4 信号的 Keysight UXR 系列示波器

  示波器与信号分析仪的分析带宽对比

  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 5 GHz 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。参见图 3 中的 EVM 测量结果。

  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也不贵。

  高端示波器的输入频率范围与信号分析仪不相上下、但价格通常要贵很多。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1GHz,无法覆盖新兴毫米波技术所使用的频率。

  示波器与信号分析仪的噪声和功能对比

  理论上来说、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。对于较低的输入频率和较窄带宽的测量而言、成本是一个非常重要的因素。但是、随着带宽和频率的升高、成本的影响不在突出。

  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。

图 3. 使用 VSA 和 Keysight UXR 系列示波器捕获 28 GHz 5G NR 信号(注意,EVM 仅为 0.64%)

  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、因此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。这样您会失去自己进行数字化时噪声较小的优势。

  因此、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。如果您想了解这些示波器做出了哪些设计的权重,它们对毫米波测量的影响以及解决这些问题的方法、请接着阅读下面的内容。您也可以跳到“多通道和MIMO 测量”部分、了解信号分析和示波器在进行多通道测量时的区别。

  极高示波器带宽的隐性陈本

  部分示波器制造商声称其高端示波器的带宽可达到70 GHz 和 100 GHz、但他们实际上是利用混频就是来实现如此高的带宽。

  数字带宽交织采样

  一家厂商使用了数字带宽交织采样(DBI) 技术、这项技术最早是在2000年代中期在实时示波器上使用。DBI是一种混合波滤其组、示波器制造商采用这种方式实现对频率的交织采样。交织采样技术的优势在于、示波器的前置放大器不需要具备完整带宽。因此、您可以更容易地找到足够快的晶体管技术来实现极高带宽。

  例如、假设有一个示波器、其带宽技术指标为 60 GHz, 而其前置放大器的带宽只有30 GHz。我们需要的晶体管技术只要接近 150 GHz 即可,这个速度相当普通。

  为了让这个方案行得通,示波器引入了60 GHz 信号,并使用双工器将其分成两个单独的 30 GHz 信号。这个步骤会得到一个 0 – 30 GHz(低带宽)信号和一个 30 – 60 GHz (高带宽)信号。对高带宽信号进行下变频,使两个信号都成功通过 30 GHz 示波器的前端。接下来对信号进行数字化、上变频并重新组合,形成一个 60 GHz 的信号。

  上变频和重新组合会给整个信号带来很大的噪声。这意味着从技术上讲您可以实现

  60 GHz 带宽,但代价是噪声大幅增加(见图 4)

图 4. 过去示波器实现 30 GHz 以上带宽的典型方法

  DSP 增强

  实现极高带宽的另一个方法是 DSP 增强,这个方法采用了数字滤波器,能够使示波器的高频分量达到峰值,将其带宽提高多达 20%。其优点是您可以得到更宽的带宽,但缺点是关键的信号完整性会有一点损失。DSP 增强会给测量注入噪声。噪声增加带来的问题是, 当今的新兴技术非常敏感,这种注入噪声会使得采用 DSP 增强的示波器不适合毫米波测量。

  避免采用交织采样方案

  要在噪声方面做出权衡,最直接的办法就是为示波器配备全带宽前置放大器和采样器。然而, 具有极高带宽的部件目前还很稀少。市面上目前只有一款高端全带宽前置放大器和采样器, 这就是 Keysight UXR 系列示波器中专有的磷化铟 ASIC。在不采取 DSP 增强、交织采样或其他带宽改进方案的情况下,它的带宽可以达到 110 GHz(图 5)。


图 5. 是德科技的 UXR 示波器如何实现 110 GHz 带宽

  示波器与信号分析仪的信号完整性对比

  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、最终带到了以前只有信号分析仪才能触及到的频率。

  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。

图 6. 采用频率交织采样技术的 8 位是德科技示波器的噪声密度图

  图 7. 配有 10 位 ADC 且不使用频率交织采样的 Keysight UXR 系列示波器的噪声密度图

  示波器与信号分析仪的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)。

  表 1. 性能技术指标——Keysight UXR 系列示波器与 Keysight UXA 系列信号分析仪* 此表中所有测得的技术指标均为是德科技研发部门实测得出,不是保证的技术指标。

  ** 配有毫米波扩展选件和 VSA 的 110 GHz UXR

  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。

  多通道和 MIMO 测量

  无线运营商开始开发和建设 5G 基础设施,他们希望采用更小、更密集的小区来实现 5G 速度。这些小区借助 MIMO 和波束赋形(图 8 和图 9)等技术,将数据无缝推送给客户,不会造成中断。未来,信道密度可能会达到 64 个信道。为了测量这些类型的系统,测试设备必须具有时间精确同步的多通道功能,如果只有单个通道,则必须使用复杂的测试方案。

图 8. 相控阵的基本工作原理

图 9. 50 单元线性阵列传播的二维时域双工仿真。单独的波束被导向目标用户设备 (UE),零点对准干扰源。

  示波器与信号分析仪的多通道测量对比

  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。

图 10. 印制电路板的两面,从中可见 28 GHz RFIC 与天线阵列高度集成。图片由加州大学圣迭戈

  从现代示波器的带宽、输入频率、信号完整性、相应相干和多通道功能等方面来评判、它们的确足以担当毫米波测试工具。

  示波器与信号分析仪;成本

  110 GHz 示波器的成本可能超过 100 万美元,而且这还是双通道示波器的价格。如果是四通道示波器,其成本动辄超过 150 万美元。拥有同档次技术指标的信号分析仪的价格要便宜得多,因此仍然是首选的发射测试工具。

  然而,它们的优势还不止于此。

  示波器制造商在逐渐改变示波器的核心功能。他们不再追求从直流到高频全覆盖,而是致力开发新的滤波功能,使示波器能够在 0 Hz 至 110 GHz 范围内捕获用户定义的频率。这样, 示波器就可以滤除广谱噪声,其功能特性与信号分析仪更接近。这也意味着您不必为了测量高频信号而购买昂贵的 110 GHz 示波器。

  举例来说,您可以购买一台 25 GHz UXR 示波器,其价格不到 110 GHz 示波器的四分之一, 但可以进行高达 110 GHz 的射频分析。借助 UXR 系列的毫米波扩展选件,您可以在 25 GHz 示波器上获得用户定义的 5 GHz 或 10 GHz 分析带宽,能够对 1 GHz 至 110 GHz 输入频率进行分析。

  这些不仅将该示波器的价格降低到同类波器产品的三分之一、还让它们的功能达到同类信号分析仪的水平。您同时拥有了一台25 GHz示波器和一款够测试毫米波频率的射频工具。由于新一代无线芯片兼具数字输入和射频输入、因此、示波器的重要性更加凸显。示波器可以对这些设计的时域和频域输入进行同时测量。

  图 11. Keysight E7515B UXM 5G 无线测试平台

  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、一次它具有杂散搜索功能、且能够进行带外测量(如领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应相干性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。

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