示波器與頻譜儀的頻域分析性能指標(biāo)對(duì)比

作者：歐文豪 wenhao_ou@sohu.com，西南電子電信技術(shù)研究所

ScopeArt按語：

本文從實(shí)時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和功率測(cè)量準(zhǔn)確度四個(gè)方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)的區(qū)別。文中作者通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)R&S示波器測(cè)量某個(gè)頻率點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果和頻譜儀相比只相差了0.2dB，這意味著R&S示波器在相當(dāng)程度上已經(jīng)可以替代頻譜儀。 R&S示波器的頻域分析因?yàn)椴捎昧祟l譜儀的數(shù)字下變頻（DDC）的算法，從原理上解決了頻率分辨率受限于分析時(shí)間（捕獲時(shí)間）的問題。而且R&S示波器的底噪可以小到-100dBm，這是令人驚異的指標(biāo)。

示波器與頻譜儀經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，分別在時(shí)域分析和頻域分析上的性能都得到了較大的提升。而隨著AD、存儲(chǔ)、計(jì)算能力的提升，示波器的頻域分析性能也提升較快，已經(jīng)能夠進(jìn)行基本的頻域分析，那么到底該如何選擇儀器進(jìn)行頻域分析呢？本文通過對(duì)示波器和頻譜儀頻域分析性能的幾個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行比較分析，以期讀者在選擇頻域測(cè)量?jī)x器時(shí)提供一些幫助。

1 實(shí)時(shí)帶寬

對(duì)于示波器來說，帶寬通常是其測(cè)量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的實(shí)時(shí)帶寬作為討論對(duì)象。

對(duì)于頻譜儀來說，末級(jí)模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘?hào)分析的實(shí)時(shí)帶寬，大多數(shù)的頻譜分析的實(shí)時(shí)帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實(shí)時(shí)帶寬通常為幾十兆赫茲，當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達(dá)到500兆赫茲。而示波器的實(shí)時(shí)帶寬為其實(shí)時(shí)取樣的有效模擬帶寬，一般為數(shù)百兆赫茲，高的可達(dá)數(shù)千兆赫茲。

這里需要指出的是，大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬可能并不一致，在垂直刻度設(shè)置到最靈敏時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬通常會(huì)下降。

從實(shí)時(shí)帶寬來說，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對(duì)于某些超寬帶信號(hào)分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動(dòng)態(tài)范圍被描述為儀器測(cè)量最大信號(hào)和最小信號(hào)的電平差值。當(dāng)改變測(cè)量設(shè)置時(shí)，儀器測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測(cè)量大信號(hào)所帶來的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時(shí)測(cè)量大小信號(hào)的能力，即在不改變?nèi)魏螠y(cè)量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)于頻譜儀來說，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動(dòng)態(tài)范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，其理想動(dòng)態(tài)范圍約為90dB（受二階失真限制）。

大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制，傳統(tǒng)示波器的理想動(dòng)態(tài)范圍通常不超過50dB。(對(duì)于R&S RTO示波器,在100KHz RBW時(shí),其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)86dB)

從動(dòng)態(tài)范圍來看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對(duì)于常在信號(hào)的頻譜分析來說確實(shí)如此，然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù)，頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù)，因而對(duì)于瞬變信號(hào)來說，頻譜儀可能無法測(cè)量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(hào)（信號(hào)滿足動(dòng)態(tài)范圍的情況下）的概率要大得多。

3 靈敏度

這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測(cè)試到最小信號(hào)的水平。這個(gè)指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。

對(duì)于示波器而言，示波器在Y軸設(shè)置至最靈敏檔時(shí)，通常為1mV/div時(shí)示波器所能測(cè)試到最小信號(hào)，拋開端口不匹配等因素來看，示波器的信號(hào)通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩(wěn)定帶來的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

從圖一中我們可以看出，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)的增加，頻譜噪聲底可以下降到比較理想的程度。然而，當(dāng)在時(shí)域已經(jīng)無法清晰準(zhǔn)確的再現(xiàn)信號(hào)時(shí)，在頻域就產(chǎn)生了非常多的雜波，這就限制了我們觀測(cè)小信號(hào)的能力。

圖1 受噪聲影響的的靈敏度限制

大多數(shù)示波器與圖一所示一樣，能夠穩(wěn)定測(cè)量0.2mV的信號(hào)，對(duì)應(yīng)到頻域，這相當(dāng)于-60dBm的水平。事實(shí)上，示波器能否準(zhǔn)確的測(cè)量小信號(hào)，不僅與垂直系統(tǒng)的靈敏度有關(guān)，還與X軸的抖動(dòng)、觸發(fā)靈敏度等性能有關(guān)。

筆者為了對(duì)比文中所分析的技術(shù)指標(biāo)，特地到R&S公司成都的開放實(shí)驗(yàn)室（感謝成都分部提供的幫助）進(jìn)行了指標(biāo)對(duì)比，讓人驚訝的是，RTO示波器在靈敏度指標(biāo)上非常優(yōu)秀，如下圖所示：

圖2 RTO示波器的全頻段頻譜圖

從圖二可以看出，RTO能夠準(zhǔn)確測(cè)量-60dBm的信號(hào)，其噪聲底在-80dBm左右。而最讓人感到高興的是，在整個(gè)頻段（DC-4GHz），沒有發(fā)現(xiàn)能夠影響靈敏度的大的雜波，從而大幅提高了測(cè)量靈敏度。

在沒有雜波的情況下，通過增加取樣點(diǎn)數(shù)可以得到更低的噪聲。例如圖3所示，將Span和RBW設(shè)置得更小的情況下，RTO示波器的底噪聲可以降低至-100dBm以下。

圖3 RTO示波器的窄帶頻譜圖

從這點(diǎn)來說，RTO絕對(duì)能夠讓測(cè)量人員改變“示波器是頻域分析雞肋”的感受。

對(duì)于頻譜儀來說，同樣拋開端口不匹配等因素來討論，頻譜儀的在增益最大、衰減器設(shè)置最小情況下，平均噪聲電平可以看作頻譜儀測(cè)量小信號(hào)的極限。在不涉及前置放大器的情況下，大多數(shù)性能良好的頻譜儀可以達(dá)到-150dBm。

4 功率測(cè)量準(zhǔn)確度

對(duì)于頻域分析來說，功率測(cè)量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無論是示波器還是頻譜儀，對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

對(duì)于示波器來說，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

對(duì)于頻譜儀來說，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉(zhuǎn)換誤差、頻率響應(yīng)、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

此處我們不對(duì)影響量進(jìn)行逐一分析比較，我們通過對(duì)1GHz頻率信號(hào)的進(jìn)行功率測(cè)量來對(duì)比，通過RTO示波器和FSW頻譜儀的測(cè)量對(duì)比可以看出，在1GHz處，示波器與頻譜儀的功率測(cè)量值僅相差0.2dB左右，這是非常好的測(cè)量準(zhǔn)確度指標(biāo)。因?yàn)轭l譜儀在1GHz處的測(cè)量準(zhǔn)確度是非常好的。

另外，在頻率范圍內(nèi)，示波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)也是很好的，4GHz范圍內(nèi)不超過0.5dB，從這點(diǎn)來說，示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。

總的來說，示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長，頻譜儀在靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上更勝一籌，示波器在實(shí)時(shí)帶寬上較頻譜儀更為出色。在測(cè)量不同類型的信號(hào)時(shí)，可根據(jù)測(cè)試需求和儀器的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。