示波器底噪聲和帶寬的關(guān)系--示波器的射頻指標(biāo)連載（1）

時(shí)間：2018-06-26 17:50:13

關(guān)鍵字：射頻指標(biāo) 帶寬示波器底噪聲

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[導(dǎo)讀] 從前面介紹的一些示波器在射頻測(cè)試?yán)锏牡湫蛻?yīng)用可以看出：由于技術(shù)的發(fā)展，使得示波器高帶寬、多通道的優(yōu)勢(shì)非常適合于各種復(fù)雜的超寬帶應(yīng)用，同時(shí)其時(shí)域、頻域的綜合分析能力也提高了測(cè)量的直觀性。

從前面介紹的一些示波器在射頻測(cè)試?yán)锏牡湫蛻?yīng)用可以看出：由于技術(shù)的發(fā)展，使得示波器高帶寬、多通道的優(yōu)勢(shì)非常適合于各種復(fù)雜的超寬帶應(yīng)用，同時(shí)其時(shí)域、頻域的綜合分析能力也提高了測(cè)量的直觀性。

但是在使用示波器做射頻信號(hào)測(cè)試時(shí)，我們不能不對(duì)其精度和性能有一定的顧慮。因?yàn)閷?shí)時(shí)示波器雖然采樣率很高，但是由于普遍采用8bit的ADC，所以其量化誤差和底噪聲較大。而且傳統(tǒng)示波器只會(huì)給出其帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度等指標(biāo)，可供參考的頻域方面的性能指標(biāo)較少。因此，下面我們將通過(guò)一些實(shí)際的測(cè)試和分析，來(lái)認(rèn)識(shí)一下示波器的射頻性能指標(biāo)。

底噪聲（Noise Floor）

底噪聲是測(cè)量?jī)x器非常重要的一個(gè)指標(biāo)，它會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的信噪比以及測(cè)量小信號(hào)的能力。傳統(tǒng)上會(huì)認(rèn)為示波器的底噪聲較高，因此不適用于小信號(hào)測(cè)量，其實(shí)并不完全是這樣，最主要原因在于不同儀器對(duì)底噪聲的定義方式不一樣。

底噪聲的主要來(lái)源是熱噪聲以及前端放大器增加的噪聲，這兩部分噪聲通常是和帶寬近似成正比的。比如熱噪聲的計(jì)算公式如下，噪聲功率和帶寬是線性的關(guān)系。

示波器作為一臺(tái)寬帶測(cè)量?jī)x器，其底噪聲指標(biāo)給出的是全帶寬范圍內(nèi)噪聲的總和，而且也近似和帶寬成正比。

比如在下圖左邊是Keysight公司S系列示波器手冊(cè)里給出的底噪聲指標(biāo)。在50mv/div的量程下，4GHz帶寬的示波器S-404的底噪聲為768uVrms，近似是1GHz帶寬的示波器S-104在相同量程下底噪聲456uVrms的2倍。由于功率是電壓的平方，所以4GHz示波器的底噪聲的功率是相同條件下1GHz示波器底噪聲功率的4倍，和帶寬的倍數(shù)正好相當(dāng)。

正是由于底噪聲和帶寬近似成正比，所以寬帶示波器的底噪聲會(huì)比窄帶的大。為了公平，我們可以把示波器在不同量程下的底噪聲歸一化到每單位Hz進(jìn)行比較，而這也正是頻譜儀等射頻儀器里對(duì)其底噪聲DANL（Displayed average noise level）的描述方法。

比如在每格50mv量程下，示波器的滿量程是8格相當(dāng)于400mV，對(duì)應(yīng)于-4dBm的滿量程，對(duì)于8GHz的S-804A示波器來(lái)說(shuō)，其8GHz帶寬范圍內(nèi)總的底噪聲是1.4mVrms，相當(dāng)于-44dBm，歸一化到每單位Hz的底噪聲就相當(dāng)于-143dBm/Hz。而在更小的量程下，S系列示波器的底噪聲可以達(dá)到-158dBm/Hz，這個(gè)指標(biāo)已經(jīng)好于絕大多數(shù)市面上頻譜儀不打開(kāi)前置放大器的情況。即使在打開(kāi)前置放大器的情況下，很多頻譜儀的DANL指標(biāo)也僅僅比S系列示波器好幾個(gè)dB而已。

下圖是一個(gè)S系列8GHz帶寬示波器在最小量程下底噪聲的實(shí)測(cè)結(jié)果。中心頻點(diǎn)1GHz，Span=20MHz，除了在1GHz頻點(diǎn)有很小的雜散以外，其在RBW=10KHz下的底噪聲約為-120dBm，相當(dāng)于約-160dBm/Hz。

因此，歸一化到每單位Hz后，示波器的底噪已經(jīng)優(yōu)于絕大多數(shù)頻譜儀在不打開(kāi)前置放大器時(shí)的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)還是相當(dāng)不錯(cuò)的。

由于噪聲是和帶寬成正比的，所以如果信號(hào)帶寬只集中在某一個(gè)頻段范圍內(nèi)，就可以通過(guò)相應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)濾除不必要的帶外噪聲以提高信噪比，比如很多示波器里的數(shù)字帶寬調(diào)整功能就是一種降低示波器自身底噪聲的方法。