示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)，值得你學(xué)習(xí)

你知道示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)嗎?分不清示波器和頻譜儀的區(qū)別的人常鬧笑話，為避免尷尬，本文簡單總結(jié)以下四點(diǎn)——用實(shí)時(shí)帶寬、動態(tài)范圍、靈敏度、功率測量準(zhǔn)確度，比較示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)，來區(qū)分兩者。

1 實(shí)時(shí)帶寬

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

對于頻譜儀來說，末級模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶?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)帶寬通常會下降。從實(shí)時(shí)帶寬來說，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無可比擬的優(yōu)勢。

2 動態(tài)范圍

動態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動態(tài)范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當(dāng)改變測量設(shè)置時(shí)，儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測量大信號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)測量大小信號的能力，即在不改變?nèi)魏螠y量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動態(tài)范圍。

對于頻譜儀來說，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)示波器的理想動態(tài)范圍通常不超過50dB。(對于R&S RTO示波器,在100KHz RBW時(shí),其動態(tài)范圍可高達(dá)86dB)

從動態(tài)范圍來看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對于常在信號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)，因而對于瞬變信號來說，頻譜儀可能無法測量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(信號滿足動態(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試到最小信號的水平。這個(gè)指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。對于示波器而言，示波器在Y軸設(shè)置至最靈敏檔時(shí)，通常為1mV/div時(shí)示波器所能測試到最小信號，拋開端口不匹配等因素來看，示波器的信號通道產(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小信號的能力。

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)定測量0.2mV的信號，對應(yīng)到頻域，這相當(dāng)于-60dBm的水平。事實(shí)上，示波器能否準(zhǔn)確的測量小信號，不僅與垂直系統(tǒng)的靈敏度有關(guān)，還與X軸的抖動、觸發(fā)靈敏度等性能有關(guān)。為了對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)確測量-60dBm的信號，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絕對能夠讓測量人員改變“示波器是頻域分析雞肋”的感受。

對于頻譜儀來說，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量小信號的極限。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 功率測量準(zhǔn)確度

對于頻域分析來說，功率測量準(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，對功率測量準(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：

對于示波器來說，功率測量準(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)信號誤差等。對于頻譜儀來說，功率測量準(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)信號誤差等。

此處我們不對影響量進(jìn)行逐一分析比較，我們通過對1GHz頻率信號的進(jìn)行功率測量來對比，通過RTO示波器和FSW頻譜儀的測量對比可以看出，在1GHz處，示波器與頻譜儀的功率測量值僅相差0.2dB左右，這是非常好的測量準(zhǔn)確度指標(biāo)。因?yàn)轭l譜儀在1GHz處的測量準(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。在測量不同類型的信號時(shí)，可根據(jù)測試需求和儀器的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。以上就是示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)解析，希望能給大家?guī)椭?