諧波失真 (Harmonic Distortion)

諧波失真也是衡量測量信號保真度的一個(gè)重要指標(biāo)。對于示波器來說，為了保證高的采樣率，其 ADC的位數(shù)(8bit或者10bit)相對于頻譜儀里使用的14 bit ADC有較大差異，其諧波失真主要來源于ADC的量化噪聲造成的信號失真，典型的是2次和3次諧波失真，通常3次諧波的能量更大，這點(diǎn)和頻譜儀里由于混頻器造成 2 次諧波失真來源不太一樣。

在上面的測試結(jié)果中，其2次諧波失真約為-65 dBc，比一般的頻譜儀差一些。而其3次諧波失真約為-49dBc，比起一般的頻譜儀就差遠(yuǎn)了。因此如果用戶關(guān)心諧波失真指標(biāo)，比如在放大器的非線性測試中，使用示波器并不是一個(gè)好的選擇。

不過好在諧波造成的失真通常在帶外，通過簡單的數(shù)學(xué)濾波處理很容易把諧波濾除掉。所以在有些寬帶信號解調(diào)的應(yīng)用中，由于測量算法在解調(diào)過程中會(huì)加入數(shù)學(xué)濾波器，諧波失真對于最終的解調(diào)結(jié)果影響并不是很大。

絕對幅度精度 (Absolute amplitude accuracy)

絕對幅度精度會(huì)影響到示波器對某個(gè)頻點(diǎn)載波做功率測量時(shí)的準(zhǔn)確度。對于示波器來說，絕對幅度精度指標(biāo)=DC幅度測量精度+幅頻響應(yīng)。因此需要兩部分分別分析。DC幅度測量精度就是示波器里標(biāo)稱的雙光標(biāo)測量精度，又由DC增益誤差和垂直分辨率兩部分構(gòu)成，而分辨率與使用的ADC的位數(shù)有關(guān)，如果是10bit的ADC就相當(dāng)于滿量程的1/1024。由此計(jì)算得出實(shí)時(shí)示波器的DC幅度精度大約在±0.2dB左右。

相位噪聲 (Phase Noise)

測量儀器的相位噪聲 (Phase Noise) 反映了測試一個(gè)純凈正弦波時(shí)的近端低頻噪聲的大小，在雷達(dá)等應(yīng)用中會(huì)影響到對于慢目標(biāo)識別時(shí)的多普率頻移的分辨能力。相位噪聲的頻域積分就是時(shí)域的抖動(dòng)。對于示波器來說，相位噪聲太差或者抖動(dòng)太大會(huì)造成對于射頻信號采樣時(shí)產(chǎn)生額外的噪聲從而惡化有效位數(shù)。

傳統(tǒng)的示波器不太注重采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)或者相位噪聲，但隨著示波器的采樣率越來越高，以及為了提高射頻測試的性能，現(xiàn)代的數(shù)字示波器如Keysight 公司的 S、V、Z 等系列示波器都對時(shí)鐘電路進(jìn)行了優(yōu)化，甚至采用了經(jīng)典的微波信號源如 E8267D里的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，使得示波器的相位噪聲指標(biāo)有了很大提升。如下圖所示是S示波器在1GHz載波時(shí)的相位噪聲曲線，測試中的RBW設(shè)置為750 Hz，在偏離中心載波100kHz處的噪聲能量約為-92dBm，歸一化到單位Hz能量約為-120dBc/Hz，這已經(jīng)超過了市面上大多數(shù)中檔頻譜儀的相噪指標(biāo)。而更高性能的 V 系列示波器的相位噪聲指標(biāo)則可以做到約-130dBc/Hz@100 KHz offset，這已經(jīng)超過了市面上大部分中高檔頻譜儀的相應(yīng)指標(biāo)。

四、總結(jié)

從前面的介紹可以看出，現(xiàn)代的高性能的實(shí)時(shí)示波器除了受ADC位數(shù)的限制造成諧波失真指標(biāo)明顯較差以外，其無雜散動(dòng)態(tài)范圍可以和中等檔次的頻譜儀相當(dāng)，而底噪聲、帶內(nèi)平坦度、絕對幅度精度、相位噪聲等指標(biāo)已經(jīng)可以做到和中高檔頻譜儀類似。

而且，為了滿足射頻測試的要求，現(xiàn)代的高性能示波器里除了傳統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)以外，也開始標(biāo)注射頻指標(biāo)以適應(yīng)射頻用戶的使用習(xí)慣。下表就是Keysight公司V系列示波器里給出的典型的射頻指標(biāo)。

當(dāng)然，由于工作原理的不同，實(shí)時(shí)示波器在做頻域分析時(shí)還有一些局限性，比如在特別小RBW設(shè)置下(<1KHz時(shí))由于需要采集大量數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，其波形更新速度會(huì)嚴(yán)重變慢，因此不適用于窄帶信號的測量。

正是由于實(shí)時(shí)示波器明顯的高帶寬、多通道優(yōu)勢以及強(qiáng)大的時(shí)域測量能力，再加上改進(jìn)了的射頻性能指標(biāo)，使得其在超寬帶射頻信號的測量、時(shí)頻域綜合分析以及多通道測量的領(lǐng)域開始發(fā)揮越來越重要的作用。