2022年示波器行業(yè)之時頻域產(chǎn)品細(xì)拆分析

1、2022年示波器行業(yè)之時頻域產(chǎn)品細(xì)拆分析1.示波器，時域的主流產(chǎn)品1.1 電子工程師之眼，用于診斷信號穩(wěn)定性示波器屬于通用的儀器，具備較好的場景泛化能力。目前大多科技產(chǎn)品均會 涉及電子電路，其中電子元件設(shè)計、驗證和調(diào)試過程中，均需要使用示波器以分 析眾多電信號。 本質(zhì)看，示波器是一種診斷儀器。示波器能夠繪制電信號圖，幫助工程師或 研發(fā)人員了解信號電壓值隨時間變化產(chǎn)生的波動，判斷是否存在故障組件使信號 失真。在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)（X）代表時間，縱坐標(biāo)（Y）代表電壓（如果 示波器有測量電流的功能，縱坐標(biāo)還代表電流）。除橫縱坐標(biāo)外，示波器中通常會 用 Z 軸表示強度或亮度。示波器一般分為數(shù)字示波

2、器與模擬示波器。通常而言，數(shù)字示波器與模擬示 波器均可用于電子信號測試，但兩者各有側(cè)重。模擬示波器用于測試要求實時顯 示并且變化很快的信號；數(shù)字示波器則用來顯示周期性相對較強的信號，同時數(shù) 字示波器內(nèi)置 CPU 或 DSP 處理器可以處理分析信號，能夠較好分析數(shù)據(jù)。 數(shù)字示波器正逐漸成為趨勢。20 世紀(jì) 40 年代，Tektronix 引入了具有觸發(fā)系 統(tǒng)、能穩(wěn)定顯示重復(fù)信號的示波器，使得模擬示波器廣泛地應(yīng)用在實際測試測量 中。但模擬示波器能測量的參數(shù)較少，無法進行單次信號的測量，且無法對波形 進行存儲，不能滿足更復(fù)雜的測試需求。Lecroy 于 1985 年發(fā)明了第一臺數(shù)字示 波器，相比于模

3、擬示波器，數(shù)字示波器具有更高的測量效率、測量精度，近年來， 隨著電子技術(shù)發(fā)展，數(shù)字示波器替代模擬示波器成為趨勢。1.2 數(shù)字示波器具有三大核心指標(biāo)，能力由不同芯片模塊決定數(shù)字示波器具備信號采集、顯示、測量與分析、存儲 4 大功能。其中采集部 分主要是由三顆芯片和一個電路組成。即放大器芯片，A/D 芯片，存儲器芯片和 觸發(fā)器電路。輸入的電壓信號經(jīng)耦合電路后送至前端放大器，前端放大器將信號 放大，以提高示波器的靈敏度和動態(tài)范圍。放大器輸出的信號由取樣/保持電路進 行取樣，并由 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后，信號變成了數(shù)字形式存入存 儲器中，微處理器對存儲器中的數(shù)字化信號波形進行相應(yīng)的

4、處理，并顯示在顯示 屏上。帶寬、采樣率和存儲深度是數(shù)字示波器的三大關(guān)鍵指標(biāo)。各項指標(biāo)綜合決定 了數(shù)字示波器性能。1）帶寬：數(shù)字示波器關(guān)鍵變量，直接影響產(chǎn)品品質(zhì) 帶寬常常被稱為數(shù)字示波器的第一指標(biāo)，數(shù)字示波器產(chǎn)品性能劃分也大多以帶寬作為首要依據(jù)。一般而言，如沒有特別說明，則提到的帶寬為數(shù)字示波器模 擬前端放大器帶寬。隨著信號頻率的增加，數(shù)字示波器準(zhǔn)確顯示信號的能力會降 低。帶寬規(guī)格表示數(shù)字示波器可以準(zhǔn)確測量的頻率范圍。如果沒有足夠的帶寬， 數(shù)字示波器就無法分辨高頻變化，從而出現(xiàn)幅度失真、邊緣消失、細(xì)節(jié)丟失問題。數(shù)字示波器的帶寬主要取決于前端的衰減器和放大器的帶寬。數(shù)字示波器需 要通過前端放大器來

5、捕獲并放大各類瑣碎信號，是數(shù)字示波器采集信號的第一步， 因此前端放大器通常是示波器系統(tǒng)帶寬的限制因素。主流數(shù)字示波器廠商都有自 己特有的技術(shù)來實現(xiàn)高的帶寬。以 Keysight 為例，其 33GHz 數(shù)字示波器前端芯 片采用 InP（磷化銦）的高頻材料，并使用了 MCM 多芯片封裝技術(shù)，其內(nèi)部主要 由 5 片 InP 材料的芯片采用三維工藝封裝而成。其中包含 2 片 33GHz 帶寬 InP 材料做成的放大器，可以同時支持 2 個通道的信號輸入；2 片 InP 材料做成的觸 發(fā)芯片以及 1 片 InP 材料做成的 80GSa/s 的采樣保持電路；所有芯片采用快膜封 裝技術(shù)封裝在一個密閉的屏蔽腔

6、體內(nèi)。提升數(shù)據(jù)信號處理能力（DSP）是提高數(shù)字示波器帶寬的另一種手段。DSP 帶寬增強技術(shù)實際上是一種數(shù)字 DSP 處理技術(shù)。采用數(shù)字 DSP 處理技術(shù)的初衷并 不是為了增強帶寬，而是為了進行頻響校正。通過 DSP 可以將帶寬以外一部分頻 率成分的能量增強，從而實現(xiàn)帶寬提升。但由于該技術(shù)在提高帶寬的同時也會提 升系統(tǒng)的高頻噪聲，因此不適用于大比例增加系統(tǒng)帶寬。交錯 ADC 技術(shù)也可提升系統(tǒng)帶寬。通過疊加多個相同的 ADC 同步采樣輸入 信號，以產(chǎn)生組合輸出信號，使得總體采樣帶寬為單個 ADC 帶寬的數(shù)倍，即利用 m 個 ADC 可讓有效采樣速率增加 m 倍，并同步提升工作時的可用帶寬。假設(shè)當(dāng)

7、前數(shù)字示波器采用2個100MSPS ADC以交錯方式組合，采樣速率便能翻倍至200 MSPS，每個奈奎斯特區(qū)可以從 50 MHz 擴展到 100 MHz，使工作時的可用帶寬 翻倍。為準(zhǔn)確獲取、測量各類信號，很多設(shè)計系統(tǒng)要求數(shù)字示波器采用領(lǐng)先商用 ADC 技術(shù)，交錯疊加結(jié)構(gòu)可一定程度彌補差距。交錯疊加 ADC 存在缺陷會導(dǎo)致信號失真。若兩個 ADC 間增益不匹配，會出 現(xiàn)干擾音，一定程度上抵消了交錯帶來的帶寬增加的優(yōu)勢。2）采樣率：類似于物理中“速度向量”，低采樣率易造成波形失真 采樣率是容易被忽視的另一關(guān)鍵指標(biāo)。由于計算機僅能處理離散的數(shù)字信號。 因此在模擬信號進入數(shù)字示波器后，首要的問題即為

8、將連續(xù)的模擬信號離散化、 數(shù)字化（A/D 轉(zhuǎn)化），上述過程被稱為采樣，也是數(shù)字示波器作波形運算和分析的 基礎(chǔ)。采樣電壓之間的時間間隔越小，那么重建出來的波形就越接近原始信號， 采樣率就是采樣時間間隔。比如，如果示波器的采樣率是每秒 10G 次（10GSa/s）， 則意味著每 100ps 進行一次采樣。一般而言，ADC 芯片對采樣率大小具有決定性 作用。3）存儲深度：同時影響采樣率 存儲深度間接影響采樣率。類比到物理學(xué)，存儲深度可以理解為“距離向量”， 采樣率即為速度。數(shù)字示波器存儲深度=采樣率采樣時間。過小容易因采樣點數(shù) 不夠而使波形失真。因此，提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率：

9、 當(dāng)要測量較長時間的波形時，由于存儲深度是固定的，所以只能降低采樣率來達 到，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲深度，則可以以更高的采樣 率來測量，以獲取不失真的波形。2. 射頻類儀器，換個角度從頻域出發(fā)從最基礎(chǔ)的角度出發(fā)，可以把頻譜分析儀理解為一種頻率選擇性、峰值檢測 的電壓表，經(jīng)過校準(zhǔn)之后顯示正弦波的有效值。傳統(tǒng)角度，工程師習(xí)慣于將時間 作為參考系，示波器也是基于此。而根據(jù)傅里葉理論，時域中的任何電信號都可 以由一個或多個具有適當(dāng)頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成。換句話說，任何 時域信號都可以變換成相應(yīng)的頻域信號，通過頻域測量可以得到信號在某個特定 頻率上的能量值。 某些測量場合要

10、求考察信號的全部信息頻率，幅度和相位。然而，即便不 知道各正弦分量間的相位關(guān)系，也同樣能實施許多的信號測量，這種分析信號的 方法稱為信號的頻譜分析。頻譜監(jiān)測是頻域測量的重要領(lǐng)域。政府管理機構(gòu)對各種各樣的無線業(yè)務(wù)分配 不同的頻段，例如廣播電視、無線通信、移動通信、警務(wù)和應(yīng)急通信等其他業(yè)務(wù)。 保證不同業(yè)務(wù)工作在其被分配的信道帶寬內(nèi)是至關(guān)重要的，通常要求發(fā)射機和其 他輻射設(shè)備應(yīng)工作于緊鄰的頻段。在這些通信系統(tǒng)中，針對功率放大器和其他模 塊的一項重要測量是檢測溢出到鄰近信道的信號能量以及由此所引起的干擾。頻譜分析儀分為掃頻調(diào)諧式與動態(tài)信號兩大類。掃頻調(diào)諧式分析儀通過各類 濾波分析輸入信號中的中頻信號，

11、從而得到頻譜分析結(jié)果。該形式頻譜分析儀較 為普遍，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。動態(tài)信號分析儀的核心在于快速傅里葉變化（FFT）算 法，首先通過 FFT 將信號分解成分立的頻率分量，由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）直 接對輸入信號取樣，經(jīng)過 FFT 處理后獲得頻譜分布圖。此類分析儀速度明顯優(yōu)于 傳統(tǒng)分析儀，可以進行實時分析。1）掃頻調(diào)諧式分析儀 從高頻降至低頻是掃頻調(diào)諧式分析儀的核心。輸入信號先經(jīng)過一個衰減器， 再經(jīng)低通濾波器到達混頻器，然后與來自本振（LO）的信號相混頻。由于混頻器 是非線性器件，其輸出除了包含兩個原始信號之外，還包含它們的諧波以及原始 信號與其諧波的和信號與差信號。若任何一個混頻信號落在中頻

12、（IF）濾波器的通 帶內(nèi)，它都會被進一步放大。射頻衰減器，頻譜分析儀的第一部分。其作用是保證信號在輸入混頻器時處 在合適的電平上，從而防止發(fā)生過載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜儀的 一種保護電路，所以它通常是基于基準(zhǔn)電平值而自動設(shè)置。 低通濾波器或預(yù)選器，防止高頻信號到達。如不能有效阻止高頻信號，則會 出現(xiàn)多余的頻率響應(yīng)，從而影響頻譜分析儀精度。 中頻增益同射頻衰減器具有聯(lián)動機制。中頻增益本質(zhì)屬于可變增益放大器， 當(dāng)中頻增益改變時，電信號會相應(yīng)發(fā)生改變，但研發(fā)過程中通常希望調(diào)節(jié)輸入射 頻衰減器的電信號水平不變，因此頻譜分析儀更加強調(diào)算法協(xié)調(diào)能力。2）動態(tài)信號分析儀 動態(tài)信號分析儀可基于 F

13、PGA 設(shè)計，對系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力要求更高。在此結(jié)構(gòu)中， 信號經(jīng)過濾波、放大之后，通過 AD 取樣，在 FGPA 內(nèi)對信號進行全硬件的數(shù)字 濾波后，交給 FFT 信息處理單元進行 FFT 變換，送到 LCD 顯示其頻譜分析的結(jié)果。實時分析帶寬同頻譜分析儀可應(yīng)用場景相關(guān)。實時分析帶寬是指頻譜分析儀 FFT 頻譜分析一次分析的頻譜寬度。在軍用的跳頻電臺、雷達、RFID、藍牙等信 號測試中，通過 FFT 分析頻譜，比掃描式頻譜分析儀更快，在現(xiàn)代無線通信占用 帶寬更大、調(diào)制更復(fù)雜的發(fā)展中應(yīng)用越來越多。根據(jù)坤恒順維及電科司儀應(yīng)用場 景梳理，5G 通信、低軌衛(wèi)星等場景要求帶寬在 44GHz 左右；無人駕駛、衛(wèi)星通 信等新場景則要求在 67GHz 以上。相位噪聲是關(guān)系到頻譜分析儀本振穩(wěn)定度的關(guān)鍵指標(biāo)。相位噪聲直接作用于 輸出信號的質(zhì)量三要素頻率、幅度、相位。噪聲過