示波器与频谱仪的频域分析性能指标对比
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本文从实时带宽、动态范围、灵敏度和功率测量准确度四个方面比较了示波器和频谱仪的分析性能指标的区别。文中作者通过实验对比发现R&S示波器测量某个频率点的测量结果和频谱仪相比只相差了0.2dB，这意味着R&S示波器在相当程度上已经可以替代频谱仪。 R&S示波器的频域分析因为采用了频谱仪的数字下变频（DDC）的算法，从原理上解决了频率分辨率受限于分析时间（捕获时间）的问题。而且R&S示波器的底噪可以小到-100dBm，这是令人惊异的指标。 示波器与频谱仪经过长时间的发展，分别在时域分析和频域分析上的性能都得到了较大的提升。而随着AD、存储、计算能力的提升，示波器的频域分析性能也提升较快，已经能够进行基本的频域分析，那么到底该如何选择仪器进行频域分析呢？本文通过对示波器和频谱仪频域分析性能的几个重要指标进行比较分析，以期读者在选择频域测量仪器时提供一些帮助。 1 实时带宽 对于示波器来说，带宽通常是其测量频率范围。而频谱仪则有中频带宽、分辨带宽等带宽定义。这里，我们以能对信号进行实时分析的实时带宽作为讨论对象。 对于频谱仪来说，末级模拟中频的带宽通常可以作为其信号分析的实时带宽，大多数的频谱分析的实时带宽只有几兆赫兹，通常较宽的实时带宽通常为几十兆赫兹，当然目前带宽最宽的FSW频谱仪可以达到500兆赫兹。而示波器的实时带宽为其实时取样的有效模拟带宽，一般为数百兆赫兹，高的可达数千兆赫兹。 这里需要指出的是，大多数的示波器在垂直刻度设置不同时，其实时带宽可能并不一致，在垂直刻度设置到最灵敏时，其实时带宽通常会下降。 从实时带宽来说，示波器普遍优于频谱仪，这对于某些超宽带信号分析尤其有好处，特别是在调制分析上有着无可比拟的优势。 2 动态范围 动态范围指标因其定义不同而有所不同，很多情况下，动态范围被描述为仪器测量最大信号和最小信号的电平差值。当改变测量设置时，仪器测量大信号和小信号的能力是不一样的，例如频谱分析仪在衰减设置不一样的情况下，其测量大信号所带来的失真是不一样的。在这里，我们讨论仪器能够同时测量大小信号的能力，即在不改变任何测量设置的情况下，示波器和频谱仪在合适设置情况下的最佳动态范围。 对于频谱仪来说，在不考虑相位噪声等近端噪声和杂散情况下，平均噪声电平、二阶失真、三阶失真是制约动态范围的最主要因素，以主流频谱仪的技术指标计算，其理想动态范围约为90dB（受二阶失真限制）。 大多数的示波器由于受其AD有效取样位数和噪声底的限制，传统示波器的理想动态范围通常不超过50dB。(对于R&S RTO示波器,在100KHz RBW时,其动态范围可高达86dB) 从动态范围来看，频谱仪要优于示波器。但这里要指出的是，这对于常在信号的频谱分析来说确实如此，然而示波器的频谱是同一帧数据，频谱仪的频谱大多数情况下都不是同一帧数据，因而对于瞬变信号来说，频谱仪可能无法测量到。而示波器发现瞬变信号（信号满足动态范围的情况下）的概率要大得多。 3 灵敏度 这里讨论的灵敏度，是指示波器和频谱仪所能测试到最小信号的水平。这个指标与仪器设置紧密相关。 对于示波器而言，示波器在Y轴设置至最灵敏档时，通常为1mV/div时示波器所能测试到最小信号，抛开端口不匹配等因素来看，示波器的信号通道产生的噪声以及轨迹不稳定带来的噪声是制约示波器灵敏度的最重要因素。 从图一中我们可以看出，因为采样点数的增加，频谱噪声底可以下降到比较理想的程度。然而，当在时域已经无法清晰准确的再现信号时，在频域就产生了非常多的杂波，这就限制了我们观测小信号的能力。 
图1 受噪声影响的的灵敏度限制 大多数示波器与图一所示一样，能够稳定测量0.2mV的信号，对应到频域，这相当于-60dBm的水平。事实上，示波器能否准确的测量小信号，不仅与垂直系统的灵敏度有关，还与X轴的抖动、触发灵敏度等性能有关。 笔者为了对比文中所分析的技术指标，特地到R&S公司成都的开放实验室（感谢成都分部提供的帮助）进行了指标对比，让人惊讶的是，RTO示波器在灵敏度指标上非常优秀，如下图所示： 
图2 RTO示波器的全频段频谱图 从图二可以看出，RTO能够准确测量-60dBm的信号，其噪声底在-80dBm左右。而最让人感到高兴的是，在整个频段（DC-4GHz），没有发现能够影响灵敏度的大的杂波，从而大幅提高了测量灵敏度。 在没有杂波的情况下，通过增加取样点数可以得到更低的噪声。例如图3所示，将Span和RBW设置得更小的情况下，RTO示波器的底噪声可以降低至-100dBm以下。 
图3 RTO示波器的窄带频谱图 从这点来说，RTO绝对能够让测量人员改变“示波器是频域分析鸡肋”的感受。 对于频谱仪来说，同样抛开端口不匹配等因素来讨论，频谱仪的在增益最大、衰减器设置最小情况下，平均噪声电平可以看作频谱仪测量小信号的极限。在不涉及前置放大器的情况下，大多数性能良好的频谱仪可以达到-150dBm。 4 功率测量准确度 对于频域分析来说，功率测量准确度是非常重要的技术指标。无论是示波器还是频谱仪，对功率测量准确度的影响量都是非常多的，下面分别列出其主要的影响量： 对于示波器来说，功率测量准确度的影响量有：端口不匹配引起的反射、垂直系统误差、频率响应、AD量化误差、校准信号误差等。 对于频谱仪来说，功率测量准确度的影响量有：端口不匹配引起的反射、参考电平误差、衰减器误差、带宽转换误差、频率响应、校准信号误差等。 此处我们不对影响量进行逐一分析比较，我们通过对1GHz频率信号的进行功率测量来对比，通过RTO示波器和FSW频谱仪的测量对比可以看出，在1GHz处，示波器与频谱仪的功率测量值仅相差0.2dB左右，这是非常好的测量准确度指标。因为频谱仪在1GHz处的测量准确度是非常好的。 另外，在频率范围内，示波器的频率响应指标也是很好的，4GHz范围内不超过0.5dB，从这点来说，示波器甚至优于频谱仪的性能。 总的来说，示波器与频谱仪在频域分析性能上各有所长，频谱仪在灵敏度等技术指标上更胜一筹，示波器在实时带宽上较频谱仪更为出色。在测量不同类型的信号时，可根据测试需求和仪器的不同技术特点进行选择。 |
