示波器底噪聲和帶寬的關(guān)系--示波器的射頻指標連載（1）
加入技術(shù)交流群
但是在使用示波器做射頻信號測試時(shí)，我們不能不對其精度和性能有一定的顧慮。因為實(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。而且傳統示波器只會(huì )給出其帶寬、采樣率、存儲深度等指標，可供參考的頻域方面的性能指標較少。因此，下面我們將通過(guò)一些實(shí)際的測試和分析，來(lái)認識一下示波器的射頻性能指標。
底噪聲（Noise Floor）
底噪聲是測量?jì)x器非常重要的一個(gè)指標，它會(huì )影響到測量結果的信噪比以及測量小信號的能力。傳統上會(huì )認為示波器的底噪聲較高，因此不適用于小信號測量，其實(shí)并不完全是這樣，最主要原因在于不同儀器對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。比如熱噪聲的計算公式如下，噪聲功率和帶寬是線(xiàn)性的關(guān)系。
示波器作為一臺寬帶測量?jì)x器，其底噪聲指標給出的是全帶寬范圍內噪聲的總和，而且也近似和帶寬成正比。
比如在下圖左邊是Keysight公司S系列示波器手冊里給出的底噪聲指標。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，和帶寬的倍數正好相當。
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(mǎn)量程是8格相當于400mV，對應于-4dBm的滿(mǎn)量程，對于8GHz的S-804A示波器來(lái)說(shuō)，其8GHz帶寬范圍內總的底噪聲是1.4mVrms，相當于-44dBm，歸一化到每單位Hz的底噪聲就相當于-143dBm/Hz。而在更小的量程下，S系列示波器的底噪聲可以達到-158dBm/Hz，這個(gè)指標已經(jīng)好于絕大多數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)測結果。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)于絕大多數頻譜儀在不打開(kāi)前置放大器時(shí)的指標，這個(gè)指標還是相當不錯的。
由于噪聲是和帶寬成正比的，所以如果信號帶寬只集中在某一個(gè)頻段范圍內，就可以通過(guò)相應的數字濾波技術(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字帶寬調整功能就是一種降低示波器自身底噪聲的方法。
評論