隨著通訊的快速發(fā)展，越來越多的協(xié)議被開發(fā)、更新、迭代，通信速率從開始的十幾MHz到如今幾GHz到幾十GHz不等。越來越高速的通訊信號對于測量儀器也提出了更高的要求。

硬件工程師在設計與測試過程中，往往會遇到USB或是LAN通信效果不好，需要進行問題檢測與解決。這時候如果使用幾百兆帶寬的示波器就不太能滿足測量的要求。以USB2.0高速的信號為例，其信號為480Mbps的差分信號，如果使用一個500M的示波器分別對兩路差分信號進行觀測，其測量結果將是兩個相位相反的正弦。這是因為USB的信號屬于數(shù)字信號，480Mbps的信號可以看做是240MHz的方波信號。眾所周知任意的波形都是可以由正弦波構成的，而方波則是由奇次的諧波構成的（n次諧波即頻率為信號頻率n倍的正弦波），所以240MHz的信號的第二個諧波成分在720MHz，超出了500MHz帶寬示波器的測量范圍。要比較完整地還原一個方波，需要包含5個諧波分量，也就是要能測量第9次諧波2160MHz的正弦，這個時候一臺高帶寬的示波器就非常重要。除了USB2.0，還有其它如千兆網(wǎng)、MIPI、PCIe等通信協(xié)議也有對應的一個示波器測量帶寬需求，如下表。

表1，常見通信協(xié)議測試示波器帶寬要求

在2020年，RIGOL推出了自主研發(fā)的第七代數(shù)字示波器——DS70000。

DS70000有5GHz的帶寬，20GSa/s的采樣率，可以滿足5GHz正弦和2Gbps數(shù)字信號的測量。在此基礎上，DS70000通過軟件實現(xiàn)了一鍵完成USB2.0和百兆/千兆網(wǎng)的一致性測試，不再需要人手一項項測量計算，節(jié)省了測量時間，也降低了測量的難度。

DS70000 USB2.0高速一致性測試

在2023年，RIGOL又發(fā)布了新一代高速示波器DS80000。DS80000具有全通道13GHz，40GSa/s的超高性能，能夠完成對快速上升沿、更高速協(xié)議信號如PCIe等信號的測量。

DS80000系列示波器

高帶寬示波器的優(yōu)勢

1、捕獲高速信號：

更高的頻率響應：高帶寬示波器能夠捕捉更高頻率的信號細節(jié)，避免信號失真的問題。帶寬的定義為輸入示波器后幅度下降-3dB的正弦波頻率。因此示波器的帶寬直接決定了能夠輸入的信號頻率，超出帶寬限制的信號幅值會大幅下降。

準確的波形重建：更高的采樣率使得波形重建更加精確，特別是對于快速脈沖和瞬態(tài)信號。示波器測量的上升時間由信號本身上升時間以及示波器上升時間決定，其公式為：

高帶寬的示波器必然會帶來更快的上升時間參數(shù)。上升時間參數(shù)越高，對應上升沿的測量精確度也就越高。

2、提高測量精度：

減少噪聲影響：高帶寬示波器通常有更低的本底噪聲，有助于提高測量的信噪比（SNR）。在測試和測量過程中，高信噪比能夠確保捕捉到的信號更接近真實值，減少噪聲對測量結果的干擾。

精細時基分辨率：高帶寬和高采樣率提供了更精細的時基分辨率，能夠精確定位信號的變化點。以DS80000為例，40GSa/s的采樣率使每個點之間的時間間隔僅為25ps。也就是說只要脈寬大于25ps的毛刺，都能被捕捉到痕跡。

3、多功能性和靈活性：

復雜信號分析：如抖動分析、眼圖測試、協(xié)議分析等高級功能，通常需要高帶寬示波器來實現(xiàn)。用示波器觀測信號一般分為兩類，時間和電壓。眼圖分析的作用是分析信號傳輸質(zhì)量。可以從眼高以及上下跡線的粗細分析信號電壓信號的上下限以及信號電壓的抖動情況，也可以從眼寬以及交叉線的粗細分析信號的時間抖動情況，通過Q因子則可以直觀反映信號的信噪比，體現(xiàn)信號的質(zhì)量。

擴展應用范圍：高帶寬示波器可以用于更多類型的信號測試，包括模擬和數(shù)字信號。高速信號多為數(shù)字信號，更高帶寬示波器除了可以進行基礎的信號捕捉，還可以對像USB2.0等信號進行解碼分析。這種功能對USB信號的傳輸失真等測試中非常方便。

需要使用高帶寬示波器的場景

1、電信和數(shù)據(jù)通信：

4G網(wǎng)絡開發(fā)與調(diào)試：4G通信系統(tǒng)不同運營商使用的頻段不一樣，總體上在1.8GHz到2.1GHz之間。所以進行4G網(wǎng)絡的開發(fā)與調(diào)試，也需要用到3到5GHz帶寬的示波器進行觀測。

光通信：光纖通信中的信號傳輸速率極高，要求示波器具備較高的帶寬。在光纖通信中，往往比較關注其上升時間，一般在400ps左右。如果使用1個GHz帶寬的示波器，那么此時示波器的上升時間在350ps，測量的上升時間誤差達到了32.9%。而使用DS80000，機器上升時間僅為33ps，測量誤差也降至0.3%。

測量45ps快沿信號

2、高速數(shù)字電路設計和驗證：

FPGA和ASIC設計：高速邏輯信號的設計和驗證過程需要高帶寬示波器來捕捉快速變化的信號。在FPGA的設計和應用中，穩(wěn)定的高速的時鐘信號是關鍵之一。常見的FPGA時鐘頻率從幾十MHz到幾百MHz不等，而時鐘信號又屬于方波，所以示波器所需帶寬一般是時鐘頻率的5倍以上。

DDR內(nèi)存測試：DDR等高速存儲器件的時序分析和信號完整性測試離不開高帶寬示波器。DDR1/2/3的信號速率范圍分別為200~400MT/s，400~1067 MT/s和800~2133 MT/s。對應的其測量的示波器帶寬推薦分別為3.5GHz、4GHz以及12.5GHz。

3、射頻和微波信號測試：

雷達系統(tǒng)開發(fā)：雷達信號涉及高頻段，并且速度快，高帶寬示波器能夠有效捕捉和分析這些信號。大多數(shù)雷達工作在超短波及微波波段，其頻率范圍在30~300000MHz，相應波長為1mm~10m，包括甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)、超高頻(SHF)、極高頻(EHF)4個波段。在1GHz頻率以下，由于通信和電視等占用頻道，頻譜擁擠，一般雷達較少采用，只有少數(shù)遠程雷達和超視距雷達采用這一頻段。

表2 無線電頻段和波段的命名

衛(wèi)星通信：高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要高帶寬示波器進行調(diào)試和性能優(yōu)化。衛(wèi)星通信主要使用微波頻段信號?，具體包括UHF、L波段、C波段、Ku波段和Ka波段。這些波段的選擇是基于電磁波的傳播特性和衛(wèi)星通信的需求。

?UHF波段?（400/200 MHz）：用于某些移動業(yè)務和導航業(yè)務、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸。

?L波段?（1.6/1.5 GHz）：用于衛(wèi)星移動業(yè)務和導航系統(tǒng)。

?C波段?（6/4 GHz）：用于衛(wèi)星固定業(yè)務。

?Ku波段?（14/11 GHz、14/12 GHz）：用于直播衛(wèi)星業(yè)務。

?Ka波段?（30/20 GHz）：用于高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸?shù)取?/span>

4、高速串行總線測試：

USB 3.x、PCIe、HDMI等接口測試：這些高速接口的數(shù)據(jù)傳輸速率很高，需要高帶寬示波器進行信號完整性測試和調(diào)試。目前常見的高速通信協(xié)議的協(xié)會往往不僅對信號穩(wěn)定性提出要求，而是對包括電壓范圍，上升/下降時間等物理層參數(shù)有一致性測試指標。而DS70000和DS80000分別可以滿足USB2.0、千兆以太網(wǎng)和USB3.1、PCIe2.0的物理層一致性需求。

DS80000可以進行USB3.0一致性測試

5、汽車電子：

ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）：包括雷達、激光雷達、攝像頭等傳感器信號處理，需要高帶寬示波器來捕捉高速數(shù)據(jù)流。為了能夠及時地處理各處傳感器返回的信號，車載以太網(wǎng)的質(zhì)量具有重要影響。因此，DS70000推出新的車載以太網(wǎng)一致性測試升級，通過軟件升級滿足測試，進一步拓寬了DS70000的使用場景。

電動汽車電力電子：電動汽車中的逆變器和電機控制系統(tǒng)也需要高帶寬示波器進行測試和優(yōu)化。

6、研究與開發(fā)：

前沿技術研究：高校及科研機構在新材料、新器件、新技術研究中，常常涉及高速信號測試，使用高帶寬示波器可以獲得更精確的實驗數(shù)據(jù)。