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(hào)對(duì)于測(cè)量?jī)x器也提出了更高的要求。

硬件工程師在設(shè)計(jì)與測(cè)試過程中，往往會(huì)遇到USB或是LAN通信效果不好，需要進(jìn)行問題檢測(cè)與解決。這時(shí)候如果使用幾百兆帶寬的示波器就不太能滿足測(cè)量的要求。以USB2.0高速的信號(hào)為例，其信號(hào)為480Mbps的差分信號(hào)，如果使用一個(gè)500M的示波器分別對(duì)兩路差分信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，其測(cè)量結(jié)果將是兩個(gè)相位相反的正弦。這是因?yàn)閁SB的信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，480Mbps的信號(hào)可以看做是240MHz的方波信號(hào)。眾所周知任意的波形都是可以由正弦波構(gòu)成的，而方波則是由奇次的諧波構(gòu)成的（n次諧波即頻率為信號(hào)頻率n倍的正弦波），所以240MHz的信號(hào)的第二個(gè)諧波成分在720MHz，超出了500MHz帶寬示波器的測(cè)量范圍。要比較完整地還原一個(gè)方波，需要包含5個(gè)諧波分量，也就是要能測(cè)量第9次諧波2160MHz的正弦，這個(gè)時(shí)候一臺(tái)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(duì)應(yīng)的一個(gè)示波器測(cè)量帶寬需求，如下表。

表1，常見通信協(xié)議測(cè)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(hào)的測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，DS70000通過軟件實(shí)現(xiàn)了一鍵完成USB2.0和百兆/千兆網(wǎng)的一致性測(cè)試，不再需要人手一項(xiàng)項(xiàng)測(cè)量計(jì)算，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，也降低了測(cè)量的難度。

DS70000 USB2.0高速一致性測(cè)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(duì)快速上升沿、更高速協(xié)議信號(hào)如PCIe等信號(hào)的測(cè)量。

DS80000系列示波器

高帶寬示波器的優(yōu)勢(shì)

1、捕獲高速信號(hào)：

更高的頻率響應(yīng)：高帶寬示波器能夠捕捉更高頻率的信號(hào)細(xì)節(jié)，避免信號(hào)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(hào)頻率，超出帶寬限制的信號(hào)幅值會(huì)大幅下降。

準(zhǔn)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(duì)于快速脈沖和瞬態(tài)信號(hào)。示波器測(cè)量的上升時(shí)間由信號(hào)本身上升時(shí)間以及示波器上升時(shí)間決定，其公式為：

高帶寬的示波器必然會(huì)帶來更快的上升時(shí)間參數(shù)。上升時(shí)間參數(shù)越高，對(duì)應(yīng)上升沿的測(cè)量精確度也就越高。

2、提高測(cè)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(cè)量的信噪比（SNR）。在測(cè)試和測(cè)量過程中，高信噪比能夠確保捕捉到的信號(hào)更接近真實(shí)值，減少噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

精細(xì)時(shí)基分辨率：高帶寬和高采樣率提供了更精細(xì)的時(shí)基分辨率，能夠精確定位信號(hào)的變化點(diǎn)。以DS80000為例，40GSa/s的采樣率使每個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)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(fù)雜信號(hào)分析：如抖動(dòng)分析、眼圖測(cè)試、協(xié)議分析等高級(jí)功能，通常需要高帶寬示波器來實(shí)現(xiàn)。用示波器觀測(cè)信號(hào)一般分為兩類，時(shí)間和電壓。眼圖分析的作用是分析信號(hào)傳輸質(zhì)量。可以從眼高以及上下跡線的粗細(xì)分析信號(hào)電壓信號(hào)的上下限以及信號(hào)電壓的抖動(dòng)情況，也可以從眼寬以及交叉線的粗細(xì)分析信號(hào)的時(shí)間抖動(dòng)情況，通過Q因子則可以直觀反映信號(hào)的信噪比，體現(xiàn)信號(hào)的質(zhì)量。

擴(kuò)展應(yīng)用范圍：高帶寬示波器可以用于更多類型的信號(hào)測(cè)試，包括模擬和數(shù)字信號(hào)。高速信號(hào)多為數(shù)字信號(hào)，更高帶寬示波器除了可以進(jìn)行基礎(chǔ)的信號(hào)捕捉，還可以對(duì)像USB2.0等信號(hào)進(jìn)行解碼分析。這種功能對(duì)USB信號(hào)的傳輸失真等測(cè)試中非常方便。

需要使用高帶寬示波器的場(chǎng)景

1、電信和數(shù)據(jù)通信：

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

光通信：光纖通信中的信號(hào)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(guān)注其上升時(shí)間，一般在400ps左右。如果使用1個(gè)GHz帶寬的示波器，那么此時(shí)示波器的上升時(shí)間在350ps，測(cè)量的上升時(shí)間誤差達(dá)到了32.9%。而使用DS80000，機(jī)器上升時(shí)間僅為33ps，測(cè)量誤差也降至0.3%。

測(cè)量45ps快沿信號(hào)

2、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：

FPGA和ASIC設(shè)計(jì)：高速邏輯信號(hào)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程需要高帶寬示波器來捕捉快速變化的信號(hào)。在FPGA的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，穩(wěn)定的高速的時(shí)鐘信號(hào)是關(guān)鍵之一。常見的FPGA時(shí)鐘頻率從幾十MHz到幾百M(fèi)Hz不等，而時(shí)鐘信號(hào)又屬于方波，所以示波器所需帶寬一般是時(shí)鐘頻率的5倍以上。

DDR內(nèi)存測(cè)試：DDR等高速存儲(chǔ)器件的時(shí)序分析和信號(hào)完整性測(cè)試離不開高帶寬示波器。DDR1/2/3的信號(hào)速率范圍分別為200~400MT/s，400~1067 MT/s和800~2133 MT/s。對(duì)應(yīng)的其測(cè)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(hào)測(cè)試：

雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)：雷達(dá)信號(hào)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(hào)。大多數(shù)雷達(dá)工作在超短波及微波波段，其頻率范圍在30~300000MHz，相應(yīng)波長(zhǎng)為1mm~10m，包括甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)、超高頻(SHF)、極高頻(EHF)4個(gè)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(dá)較少采用，只有少數(shù)遠(yuǎn)程雷達(dá)和超視距雷達(dá)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(jìn)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(hào)?，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(dòng)業(yè)務(wù)和導(dǎo)航業(yè)務(wù)、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(dòng)業(yè)務(wù)和導(dǎo)航系統(tǒng)。

?C波段?（6/4 GHz）：用于衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)。

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

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

4、高速串行總線測(cè)試：

USB 3.x、PCIe、HDMI等接口測(cè)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(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試和調(diào)試。目前常見的高速通信協(xié)議的協(xié)會(huì)往往不僅對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性提出要求，而是對(duì)包括電壓范圍，上升/下降時(shí)間等物理層參數(shù)有一致性測(cè)試指標(biāo)。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(jìn)行USB3.0一致性測(cè)試

5、汽車電子：

ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）：包括雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器信號(hào)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(shí)地處理各處傳感器返回的信號(hào)，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(cè)試升級(jí)，通過軟件升級(jí)滿足測(cè)試，進(jìn)一步拓寬了DS70000的使用場(chǎng)景。

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

6、研究與開發(fā)：

前沿技術(shù)研究：高校及科研機(jī)構(gòu)在新材料、新器件、新技術(shù)研究中，常常涉及高速信號(hào)測(cè)試，使用高帶寬示波器可以獲得更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。