示波器底噪声和带宽的关系--示波器的射频指标连载（1） 示波器, 带宽, 连载

yuchengze

从前面介绍的一些示波器在射频测试里的典型应用可以看出：由于技术的发展，使得示波器高带宽、多通道的优势非常适合于各种复杂的超宽带应用，同时其时域、频域的综合分析能力也提高了测量的直观性。
      但是在使用示波器做射频信号测试时，我们不能不对其精度和性能有一定的顾虑。因为实时示波器虽然采样率很高，但是由于普遍采用8bit的ADC，所以其量化误差和底噪声较大。而且传统示波器只会给出其带宽、采样率、存储深度等指标，可供参考的频域方面的性能指标较少。因此，下面我们将通过一些实际的测试和分析，来认识一下示波器的射频性能指标。

底噪声（Noise Floor）      底噪声是测量仪器非常重要的一个指标，它会影响到测量结果的信噪比以及测量小信号的能力。传统上会认为示波器的底噪声较高，因此不适用于小信号测量，其实并不完全是这样，最主要原因在于不同仪器对底噪声的定义方式不一样。

      底噪声的主要来源是热噪声以及前端放大器增加的噪声，这两部分噪声通常是和带宽近似成正比的。比如热噪声的计算公式如下，噪声功率和带宽是线性的关系。


      示波器作为一台宽带测量仪器，其底噪声指标给出的是全带宽范围内噪声的总和，而且也近似和带宽成正比。

      比如在下图左边是Keysight公司S系列示波器手册里给出的底噪声指标。在50mv/div的量程下，4GHz带宽的示波器S-404的底噪声为768uVrms，近似是1GHz带宽的示波器S-104在相同量程下底噪声456uVrms的2倍。由于功率是电压的平方，所以4GHz示波器的底噪声的功率是相同条件下1GHz示波器底噪声功率的4倍，和带宽的倍数正好相当。


      正是由于底噪声和带宽近似成正比，所以宽带示波器的底噪声会比窄带的大。为了公平，我们可以把示波器在不同量程下的底噪声归一化到每单位Hz进行比较，而这也正是频谱仪等射频仪器里对其底噪声DANL（Displayed average noise level）的描述方法。

      比如在每格50mv量程下，示波器的满量程是8格相当于400mV，对应于-4dBm的满量程，对于8GHz的S-804A示波器来说，其8GHz带宽范围内总的底噪声是1.4mVrms，相当于-44dBm，归一化到每单位Hz的底噪声就相当于-143dBm/Hz。而在更小的量程下，S系列示波器的底噪声可以达到-158dBm/Hz，这个指标已经好于绝大多数市面上频谱仪不打开前置放大器的情况。即使在打开前置放大器的情况下，很多频谱仪的DANL指标也仅仅比S系列示波器好几个dB而已。

      下图是一个S系列8GHz带宽示波器在最小量程下底噪声的实测结果。中心频点1GHz，Span=20MHz，除了在1GHz频点有很小的杂散以外，其在RBW=10KHz下的底噪声约为-120dBm，相当于约-160dBm/Hz。


      因此，归一化到每单位Hz后，示波器的底噪已经优于绝大多数频谱仪在不打开前置放大器时的指标，这个指标还是相当不错的。

      由于噪声是和带宽成正比的，所以如果信号带宽只集中在某一个频段范围内，就可以通过相应的数字滤波技术来滤除不必要的带外噪声以提高信噪比，比如很多示波器里的数字带宽调整功能就是一种降低示波器自身底噪声的方法。