矢量网络分析仪(VNA)VS 时域反射仪(TDR)示波器

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日期:2025-01-15

核心速览

本文比较了矢量网络分析仪(VNA)和时域反射仪(TDR)示波器在测量性能上的差异,特别是在高速数字通信系统中对信号完整性问题的检测和表征。

研究背景

·  研究问题:随着数字通信标准的比特率显著增加,传统数字系统未见的问题如反射、损耗、时序偏差、电磁辐射和串扰等开始影响信号质量,导致比特错误。这些问题在电路设计中变得越来越重要,但同时缩短开发时间的压力也越来越大。
·  研究难点:在高速数字系统中,信号完整性问题的检测和表征需要高精度的测量仪器。这些仪器必须具备高动态范围、精确的激励信号同步、快速的测量吞吐量和显示更新。传统基于采样示波器的TDR在高动态范围和快速测量之间难以兼顾,且易受电磁干扰和静电放电(ESD)的影响。
·  文献综述:本文提到的文献包括Keysight Technologies的《物理层设备时域和频域分析的局限性和准确性》(文献编号5988-2421EN),该文献详细讨论了VNA和TDR示波器的局限性和准确性。

测量性能比较

·  矢量网络分析仪(VNA)与TDR示波器的比较:本文比较了VNA和TDR示波器在测量性能上的差异,特别是在高速数字通信系统中对信号完整性问题的检测和表征。VNA和TDR示波器在测量要求上有所不同,VNA能够提供更高的动态范围和更精确的信号同步,而TDR示波器在测量速度和显示更新方面具有优势。

VNA测量原理

·  频率响应测量:VNA测量设备在测试(DUT)的频率响应,通过输入正弦波信号并计算参考信号与传输(S21)或反射(S11)信号之间的向量幅度比。通过在频率上扫描信号输入,获得频率响应,并使用带通滤波器去除噪声和不需要的信号以提高准确性。

频域到时域的转换

·  逆傅里叶变换:利用逆傅里叶变换将VNA获得的反射和传输频率响应转换为时域脉冲响应。通过积分脉冲响应获得阶跃响应,这与TDR示波器上观察到的响应相同。由于积分计算耗时,实际操作中在频率域使用傅里叶变换的卷积定理进行快速计算。

VNA与TDR示波器的动态范围比较

·  动态范围的理论比较:在假设系统噪声和带宽相等的情况下,比较了VNA和TDR示波器的动态范围。VNA的带通滤波器在信号通过时无损失,而噪声在滤波器的阻带中被衰减,从而提高了动态范围。VNA的动态范围比TDR示波器高10 log(fc/fr)dB。

信号同步比较

·  多端口设备测量同步:在测量多端口设备时,TDR示波器需要同步每个端口的激励信号,而VNA在频率域进行测量并计算逆傅里叶变换以获得时域响应。VNA的测量结果不受激励波动的影响,因此在时域响应中不会出现由于激励波动引起的误差。

静电放电(ESD)敏感性比较

·  ESD保护:TDR示波器由于其内部结构,难以实现ESD保护电路,而VNA可以容易地实现ESD保护。即使保护电路带来一些损失,通过计算输入和输出之间的向量比率,损失可以被抵消,从而不影响测量准确性。

总体结论

·  VNA的优势:VNA在高速数字通信系统中对信号完整性问题的检测和表征方面具有优势,特别是在动态范围、信号源稳定性和抗ESD能力方面。VNA的高动态范围和精确的信号同步使其成为TDR测量的理想选择。

使用矢量网络分析仪(VNA)进行时域反射测量(TDR)是一种测量设备,它能够检测和表征数字系统设计中的问题,如反射和损耗导致的信号失真、信号路径的时间偏差、电磁辐射和杂散电容耦合导致的串扰等。VNA测量设备的频率响应,通过计算参考信号和传输(S21)或反射(S11)信号之间的矢量幅度比来获得频率响应,并通过在频率上扫描信号输入来实现。然后,通过应用逆傅里叶变换将频率域数据转换为时域脉冲响应,从而获得与TDR示波器观察到的相同响应。

VNA在时域和频域的动态范围比较中,由于其架构的差异,具有一定的优势。VNA的带通滤波器可以无损地通过信号,并在滤波器的阻带中衰减噪声,从而提高动态范围。相比之下,TDR示波器在进行等效采样频率测量时,需要更长的测量时间来获得相同的动态范围。

此外,VNA在多端口设备的信号同步方面也具有优势。VNA在频域中进行测量并计算逆傅里叶变换以获得时域响应,而TDR示波器需要同步每个端口的激励信号。VNA的测量结果不受激励信号波动的影响,因此在时域响应中不会包含由于激励波动引起的误差。

最后,VNA对静电放电(ESD)的敏感性较低,因为可以容易地在其上实施保护电路,而TDR示波器由于其内部结构,难以实现ESD保护,容易因ESD而损坏。

综上所述,VNA在进行TDR测量时,能够提供高动态范围、更好的源稳定性和更高的鲁棒性,是进行TDR测量的一个优选方案。