高性能數字存儲示波器的防混淆問題

圖1一個5.5GHz信號分別由20GS/s和10GS/s捕捉的波形。
下邊由放大波形顯示信號的細節，右邊是測量的頻率參數。

圖2圖中三條曲線表示取樣率隨20GS/s數字化器在三個不同時間/格設置的變化。第一條的存儲器是250K樣本，第二條是1M樣本，第三條是100M樣本。

2002年力科、泰克、安捷倫三個公司分別推出使實時示波器的帶寬擴展到6GHz的三種數字示波器。三種儀器都具有高達20GS/s的取樣率，工程師在他們的電路除錯手段中獲得了前所未有的最高性能實時示波器。然而，跟所有新工具一樣，重要的是要掌握使用這些工具的最有效方法。值得注意的一點是信號混淆問題，這里既有在觀察中容易出錯的新問題，亦有可防止混淆信號分量使數據崩潰的新辦法。

信號混淆的基本原理
當信號欠取樣時會產生混淆。特別是，奈奎斯特原理告訴我們，為了儀器能重建正確的信號頻率，數字取樣系統必須在每個周期內捕捉兩個以上的樣本。當每個周期捕捉的樣本小于兩個時，儀器仍然獲得數據，粗心的用戶會認為觀察到的信號就是電路的真正信號，而實際都是“混淆”信號。混淆一詞是指真正信號頻率和實際信號形狀沒有看見，而且數字化點顯示出“假”的很容易被錯認的信號。
用20GS/s取樣率捕捉的5.5GHz信號與用10GS/s捕捉的結果對比如圖1所示。在第一種情況下，捕捉到正確的信號波形和測量到真正的頻率。在第二種情況下，雖然信號看來很真實，但它是欠取樣的。測量得的頻率4.5GHz是取樣率（10GS/s）與實際信號頻率（5.5GHz）之差。
粗心的示波器用戶可能注意到圖1的第二個示波器屏幕和認為實際信號頻率是4.5GHz，或者假定主要信號是2.5Gbit的通信信號，但是有一些5.5GHz的噪聲出現。用戶可能相信噪聲是4.5GHz和浪費時間在該頻率下尋找噪聲來源。

采用長存儲器防止混淆
一旦混淆信號作為信號采集的一部分被數字化，就不可能將混淆信號從出現在混淆頻率上的真正信號區分開。甚至在某一頻率下信號的真正分量就是一個混淆分量。如何避免混淆問題？最重要的防御辦法是對所用的數字化儀器有充分了解。圖2示出取樣率隨時基的變化曲線。雖然數字化儀的最高取樣率可達到20GS/s，如果樣本必須延伸到很寬的時間范圍，則樣本之間的間隔會大于50PS。這意味著信息有損失，超過奈奎斯特極限的信號分量就是混淆信號。
第一級防止混淆的辦法是擁有在盡可能多的時基下保持高取樣率的存儲系統。容易計算出出現混淆的時基。查閱數字化器的技術數據資料，以及了解在最高取樣率下有多大存儲器可供應用。一個數字化器的總存儲器可能有32M樣本，但是在最高取樣率下它只能捕捉到最多1M樣本。這相當于50μS的信號長度（50PS/樣本