你的位置:首頁 > 測試測量 > 正文

【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術

發(fā)布時間:2019-11-14 責任編輯:wenwei

【導讀】上一篇文章中主要介紹了Spectrum View的特性,本文將重點介紹Spectrum View的架構及FFT相關的基礎內容,包括數(shù)字下變頻技術(DDC)、頻譜泄露效應、時間窗等內容。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖1. TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061
 
數(shù)字下變頻 (DDC)
 
基于TEK049/TEK061 創(chuàng)新平臺的Spectrum View頻譜分析功能,采用了數(shù)字下變頻技術,得到數(shù)字IQ信號后再進行FFT,從而保證了頻譜測試的靈活性和快捷性。圖2給出了信號采集和處理架構示意圖,模擬信號經(jīng)過ADC轉換為數(shù)字信號后,時域和頻域是并行處理的,使得時域和頻域捕獲時間可以獨立設置。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖2. TEK049/TEK061信號采集和分析架構示意圖
 
數(shù)字下變頻廣泛應用于無線通信系統(tǒng)中,下變頻的過程如圖3所示,包括數(shù)字IQ解調、低通濾波和樣點抽取 (或稱為重采樣) 等功能部分。數(shù)字IQ解調器的本振頻率與Spectrum View中設置的中心頻率相同,從而完成載波對消得到零中頻信號;低通濾波器用于濾除高階混頻產(chǎn)物,最后經(jīng)過樣點抽取得到IQ信號。
 
Spectrum View處理的是數(shù)字IQ信號,這也是相對于傳統(tǒng)FFT的一大特色。相對于原始采集信號,IQ信號攜帶的頻率要低很多,對IQ數(shù)據(jù)重采樣無需太高采樣率,大大降低了數(shù)據(jù)量,而捕獲時間 (SpectrumTime) 又不受影響,即使需要較低的RBW,仍然具有非常高的處理速度。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖3. 數(shù)字下變頻后得到IQ數(shù)據(jù)
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖4. 對I/Q樣點數(shù)據(jù)重采樣示意圖
 
為了便于理解,圖4給出了對I/Q樣點重采樣的示例,假設重采樣率為原始采樣率的1/5,重采樣的過程就是從5個原始樣點中抽取一個樣點的過程,該過程并沒有改變相對時序關系,這意味著經(jīng)過樣點抽取后,相同的樣點數(shù)目具有更大的Spectrum Time,從而實現(xiàn)高頻率分辨率。
 
頻譜泄露 (Spectral Leakage)
 
FFT變換是在一定假設下完成的,即認為被處理的信號是周期性的。圖5給出了一正弦信號的采集樣點波形,如果對Frame 1作FFT運算,則會對其進行周期擴展。顯然,在周期擴展的時候,造成了樣點的不連續(xù),樣點不連續(xù)等同于相位不連續(xù),這將導致產(chǎn)生額外的頻率成分,該現(xiàn)象稱為頻譜泄露。
 
頻譜泄露產(chǎn)生了原本信號中并不包含的頻率成分,如圖6所示,信號的頻率本應只在虛線位置,但由于樣點不連續(xù),F(xiàn)FT之后導致產(chǎn)生了諸多頻率點,如圖所示的實線位置。頻譜泄露會擾亂測試,尤其在觀測小信號時,較強的頻譜泄露成分可能淹沒比較微弱的信號。
 
如何避免或者降低頻譜泄露呢?這就需要使用下文介紹的時間窗 (Window) 技術。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖5. 正弦信號采集樣點(上)和Frame 1周期擴展波形(下)
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖6. 樣點不連續(xù)導致頻率泄露
 
時間窗 (Window)
 
如果能夠消除樣點不連續(xù),就可以消除頻譜泄露。為了實現(xiàn)這一點,需要引入時間窗 (Window),時間窗包含的樣點數(shù)目與信號相同,而且兩端的樣點值通常為0。在FFT之前,時間窗與波形相乘,周期擴展后可以保證樣點的連續(xù)性。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖7. 引入時間窗(Kaiser Window)降低了樣點不連續(xù)
 
時間窗相當于一個濾波器,不同的時間窗具有不同的頻響特性,比如邊帶抑制、矩形因子等,相應的幅度測試精度也不同。雖然基于FFT的頻譜分析中沒有IF filter,但是依然有RBW的概念,時間窗就決定了RBW的形狀和大小。
 
常見的時間窗類型包括:Kaiser、Rectangular、Hamming、Hanning、Blackman-Harris、Flat-Top等。作為示例,圖8給出了Kaiser時間窗的時域波形及幅頻響應,其中幅頻響應的3dB帶寬即為RBW。
 
RBW稱為分辨率帶寬,決定了頻率分辨率,RBW越小,分辨率越高。RBW與時間窗寬度 (即SpectrumTime) 成反比,但即使時間窗寬度相同,不同的時間窗類型對應的RBW也不同,存在一個因子k,并滿足如下關系:
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
 
表格1給出了不同時間窗類型對應的比例因子 (Window Factor)。
 
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
圖8. Kaiser Window (β=16.7)的時域波形(左)和幅頻響應(右)
 
表1. 不同時間窗對應的窗口因子
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
 
Spectrum View支持多種時間窗,那么測試時如何選擇時間窗呢?
 
不同類型時間窗的應用場合也不相同,應根據(jù)待測信號的特點加以選擇。表格2分別從頻譜泄露、幅度測試精度及頻率分辨率三個方面加以對比。值得一提的是,除了Rectangular時間窗,其它窗口類型均適用于寬帶調制、寬帶噪聲信號的頻譜測試。
 
表2. 不同時間窗的特點及應用場景
【理論篇】示波器上的頻域分析利器--時頻域信號分析技術
 
小結
 
文中介紹得Spectrum View功能,側重描述了所采用的數(shù)字下變頻技術及其相對于示波器傳統(tǒng)FFT測試頻譜的優(yōu)勢。對于FFT過程中可能遇到的頻譜泄露效應,為什么采用時間窗可以進行規(guī)避或減弱,時間窗與分辨率帶寬RBW有什么關系,以及測試不同的信號時,應該如何選擇時間窗,這些內容文中都有所描述。通過文中的介紹,可以使用戶更好地理解和掌握Spectrum View的應用。
 
 
推薦閱讀:
 
【基礎篇】示波器上的頻域分析利器 ,Spectrum View測試分析
【360度看新一代示波器】系列之四:最大化內存使用率且保證波形細節(jié)
智能門鈴設計二三事:視頻、音頻及電源技術
PCB生產(chǎn)中的過孔和背鉆有哪些技術?
碳化硅器件:純電動車三級充電樁的優(yōu)選(二)
要采購示波器么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉