向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

【理论篇】示波器上的频域分析利器--时频域信号分析技术

时间:2019-06-24 作者:Tektronix 阅读:
这是第二篇理论篇,主要介绍Spectrum View架构、FFT等内容。

上一篇文章中主要介绍了Spectrum View的特性,本文将重点介绍Spectrum View的架构及FFT相关的基础内容,包括数字下变频技术(DDC)、频谱泄露效应、时间窗等内容。AmVednc

tek-2-1.JPGAmVednc

图1. TEK049平台和超低噪声前端TEK061AmVednc

数字下变频 (DDC)

基于TEK049/TEK061创新平台的Spectrum View频谱分析功能,采用了数字下变频技术,得到数字IQ信号后再进行FFT,从而保证了频谱测试的灵活性和快捷性。图2给出了信号采集和处理架构示意图,模拟信号经过ADC转换为数字信号后,时域和频域是并行处理的,使得时域和频域捕获时间可以独立设置。AmVednc

AmVednc

tek-2-2.jpgAmVednc

图2. TEK049/TEK061信号采集和分析架构示意图AmVednc

数字下变频广泛应用于无线通信系统中,下变频的过程如图3所示,包括数字IQ解调、低通滤波和样点抽取 (或称为重采样) 等功能部分。数字IQ解调器的本振频率与Spectrum View中设置的中心频率相同,从而完成载波对消得到零中频信号;低通滤波器用于滤除高阶混频产物,最后经过样点抽取得到IQ信号。AmVednc

Spectrum View处理的是数字IQ信号,这也是相对于传统FFT的一大特色。相对于原始采集信号,IQ信号携带的频率要低很多,对IQ数据重采样无需太高采样率,大大降低了数据量,而捕获时间 (Spectrum Time) 又不受影响,即使需要较低的RBW,仍然具有非常高的处理速度。AmVednc

AmVednc

tek-2-3.pngAmVednc

图3. 数字下变频后得到IQ数据AmVednc

AmVednc

tek-2-4.pngAmVednc

图4. 对I/Q样点数据重采样示意图AmVednc

为了便于理解,图4给出了对I/Q样点重采样的示例,假设重采样率为原始采样率的1/5,重采样的过程就是从5个原始样点中抽取一个样点的过程,该过程并没有改变相对时序关系,这意味着经过样点抽取后,相同的样点数目具有更大的Spectrum Time,从而实现高频率分辨率。AmVednc

频谱泄露 (Spectral Leakage)

FFT变换是在一定假设下完成的,即认为被处理的信号是周期性的。图5给出了一正弦信号的采集样点波形,如果对Frame 1作FFT运算,则会对其进行周期扩展。显然,在周期扩展的时候,造成了样点的不连续,样点不连续等同于相位不连续,这将导致产生额外的频率成分,该现象称为频谱泄露。AmVednc

频谱泄露产生了原本信号中并不包含的频率成分,如图6所示,信号的频率本应只在虚线位置,但由于样点不连续,FFT之后导致产生了诸多频率点,如图所示的实线位置。频谱泄露会扰乱测试,尤其在观测小信号时,较强的频谱泄露成分可能淹没比较微弱的信号。AmVednc

如何避免或者降低频谱泄露呢?这就需要使用下文介绍的时间窗 (Window) 技术。AmVednc

AmVednc

tek-2-5.pngAmVednc

图5. 正弦信号采集样点(上)和Frame 1周期扩展波形(下)AmVednc

AmVednc

tek-2-6.pngAmVednc

图6. 样点不连续导致频率泄露AmVednc

时间窗 (Window)

如果能够消除样点不连续,就可以消除频谱泄露。为了实现这一点,需要引入时间窗 (Window),时间窗包含的样点数目与信号相同,而且两端的样点值通常为0。在FFT之前,时间窗与波形相乘,周期扩展后可以保证样点的连续性。AmVednc

AmVednc

tek-2-7.pngAmVednc

图7. 引入时间窗(Kaiser Window)降低了样点不连续AmVednc

时间窗相当于一个滤波器,不同的时间窗具有不同的频响特性,比如边带抑制、矩形因子等,相应的幅度测试精度也不同。虽然基于FFT的频谱分析中没有IF filter,但是依然有RBW的概念,时间窗就决定了RBW的形状和大小。AmVednc

常见的时间窗类型包括:Kaiser、Rectangular、Hamming、Hanning、Blackman-Harris、Flat-Top等。作为示例,图8给出了Kaiser时间窗的时域波形及幅频响应,其中幅频响应的3dB带宽即为RBW。AmVednc

RBW称为分辨率带宽,决定了频率分辨率,RBW越小,分辨率越高。RBW与时间窗宽度 (即Spectrum Time) 成反比,但即使时间窗宽度相同,不同的时间窗类型对应的RBW也不同,存在一个因子k,并满足如下关系:AmVednc

AmVednc

tek-2-f1.PNGAmVednc

表1给出了不同时间窗类型对应的比例因子 (Window Factor)。AmVednc

tek-2-8.PNGAmVednc

图8. Kaiser Window (β=16.7)的时域波形(左)和幅频响应(右)AmVednc

tek-2-t1.PNGAmVednc

表1. 不同时间窗对应的窗口因子AmVednc

AmVednc

Spectrum View支持多种时间窗,那么测试时如何选择时间窗呢?AmVednc

不同类型时间窗的应用场合也不相同,应根据待测信号的特点加以选择。表格2分别从频谱泄露、幅度测试精度及频率分辨率三个方面加以对比。值得一提的是,除了Rectangular时间窗,其它窗口类型均适用于宽带调制、宽带噪声信号的频谱测试。AmVednc

tek-2-t2.PNGAmVednc

表2. 不同时间窗的特点及应用场景AmVednc

小结

文中介绍得Spectrum View功能,侧重描述了所采用的数字下变频技术及其相对于示波器传统FFT测试频谱的优势。对于FFT过程中可能遇到的频谱泄露效应,为什么采用时间窗可以进行规避或减弱,时间窗与分辨率带宽RBW有什么关系,以及测试不同的信号时,应该如何选择时间窗,这些内容文中都有所描述。通过文中的介绍,可以使用户更好地理解和掌握Spectrum View的应用。AmVednc

推荐观看视频演示,了解如何利用示波器 Spectrum View功能演示多通道信号频谱分析AmVednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 嵌入式平台上的自动音频接口测试 本文介绍一种常用的技术,用于检测音频接口测试中与装配相关的故障问题。
  • 数学能做为通用语言吗? 我在看完电影《接触未来(Contact)》后特别印象深刻的引述,是“数学是真正的唯一通用语言”;那句话在我脑海里回荡许久,因为基本上我同意这个说法,但也让我衍生更多的问题…
  • 机场、火车站用热像仪做体温筛查引热议,对人体有害吗? 疫情肆虐,又正值春运人员流动高峰期,为避免检查工作人员与人流直接接触发生反复交叉感染,各地在火车站、地铁、机场、码头、客运站等交通枢纽,以及医院、商超、企业等人员密集地纷纷采用非接触式的热成像测温系统(热成像相机+黑体)方式。就此,也有不少人提出疑问,做体温检测的红外热像仪,“它对人体有害吗”?
  • 测量范德堡法电阻率和霍尔电压 半导体材料研究和器件测试通常要测量样本的电阻率和霍尔电压。半导体材料的电阻率主要取决于体掺杂,在器件中,电阻率会影响电容、串联电阻和阈值电压。霍尔电压测量用来推导半导体类型(n还是p)、自由载流子密度和迁移率。
  • DIY高精度六位半数字万用表,分享详细原理图 随着电子技术的进步,高性能低成本的器件层出不穷,使得制作一部低档的6.5位数字多用表成为了可能,这里介绍这款六位版,就是在性能上、功能上和成本上综合考虑的一种设计实现方案。
  • 展望2020年观测试仪器需求五大趋势 2019年测试测量行业跟随产业发展而动,迎来了5G商用启动、IoT的迅速发展,也经历着全球贸易、行业发展的波折,整个电子行业在探求更多创新和发展,特别是在垂直应用领域的发力。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告