摘要
示波器和頻譜儀都是電子測(cè)試測(cè)量中必不可少的測(cè)試設(shè)備，分別用于觀察信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜。時(shí)域波形是信號(hào)最原始的信息，而頻譜的引入主要是為了便于分析信號(hào)，比如諧波和雜散的測(cè)試，從時(shí)域上很難觀察到，但是從頻域就可以非常明了的區(qū)分開(kāi)。
示波器除了具有采集信號(hào)的基本功能，還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換得到頻譜，從而兼具頻譜分析功能。幾乎所有的中高端示波器均支持 FFT 頻譜分析。本文將要介紹的頻譜分析功能——Spectrum View，是一款功能強(qiáng)大的頻譜分析工具，它的引入開(kāi)啟了全新的時(shí)頻域信號(hào)分析。
結(jié)合了 TEK049 ASIC 創(chuàng)新平臺(tái)及 TEK061 低噪聲前端放大芯片的頻譜模式 -- Spectrum View 是獲得高動(dòng)態(tài)、低噪底的強(qiáng)有力保證。
圖 1. TEK049 平臺(tái)和超低噪聲前端 TEK061
Spectrum View 特性一覽
從實(shí)現(xiàn)方法上講，Spectrum View 也是采用 FFT，但并不是直接處理采集的樣點(diǎn)，而是先通過(guò)數(shù)字下變頻(DDC 技術(shù) ) 得到 IQ 數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò) FFT 得到信號(hào)頻譜。這也是相對(duì)于傳統(tǒng) FFT 的一大特色。與原始采集信號(hào)相比，IQ 信號(hào)攜帶的頻率要低很多，對(duì) IQ 數(shù)據(jù)重采樣無(wú)需太高采樣率，大大降低了數(shù)據(jù)量，提高了處理速度。
無(wú)論與頻譜儀比較，還是與示波器傳統(tǒng)的 FFT 方法相比，Spectrum View 都具有自己的特色：
﹒Spectrum View 使得時(shí)、頻域捕獲時(shí)間相互獨(dú)立，當(dāng)設(shè)置較小的 RBW 時(shí)依然可以保證示波器的處理速度。傳統(tǒng) FFT 測(cè)試需要通過(guò)調(diào)整水平時(shí)基來(lái)改變RBW，在要求 RBW 很小的測(cè)試場(chǎng)景，需要增大水平時(shí)基，嚴(yán)重影響了示波器處理速度。
﹒Spectrum View 具有標(biāo)準(zhǔn)頻譜儀的操作設(shè)置，如圖2 所示，具有更友好的交互界面，可以直接設(shè)置中心頻率、Span、RBW 及時(shí)域窗口的類型。
﹒Spectrum View 支持豐富的探測(cè)方式，且能夠測(cè)試極低頻率信號(hào)頻譜，是普通頻譜儀所不能及的；
﹒支持多通道時(shí)、頻域聯(lián)合分析，而且支持觸發(fā)捕獲， 使其可以分析瞬態(tài)或者間歇性信號(hào)的頻譜；
﹒支持多種時(shí)間窗類型，可以根據(jù)待測(cè)信號(hào)的特性進(jìn)行選擇，以保證測(cè)試結(jié)果的精確性；
﹒支持峰值自動(dòng)搜索功能，可以設(shè)定峰值搜索閾值，可顯示多達(dá) 11 個(gè) Peak Marker；
﹒支持 Normal、Max. Hold、Min. Hold 以 及 Average 等四種跡線顯示模式；
﹒當(dāng)顯示多個(gè)通道的頻譜時(shí)，既可以“堆棧 (Stacked) ”顯示，也可以“重疊 (Overlay) ”顯示；
﹒所有通道具有相同的 Span、RBW、FFT Window 及 Spectrum Time，但中心頻率可以獨(dú)立設(shè)定。
圖 2. Spectrum View 操作界面
時(shí)頻域并行分析
圖 3 給出了信號(hào)采集和處理架構(gòu)示意圖，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，時(shí)域和頻域是并行處理的，從而可以獨(dú)立設(shè)置時(shí)域和頻域捕獲時(shí)間。SpectrumView 支持滑動(dòng) Spectrum Time 的位置，對(duì)不同時(shí)段的信號(hào)作頻譜測(cè)試，這使得對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域聯(lián)動(dòng)測(cè)試成為可能。
圖 3. 信號(hào)采集和分析架構(gòu)示意圖
作為示例，圖 4 給出了一個(gè)跳頻信號(hào)分析結(jié)果，同時(shí)給出了時(shí)域波形、頻譜及跳頻序列的結(jié)果。圖中紅色標(biāo)記處為 Spectrum Time，即用于 FFT 分析的時(shí)間，其位置是可以移動(dòng)的，測(cè)試的頻譜就是當(dāng)前位置對(duì)應(yīng)的頻譜。拖動(dòng) Spectrum Time 的位置，可以分別對(duì)不同的頻點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)前觀測(cè)的是頻率切換過(guò)程中的頻譜變化。
圖 4. 時(shí)域、頻域和調(diào)制域聯(lián)動(dòng)分析
多通道頻譜測(cè)試
頻譜應(yīng)用過(guò)程中，Spectrum View 與頻譜儀 FFT 模式下的數(shù)據(jù)處理過(guò)程相同，雖然測(cè)試動(dòng)態(tài)不如頻譜儀，但是 Spectrum View 有著自己的優(yōu)勢(shì)，比如可以測(cè)試極低頻率的信號(hào)，具有豐富靈活的探測(cè)方式，以及時(shí)頻分析的相關(guān)性。此外，Spectrum View 還支持多通道頻譜測(cè)試，這得益于 TEK049 支持同時(shí)對(duì)每個(gè)通道的信號(hào)作頻譜分析處理。
類似于 TEK049 的多通道時(shí)域波形顯示方式，所激活的頻譜既可以“堆棧 (Stacked) ”顯示，也可以“重疊 (Overlay) ”顯示。圖 5 同時(shí)觀測(cè)了兩個(gè)通道的時(shí)域波形及頻譜，并且采用了重疊顯示，以便于頻譜之間的對(duì)比。
所 有 通 道 的 頻 譜 共 用 相 同 的 Span、RBW、FFTWindow 及 Spectrum Time，這一點(diǎn)與時(shí)域要求多通道間共用采樣率、水平時(shí)基及觸發(fā)類似。盡管如此，各個(gè)通道的中心頻率可以獨(dú)立設(shè)置，默認(rèn)是聯(lián)動(dòng)的，也可以根據(jù)需要設(shè)置為不同值。
Spectrum View 支持自動(dòng)搜索峰值，最多支持 11 個(gè)Peak Marker，幅值最大的頻點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)記為“Ref.Marker”，其它 Marker 的頻點(diǎn)和幅值可以顯示為絕對(duì)值，也可以顯示為相對(duì)于“Ref. Marker”的相對(duì)值。如果所需要的 Marker 數(shù)目超過(guò)限制，還可以通過(guò)使用頻域的 cursor 確定頻率和幅值。
圖 5. 同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)通道的時(shí)域波形及頻譜
