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。
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)，而是先通過數(shù)字下變頻(DDC 技術(shù) ) 得到 IQ 數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過 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)重采樣無需太高采樣率，大大降低了數(shù)據(jù)量，提高了處理速度。
無論與頻譜儀比較，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)試需要通過調(diào)整水平時(shí)基來改變RBW，在要求 RBW 很小的測(cè)試場景，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)用過程中，Spectrum View 與頻譜儀 FFT 模式下的數(shù)據(jù)處理過程相同，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)目超過限制，還可以通過使用頻域的 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
