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：
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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。Spectrum View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
圖4. 時(shí)域、頻域和調(diào)制域聯(lián)動(dòng)分析
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。
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、FFT Window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
小結(jié)
文中介紹了Spectrum View功能，闡述了與傳統(tǒng)示波器FFT方法的區(qū)別及優(yōu)勢(shì)。Tek049平臺(tái)及低噪聲放大前端Tek061的引入，可使得示波器達(dá)到低噪聲水平，這是測(cè)試微弱信號(hào)頻譜的重要前提。時(shí)域與頻域并行處理架構(gòu)，使得時(shí)頻域數(shù)據(jù)捕獲相互獨(dú)立，同時(shí)Spectrum Time的可移動(dòng)性，使得示波器具備了多域聯(lián)動(dòng)分析功能。