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【基礎篇】示波器上的頻域分析利器，Spectrum View測試分析

2019-06-19 13:31:13 泰克

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示波器和頻譜儀都是電子測試測量中必不可少的測試設備，分別用于觀察信號的時域波形和頻譜。時域波形是信號最原始的信息，而頻譜的引入主要是為了便于分析信號，比如諧波和雜散的測試，從時域上很難觀察到，但是從頻域就可以非常明了的區分開。

示波器除了具有采集信號的基本功能，還可以對信號進行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，是一款功能強大的頻譜分析工具，它的引入開啟了全新的時頻域信號分析。

結合了TEK049 ASIC創新平臺及TEK061低噪聲前端放大芯片的頻譜模式-- Spectrum View是獲得高動態、低噪底的強有力保證。

圖1. TEK049平臺和超低噪聲前端TEK061

Spectrum View特性一覽

從實現方法上講，Spectrum View也是采用FFT，但并不是直接處理采集的樣點，而是先通過數字下變頻 (DDC技術) 得到IQ數據，然后經過FFT得到信號頻譜。這也是相對于傳統FFT的一大特色。與原始采集信號相比，IQ信號攜帶的頻率要低很多，對IQ數據重采樣無需太高采樣率，大大降低了數據量，提高了處理速度。

無論與頻譜儀比較，還是與示波器傳統的FFT方法相比，Spectrum View都具有自己的特色：

Spectrum View使得時、頻域捕獲時間相互獨立，當設置較小的RBW時依然可以保證示波器的處理速度。傳統FFT測試需要通過調整水平時基來改變RBW，在要求RBW很小的測試場景，需要增大水平時基，嚴重影響了示波器處理速度。
Spectrum View具有標準頻譜儀的操作設置，如圖2所示，具有更友好的交互界面，可以直接設置中心頻率、Span、RBW及時域窗口的類型。
Spectrum View支持豐富的探測方式，且能夠測試極低頻率信號頻譜，是普通頻譜儀所不能及的；
支持多通道時、頻域聯合分析，而且支持觸發捕獲，使其可以分析瞬態或者間歇性信號的頻譜；
支持多種時間窗類型，可以根據待測信號的特性進行選擇，以保證測試結果的精確性；
支持峰值自動搜索功能，可以設定峰值搜索閾值，可顯示多達11個Peak Marker；
支持Normal、Max. Hold、Min. Hold以及Average等四種跡線顯示模式；
當顯示多個通道的頻譜時，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，但中心頻率可以獨立設定。

圖2. Spectrum View操作界面

時頻域并行分析

圖3給出了信號采集和處理架構示意圖，模擬信號經過ADC轉換為數字信號后，時域和頻域是并行處理的，從而可以獨立設置時域和頻域捕獲時間。Spectrum View支持滑動Spectrum Time的位置，對不同時段的信號作頻譜測試，這使得對信號進行時頻域聯動測試成為可能。

圖3. 信號采集和分析架構示意圖

圖4. 時域、頻域和調制域聯動分析

作為示例，圖4給出了一個跳頻信號分析結果，同時給出了時域波形、頻譜及跳頻序列的結果。圖中紅色標記處為Spectrum Time，即用于FFT分析的時間，其位置是可以移動的，測試的頻譜就是當前位置對應的頻譜。拖動Spectrum Time的位置，可以分別對不同的頻點進行觀測，當前觀測的是頻率切換過程中的頻譜變化。

多通道頻譜測試

頻譜應用過程中，Spectrum View與頻譜儀FFT模式下的數據處理過程相同，雖然測試動態不如頻譜儀，但是Spectrum View有著自己的優勢，比如可以測試極低頻率的信號，具有豐富靈活的探測方式，以及時頻分析的相關性。此外，Spectrum View還支持多通道頻譜測試，這得益于TEK049支持同時對每個通道的信號作頻譜分析處理。

類似于TEK049的多通道時域波形顯示方式，所激活的頻譜既可以“堆棧 (Stacked) ”顯示，也可以“重疊 (Overlay) ”顯示。圖5同時觀測了兩個通道的時域波形及頻譜，并且采用了重疊顯示，以便于頻譜之間的對比。

所有通道的頻譜共用相同的Span、RBW、FFT Window及Spectrum Time，這一點與時域要求多通道間共用采樣率、水平時基及觸發類似。盡管如此，各個通道的中心頻率可以獨立設置，默認是聯動的，也可以根據需要設置為不同值。

Spectrum View支持自動搜索峰值，最多支持11個Peak Marker，幅值最大的頻點自動標記為“Ref. Marker”，其它Marker的頻點和幅值可以顯示為絕對值，也可以顯示為相對于“Ref. Marker”的相對值。如果所需要的Marker數目超過限制，還可以通過使用頻域的cursor確定頻率和幅值。

圖5. 同時觀測兩個通道的時域波形及頻譜

小結

文中介紹了Spectrum View功能，闡述了與傳統示波器FFT方法的區別及優勢。Tek049平臺及低噪聲放大前端Tek061的引入，可使得示波器達到低噪聲水平，這是測試微弱信號頻譜的重要前提。時域與頻域并行處理架構，使得時頻域數據捕獲相互獨立，同時Spectrum Time的可移動性，使得示波器具備了多域聯動分析功能。

關鍵詞：泰克測試測量