示波器的 FFT 功能怎么調(diào)？

示波器fft功能-示波器中的快速傅立葉變換 FFT功能非常有用。是德科技與您分享keysight示波器fft調(diào)出來的方法。Keysight示波器FFT調(diào)出來的方法

FFT的菜單欄中，包含F(xiàn)FT運(yùn)算頻譜類型的選擇，可以選擇線或者分貝來作為幅值分別以V-Hz或dB-Hz被繪制在示波器顯示屏上。當(dāng)FFT開啟的時(shí)候，可以看到水平軸的時(shí)基從時(shí)間變成了頻率，垂直軸單位變?yōu)閂或者dB。頻譜類型下方是觸發(fā)源的選擇，這個(gè)比較好理解，要對哪個(gè)通道進(jìn)行FFT運(yùn)算，我們就選哪個(gè)通道為源。源下方是四種不同的FFT窗，分別是矩形窗、哈明窗、布萊克曼窗、漢寧窗。

那么為什么FFT會(huì)有不同的窗選擇呢？

因?yàn)镕FT算法計(jì)算頻譜信號采樣時(shí)，只能得到采樣點(diǎn)的信息， 不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，因此忽略了采樣間隔中數(shù)據(jù)信息，這是不可避免的，也稱之為柵欄效應(yīng)。示波器是對有限長度的時(shí)間記錄進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT算法是假設(shè)時(shí)域波形是不斷重復(fù)的。這樣當(dāng)周期為整數(shù)時(shí)，時(shí)域波形在開始和結(jié)束處波形的幅值相同，波形就不會(huì)產(chǎn)生中斷。但是，如果時(shí)域波形的周期為非整數(shù)時(shí)，就引起波形開始和結(jié)束處的波形幅值不同，從而使連接處產(chǎn)生高頻瞬態(tài)中斷。在頻域中，這種效應(yīng)稱為泄漏。因此，為避免泄漏的產(chǎn)生，在原波形上乘以一個(gè)窗函數(shù)，強(qiáng)制開始和結(jié)束處的值為零。

下面的視頻也演示了如何使用keysight FFT測試：

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有關(guān)示波器FFT頻譜分析功能的一些基本原理

有多種因素會(huì)影響此類示波器FFT頻譜分析達(dá)到預(yù)期的精度和準(zhǔn)確度。這些因素將在下文中進(jìn)行探討。

我們必須了解示波器的采樣特征對于示波器FFT測試質(zhì)量有什么樣的影響。示波器的模擬帶寬、采樣率、存儲(chǔ)器深度和捕獲時(shí)間均對于測量結(jié)果有著深刻影響，同時(shí)這種影響也取決于被測信號的特征，以及這些信號特征與示波器捕獲性能之間的關(guān)系。

例如，在這個(gè)簡單的示例中，我們要測量一個(gè)單音頻 600 MHz 正弦波信號，并想要觀察此信號的基本頻譜特征，示波器必須擁有足夠的模擬帶寬才不會(huì)對信號的幅度造成衰減。由于這臺示波器擁有最大 1 GHz 的模擬帶寬，因此足夠測量 600 MHz 音頻。該測量將證明時(shí)間 / 格設(shè)置對于在測量時(shí)保持此帶寬是非常重要的。

為了避免在信號的數(shù)字化過程中發(fā)生混疊，采樣速度必須至少達(dá)到被測信號中任何可感知頻率的兩倍。在這個(gè)最簡單的正弦波示例中，測量這個(gè) 600 MHz 正弦波信號需要使用至少 1.2 GHz 的采樣率。顯然，本示波器高達(dá) 5 GSa/s 的采樣率對此測量綽綽有余。但要達(dá)到至少 1.2 GHz 的采樣率，示波器的時(shí)間 / 格設(shè)置必須保持在某個(gè)特定范圍內(nèi)。

對這個(gè) 600 MHz 正弦波的 FFT測試能達(dá)到什么樣的質(zhì)量呢？讓我們回到圖 1 中的示波器FFT 測量，請注意主要的單頻尖峰，其相關(guān)的測量游標(biāo)顯示大約 600 MHz 的頻率和 0 dBm 的功率。這與預(yù)期相吻合。

由示波器FFT 數(shù)據(jù)所驅(qū)動(dòng)的 FFT 中的實(shí)際譜線之間的間隔稱為“分辨率帶寬”。因?yàn)樾盘柲芰康姆植挤绞?，所以它有時(shí)也稱為頻率“分段”寬度。分辨率帶寬嚴(yán)格基于采集數(shù)據(jù)的時(shí)間長度和所選 FFT 窗口類型的因數(shù)。此處使用矩形窗口，因數(shù)為“1”，因此分辨率帶寬就是記錄時(shí)間的倒數(shù)。在本例中：

分辨率帶寬 = 1 / (200 ns/ 格 x 10 格 ) = 500 kHz

因此這個(gè) FFT 能夠區(qū)分信號頻譜中間隔大于 500 kHz 的頻率分量 , 而間隔小于 500 kHz 的頻率分量會(huì)混成一團(tuán)無法區(qū)分。FFT“分辨率帶寬”不應(yīng)與屏幕上顯示的“FFT 分辨率” 數(shù)字（153 kHz）相混淆。后者描述的是 FFT 數(shù)據(jù)中兩個(gè) FFT 點(diǎn)之間的實(shí)際間隔，但它不是在既定時(shí)間跨度內(nèi)所獲得的實(shí)際分辨率帶寬。推薦閱讀：

示波器的 6 大高級使用技巧 ?www.keysight.com.cn/cn/zh/assets/7018-06431/ebooks/5992-3519.pdf

屏幕上的縮減時(shí)間如何降低示波器FFT 響應(yīng)性能

為了證明記錄時(shí)間對 FFT 結(jié)果的重要性，如果時(shí)間 / 格放大至 1 ns/ 格，屏幕上只顯示 10 ns 的新時(shí)間記錄，則分辨率帶寬會(huì)迅速改變?yōu)椋?/p>

分辨率帶寬 = 1 / (10 ns) = 100 MHz

FFT 結(jié)果的巨大變化如圖 2 所示，圖中更粗糙地顯示了 600 MHz 的頻域尖峰。顯示在此進(jìn)行了折衷?，F(xiàn)在正在處理的時(shí)間采樣越少，那么計(jì)算出的 FFT 結(jié)果的頻譜線就越少，分辨率帶寬越差，但是FFT測試速度大大加快。

圖 2. 采用 600 MHz 正弦波輸入和 1 ns/ 格時(shí)的時(shí)域捕獲結(jié)果，以及 FFT 計(jì)算結(jié)果。

時(shí)間 / 格的注意事項(xiàng)

時(shí)間 / 格設(shè)置如果設(shè)置得太小，就會(huì)造成屏幕上顯示的時(shí)間記錄太短，時(shí)間點(diǎn)太少，從而降低FFT測試的性能（如前面所示）；而如果時(shí)間 / 格設(shè)置得太大，使得屏幕上顯示的時(shí)間記錄太長，也可能會(huì)造成問題，因?yàn)槭静ㄆ鲿?huì)降低采樣率以保持良好的吞吐量。

例如，時(shí)間 / 格設(shè)置可向上平移至 200 ns/ 格，在屏幕上顯示 2 μs 的時(shí)間記錄，在此條件下，示波器能夠保持 5 Gsa/s 的采樣率和 1 GHz 的模擬帶寬。但是在采用 330 ns/ 格及更高設(shè)置時(shí)，采樣率就會(huì)下降，示波器帶寬降低，這樣會(huì)影響 FFT 結(jié)果。

使用起始頻率、終止頻率、中心頻率和掃寬控制

FFT 計(jì)算和結(jié)果視圖的一個(gè)重要功能是能夠?qū)δP(guān)注的區(qū)域進(jìn)行放大分析。第一個(gè)示例擁有 0 Hz 至 2.5 GHz 的寬頻率掃寬，因此很難看到 600 MHz 載波附近的任何細(xì)節(jié)。如果在 600 MHz 載波頻率附近存在著可疑噪聲，并希望對此噪聲進(jìn)行檢驗(yàn)。FFT 控制功能可以將中心頻率設(shè)置在 600 MHz，并設(shè)置一個(gè)目標(biāo)掃寬，例如在 600 MHz 載波附近 100 MHz。設(shè)置 550 MHz 的起始頻率和和 650 MHz 的終止頻率也可以提供相同結(jié)果。采用這些參數(shù)的 FFT測試如圖 3 所示。

圖 3. 600 MHz 正弦波輸入的 FFT 結(jié)果，F(xiàn)FT 控制設(shè)置為 600 MHz 中心頻率和 100 MHz 掃寬。

寬帶 FFT分析

如今越來越多的信號均經(jīng)過調(diào)制，可將頻譜寬度增加至幾百 MHz 甚至幾 GHz。如果信號的帶寬超過 510 MHz，則當(dāng)前市場上的頻譜分析儀或矢量信號分析儀都沒有足夠的分析帶寬來進(jìn)行有效的測量。在此情況下，需要使用有足夠?qū)挿治鰩挼氖静ㄆ骰驍?shù)字化儀來滿足應(yīng)用的需求。待測信號的載波頻率也很重要。被測信號的載波頻率加上一半的信號譜寬，必須小于或等于示波器的帶寬，以便示波器能夠獨(dú)立完成測量。

現(xiàn)在我們將討論寬帶信號頻域測量。被測信號是一個(gè) 600 MHz 射頻脈沖串，每 20 μs 有 4 μs 寬的射頻脈沖重復(fù)。我們對該信號進(jìn)行 600 MHz 寬的線性調(diào)頻，也就是對從 300 MHz 開始到 900 MHz 結(jié)束的射頻脈沖包絡(luò)的載波頻率進(jìn)行線性調(diào)頻。

為了進(jìn)行射頻脈沖的基本FFT測試，第一步是在屏幕的信號上捕獲一個(gè)干凈的時(shí)域脈沖。使用觸發(fā)釋抑以確保觸發(fā)不會(huì)發(fā)生在脈沖中間，避免捕獲的跡線出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。觸發(fā)釋抑設(shè)置為略長于射頻脈沖的寬度。射頻脈沖為 4 μs 寬，因此可以將觸發(fā)釋抑設(shè)為 5 μs。

定義觸發(fā)釋抑的最簡單方式是按下前面板觸發(fā)區(qū)的“Mode/Coupling（模式 / 耦合）”鍵，然后選擇 5 μs 的觸發(fā)釋抑時(shí)間。

再按下“FFT”鍵，從屏幕上的時(shí)域數(shù)字化信號來計(jì)算射頻脈沖串的頻譜視圖。示波器提供了起始和終止頻率，或者中心頻率和掃寬等 FFT 控制功能。首先選擇較寬的掃寬，起始頻率為 0 Hz，終止頻率為 2.5 GHz。選擇矩形窗口進(jìn)行 FFT 計(jì)算，因?yàn)槠聊簧系臄?shù)據(jù)以噪聲開始，以噪聲結(jié)束，整個(gè)射頻脈沖都在屏幕窗口內(nèi)。進(jìn)行 8 次 FFT 平均也有助于優(yōu)化測量結(jié)果。圖 4 顯示了 FFT 響應(yīng)結(jié)果。

圖 4. 4 μs 脈寬，20 μs 重復(fù)周期的線性調(diào)頻脈沖信號的 FFT 結(jié)果。

游標(biāo)放置在 FFT 響應(yīng)處，可以看到這個(gè)射頻脈沖有一個(gè)從 300 MHz 至 900 MHz 一共 600 MHz 寬的頻譜寬度。至目前仍未證明的是，載波的頻率從 300 MHz 呈線性轉(zhuǎn)移到 900 MHz，從脈沖的左側(cè)跨越到脈沖的右側(cè)。

選通 FFT 運(yùn)算功能

要想很快看到脈沖上的某些載波頻率值，一種辦法是使用選通 FFT 功能。這可通過啟動(dòng)正常的時(shí)域跡線時(shí)間選通功能來實(shí)現(xiàn)。一旦啟動(dòng)，屏幕上半部就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正常的跡線視圖，下半部出現(xiàn)一個(gè)放大的視圖。無論哪一部分的波形出現(xiàn)在窗口的下方跡線中，均是經(jīng)過放大的。

通過創(chuàng)建小時(shí)間寬度窗口功能，然后將其移到脈沖的起點(diǎn)，可以得到我們感興趣的測量結(jié)果。通過圖 5 所示的選通時(shí)間窗口所包含的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出 FFT。

圖 5. 時(shí)間選通 FFT 功能觀察射頻脈沖開端的載波。

尖鋒峰值幅度和頻率的 FFT 測量結(jié)果顯示，射頻脈沖從大約 300 MHz 的載波頻率開始。如果時(shí)間選通窗口移至射頻脈沖的中心，則觀察到的頻率在 600 MHz 左右。在射頻脈沖的末端為 900 MHz。這看上去像是我們預(yù)期的線性調(diào)頻。

頻率測量和“Measurement Trend（測量趨勢）”運(yùn)算功能

在某些情況下，“測量趨勢”運(yùn)算功能能夠很好地顯示頻率線性調(diào)頻曲線。在一個(gè)類似的信號示例中，一個(gè)脈沖串由 700 ns 寬的射頻脈沖組成，這些脈沖每 20 μs 重復(fù)一次。我們需要驗(yàn)證它在 300 MHz 至 900 MHz 之間的線性調(diào)頻特征。FFT 函數(shù)現(xiàn)在已關(guān)閉，我們進(jìn)行純時(shí)域測量。

首先，示波器的采集模式從“Normal（正常）”捕獲切換為“High Resolution（高分辨率）” 捕獲模式。其次，從候選測量列表中選擇一種頻率測量。載波零交叉檢測的中間閾值設(shè)為 30 mV。然后按下“Math（運(yùn)算）”鍵，選中“Measurement Trend（測量趨勢）”運(yùn)算功能。標(biāo)記顯示出來的就是運(yùn)算的結(jié)果。跨射頻脈沖進(jìn)行的頻率測量結(jié)果視圖如圖 6 所示。

圖 6. 跨脈沖進(jìn)行的“頻率”測量的測量趨勢運(yùn)算功能。

顯然，脈沖載波像設(shè)計(jì)的那樣，在整個(gè)脈沖上按照線性方式從左到右移動(dòng)。垂直游標(biāo)顯示起始頻率從大約 320 MHz 開始，終止頻率在大約 830 MHz 附近，水平游標(biāo)顯示該事件持續(xù)了大約 600 ns。這樣計(jì)算出線性調(diào)頻斜率為 0.85 MHz/ns。期望的線性調(diào)頻斜率將會(huì)在 700 ns 寬的脈沖（包括包絡(luò)上升時(shí)間和下降時(shí)間）上移動(dòng) 600 MHz，或 0.86 MHz/ns。測得的線性調(diào)頻斜率和預(yù)期相匹配。

注意，線性坡度顯示并未跨越整個(gè)射頻脈沖的寬度，但在脈沖結(jié)束之前達(dá)到了極限值。這是因?yàn)樵谮厔萦?jì)算中已達(dá)到了 1000 的測量極限。重要的是，我們可以看到一部分脈沖 FM 功能呈線性。對于跨脈沖的頻率測量來說，要獲得足夠的精度，就必須選擇“高分辨率” 采集模式。

要選擇“High Resolution（高分辨率）”模式，請?jiān)谇懊姘宓摹癢aveform（波形）”區(qū)域按下“Acquire（采集）”鍵，然后選擇“High Resolution（高分辨率）”。

如果載波在更高的頻率范圍內(nèi)跨越脈沖進(jìn)行線性調(diào)頻，例如上述范圍的兩倍（900 MHz 至 1.8 GHz），則線性坡度只能在脈寬的一半上看到。對于通用雷達(dá)系統(tǒng)等更高頻率范圍的應(yīng)用來說，可以選擇 In?niium S 系列、V 系列或 Z 系列示波器，它們的測量趨勢功能沒有 1000 的測量極限。

使用輸入正弦波進(jìn)行FFT測試的簡單示例

MSO-X 3104T 混合信號示波器擁有 1 GHz 的模擬帶寬和高達(dá) 5 GSa/s 的采樣率，能夠執(zhí)行各種測量。這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)均非常重要，將直接關(guān)系到哪些測量應(yīng)用是能夠?qū)崿F(xiàn)的。我們討論的第一個(gè)測量實(shí)例是捕獲注入 50 Ω 電阻的 600 MHz、632 mV（峰峰值）、0 dBm、1 mW 正弦波信號（橙色），以及 FFT 結(jié)果（白色），如圖 1 所示。

圖 1. 使用 600 MHz 正弦波輸入進(jìn)行的 200 ns/ 格進(jìn)行時(shí)域捕獲以及 FFT 計(jì)算結(jié)果。

總結(jié)

示波器FFT頻譜分析是一個(gè)十分寶貴的工具，它能夠給出信號的頻域視圖，使示波器能夠以極寬的帶寬進(jìn)行測量，從而完成窄帶矢量信號分析儀無法完成的測量。示波器FFT測試實(shí)例能夠驗(yàn)證線性 FM 調(diào)頻信號是否按照既定方式來移動(dòng)載波頻率。另外，示波器還提供了其他運(yùn)算功能，即測量趨勢功能。

作者：是德科技 Keysight Technologies

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來源：知乎
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審核編輯 黃宇