從時域到頻域-換個角度看世界

吳雄文 鼎陽硬件設計與測試智庫專家組成員

對于大多數電子工程師來說，時域的信號是非常直觀和容易理解的，因為時域是一個真實世界，是實際存在的域。我們所有的經歷都是在時域中發展和驗證，而且大家都已經習慣了事件是按照時間先后順序發生的，并得到記錄保存。

鼎陽科技為廣大的電子工程師提供了一系列不同的示波器，用以對我們感興趣的時域信號進行捕獲、觀察、測量、分析和存檔。相信大家很容易就能夠理解示波器的基本工作原理并熟練掌握對示波器的使用和操作方法。但是，一個信號是否真的就像看起來那樣“純潔無瑕”、“完美無缺”呢？有時候用示波器是很難做到真實、定量分析的。一個肉眼看起來十分平滑的正弦波，里面有沒有諧波和非諧波分量？一個方波的拐角，為什么用示波器觀察總是沒辦法呈現出一個完美的直角？這些問題時常會困擾一些沒有接觸過頻譜分析儀的用戶朋友。而頻域，這個隱藏在時域背后的角色，似乎被蒙上了一層神秘的面紗，讓一些電子工程師很容易產生距離感。而且頻譜分析儀上各種帶寬、放大器、衰減器和濾波器等等概念，往往讓我們無從下手，很難得到一個正確的結果。鼎陽科技作為通用電子測試測量儀器的行業領軍企業，始終把高效、真實、準確、方便、快捷作為我們設計產品的核心思想，SSA3000X Plus系列高性能頻譜分析儀和SVA1000X系列頻譜&矢量網絡分析儀，正完美詮釋了以客戶為中心的產品理念，讓我們的頻譜測試變得非常簡單。

如下圖1所示，我們用一臺SDG6052X函數/任意波形發生器，一臺SDS5054X數字熒光示波器和一臺SVA1032X頻譜&矢量網絡分析儀搭建一個時域和頻域的對比演示系統。

圖1 時域Vs頻域對比測試系統

我們將SDG6052X信號源的通道1和通道2分別用BNC電纜直接連接到SDS5054X示波器的通道1和SVA1032X頻譜儀的射頻輸入端；然后打開SDG6052X信號源的通道跟蹤功能，這樣，只需要對信號源通道1的參數進行設置，就可以使通道2輸出完全一樣的波形，從而確保示波器和頻譜儀同時接收到完全一樣的信號。

首先，設置信號源輸出一個1MHz的方波信號，用示波器的Auto Setup按鍵很容易就捕獲到一個標準的方波信號，如圖2所示。我們的頻譜儀同樣設計有Auto Tune按鍵，簡單按下該按鍵，頻譜儀將會在全頻段內自動搜索信號，并將頻率和幅度參數調整到最佳狀態，一鍵實現信號搜索以及參數自動設置，很快就可以得到如圖3所示的一個1MHz基波信號。

圖2 示波器測得的1MHz方波信號

圖3 頻譜儀自動捕獲的1MHz基波信號

但是我們都知道，方波是一種包含豐富諧波分量的波形，這時我們只需要簡單的將頻譜儀的終止頻率設置的更大一點，比如設置成18MHz，就能完美呈現方波的部分諧波，如圖4所示。我們還可以利用頻譜儀的光標列表功能，實時顯示各次諧波的頻率和幅度，如圖5所示。甚至，我們可以將終止頻率設置成100MHz，發現就算在近百次的諧波分量上，仍然具有接近40dBc（相對于基波）的幅度，這就充分說明了我們用示波器測試超過1MHz的方波信號時失真會比較大的原因，因為示波器本身的帶寬以及測試線纜的帶寬限制，過濾掉了方波信號的高次諧波分量。

圖4 終止頻率設置成18MHz后的1MHz方波頻譜

圖5 利用光標列表顯示各個諧波的頻率和幅度

圖6 終止頻率設置成100MHz后的1MHz方波頻譜

接著，我們讓信號源輸出一個FM調頻信號，設置載波頻率為10MHz，頻偏為5MHz，調制頻率為200mHz。在示波器上可以捕捉到一個頻率不斷變化的正弦波信號，打開示波器的測量統計功能，可以準確地測得最小頻率為5MHz，最大頻率為15MHz，如圖7所示。想要看FM信號在頻譜儀中的表現，只需要點擊頻譜儀的Auto Tune按鍵，就能夠快速的測得載波信號的頻譜，再打開信號源的調制開關，我們就能清晰看到一根從5MHz到15MHz來回往復的頻譜，來回一次的周期是5秒，如圖8、9、10所示。這讓我們能夠非常直觀的理解調頻信號各項指標的含義：載波頻率-頻偏=輸出的最小頻率；載波頻率+頻偏=輸出的最大頻率；調制頻率的倒數為調制周期，就是完成一次頻率從最小變到最大，再回到最小頻率的時間。

圖7 示波器測量統計功能測得的FM調頻信號

圖8 頻譜儀測得的FM調頻信號

圖9 頻譜儀測得的FM調頻信號

圖10 頻譜儀測得的FM調頻信號

最后，我們讓信號源輸出一個AM調幅信號，載波為10MHz，調制信號為1MHz，調制深度為50%。合理設置示波器的時基、幅度分辨率和觸發電平，我們可以看到一個直觀的調幅信號，如圖11所示。對于鼎陽科技的頻譜儀，我們只需要簡單按下Auto Tune按鍵，就可以快速捕捉到一個三根譜線的圖形，如圖12所示，中心頻率為10MHz，左右兩根譜線分別為9MHz和11MHz。改變AM調制信號的頻率或者調制深度，可以在頻譜儀上得到簡單直觀的表現，從而理解AM調幅信號各項參數的含義。

圖11 示波器測得的AM調制信號

圖12 頻譜儀測得的AM調制信號

通過對以上三種信號的時域和頻域對比測試可以發現，頻譜儀的使用其實并沒有想象中那么復雜，我們甚至可以輕易的剝開信號復雜的外表，看清隱藏在時間背后的本質信息。尤其是鼎陽科技SSA3000X Plus系列高性能頻譜分析儀和SVA1000X系列頻譜&矢量網絡分析儀，不僅具備優異的硬件性能，還配備了10.1寸多點觸控電容屏，支持一鍵自動搜索測試、一鍵存儲、一鍵幫助、一鍵恢復出廠設置和一鍵自動耦合等眾多功能，同時可以基于電腦或手持終端網絡瀏覽器對儀器進行遠程監控，讓我們的頻譜測試變得更為簡便，快捷。