一文詳解頻域和時域的關系

頻域和時域分析是分析信號的基本方法，是從不同的角度來描述信號的特性。信號的特性可以在時域上和頻率域上得到反映。

頻域和時域的關系(Gif format）Frequency vs Time

信號的基本分析方法

談到頻域和時域關系，我們先從信號的基本分析方法講起。傳統上對無線、有線通訊信號的分析方法從三個域上劃分：時域、頻域和調制域。調制域是分析信號頻率（或相位）隨時間的變化。

頻域和時域以及幅度的關系

頻域測量

寬頻率范圍信號搜索

信號雜散測試

信號功率參數

信號占用頻率帶寬

時域測量

信號變化過程

解調測量

信號調制參數

信號調制精度

解調測量是對調制信號的幅相及頻率變化進行測量的一種手段，是從另一個角度分析信號，和傳統的三個域（及對應的示波器、頻譜儀和調制域分析儀）有所不同，解調測量的概念對應的是矢量信號分析儀。

頻域和時域的關系

時域(Time domain) ：分析信號參數隨時間變化過程。時域是信號在時間軸隨時間變化的總體概括。在時域中，將信號的所有頻率分量相加并顯示。頻譜分析儀針對頻域。

頻域(Frequency domain)：分析信號包含的頻率成分。各頻率分量的頻率和功率參數。在頻域中，復數信號（即，由一個以上頻率組成的信號）被分離成它們的頻率分量，并顯示每個頻率的電平。示波器用來看時域內容。

因為信號不僅隨時間變化，還與頻率、相位等信息有關，這就需要進一步分析信號的頻率結構，并在頻率域中對信號進行描述。動態信號從時間域變換到頻率域主要通過傅立葉級數和傅立葉變換等來實現。

時域函數通過傅立葉或者拉普拉斯變換就變成了頻域函數

很簡單時域分析的函數是參數是t，也就是y=f(t)，頻域分析時，參數是w，也就是y=F(w)兩者之間可以互相轉化。時域函數通過傅立葉或者拉普拉斯變換就變成了頻域函數。

頻域和時域分析變換

頻域圖1

時域圖1

信號-1

頻域圖2

時域圖2

信號-2

為什么要頻域分析信號？（方波的例子）

作為常見信號分析的方法，可使用示波器測量信號時域波形。時域分析可直觀反映信號幅度；頻率；相位的變化。上圖中時域的測試可以明顯地觀測到信號1和信號2時域波形（黑色軌跡）的區別。但只通過時域的觀測很難判斷兩個信號波形差別的原因。

什么是頻域分析？

所謂頻域分析，就是在頻率的坐標下分析信號。完整的頻域分析應該得到被測信號包含的頻率成分，還有每個頻率成分的幅度和相位關系。即信號功率譜和相位譜的分析。某個信號的波形發生變化，其頻譜特性會發生相應變化。頻域和時域分析是分析信號的基本方法，是從不同的角度來描述信號的特性。

頻域分析包括：
?分析信號的頻率成分。各頻率分量的頻率與功率參數。
?信號功率，信號帶寬，帶外雜散，ACPR。

時域反射測量技術 (TDR) 和時域分析的歷史

時域反射測量技術 (Time domain reflectometry (TDR)) 是在 20 世紀 60 年代初引入的，采用與雷達相同的工作原理 — 把一個沖激信號送入一條被測電纜 (或其他可能不是良好導體的被測器件或設備)，當該沖激信號到達電纜末端或電纜上的某個故障點時，一部分或全部沖激信號便會被返射回測試儀表。TDR 測量方法就是把一個沖激或階躍激勵信號發送到被測器件，然后觀察信號在時域內的響應。測試時，使用一臺階躍信號發生器和一臺寬帶示波器，把階躍信號發生器產生的上升沿速度極快的激勵信號送進被測傳輸線，然后用寬帶示波器觀察傳輸線上某處入射電壓波形和反射電壓波形，通過測量入射電壓與反射電壓之比，便能計算出傳輸線上這個阻抗不連續點處的阻抗值，而這個阻抗不連續點的位置則可以作為時間函數根據信號沿著傳輸線傳播的速度計算出來。阻抗不連續性的性質(電容性的或電感性的) 可以根據其信號的響應特征加以識別。

雖然我們過去慣用的 TDR 示波器作為定性測試工具一直非常有用，但存在一些影響其測試精度和有效性的限制因素: a) TDR 輸出的階躍信號的上升時間—測量結果在空間上的分辨率取決于階躍信號上升時間的快慢；b) 不是特別理想的信噪比－這是由于示波器寬帶接收機的結構引起的。

隨后，在 70 年代，研究表明頻域與時域之間的關系可以用傅立葉變換進行描述。

與頻率有關的網絡反射系數經過傅立葉變換之后就可以得到隨時間變化的反射系數，例如傳輸線上的距離。這樣就有可能先在頻域內測量被測器件的響應，然后用數學方法對這些頻域數據進行傅立葉逆變換計算從而給出時域響應。

現在，一臺高性能的矢量網絡分析儀可以具有極快的計算功能，因而衍生出一些獨特的測量能力。使用在頻域內誤差經過校正的測試數據就可以計算出被測網絡對階躍或沖激激勵信號的響應，并且顯示為時間函數。這樣就給傳統的時域反射測量技術提供了既能進行傳輸測試又能進行反射測試的功能，并增添了對帶寬有限制的網絡的測量能力。矢量網絡分析儀在時域的測試可以更為精密，因為它能找出多余的網絡部件的位置，從而把這些不需要的數據從被測數據去除掉。

下圖顯示的是無論是使用時域反射計 (TDR) 示波器還是使用矢量網絡分析儀 (VNA) 都可以得到時域和頻域 (S 參數) 的顯示結果，使用 TDR 或 VNA 得到的測試結果可以在兩種顯示形式中互相轉換。

圖 頻域和時域、TDR 和 VNA 之間的關系。

本文來源是德科技

審核編輯：湯梓紅