示波器的 FFT 功能怎么調？

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調出來的方法。Keysight示波器FFT調出來的方法

FFT的菜單欄中，包含FFT運算頻譜類型的選擇，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FFT開啟的時候，可以看到水平軸的時基從時間變成了頻率，垂直軸單位變為V或者dB。頻譜類型下方是觸發源的選擇，這個比較好理解，要對哪個通道進行FFT運算，我們就選哪個通道為源。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會有不同的窗選擇呢？

因為FFT算法計算頻譜信號采樣時，只能得到采樣點的信息， 不可能對無限長的信號進行測量和運算，而是取其有限的時間片段進行分析，因此忽略了采樣間隔中數據信息，這是不可避免的，也稱之為柵欄效應。示波器是對有限長度的時間記錄進行FFT變換，FFT算法是假設時域波形是不斷重復的。這樣當周期為整數時，時域波形在開始和結束處波形的幅值相同，波形就不會產生中斷。但是，如果時域波形的周期為非整數時，就引起波形開始和結束處的波形幅值不同，從而使連接處產生高頻瞬態中斷。在頻域中，這種效應稱為泄漏。因此，為避免泄漏的產生，在原波形上乘以一個窗函數，強制開始和結束處的值為零。

下面的視頻也演示了如何使用keysight FFT測試：

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有關示波器FFT頻譜分析功能的一些基本原理

有多種因素會影響此類示波器FFT頻譜分析達到預期的精度和準確度。這些因素將在下文中進行探討。

我們必須了解示波器的采樣特征對于示波器FFT測試質量有什么樣的影響。示波器的模擬帶寬、采樣率、存儲器深度和捕獲時間均對于測量結果有著深刻影響，同時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系。

例如，在這個簡單的示例中，我們要測量一個單音頻 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。該測量將證明時間 / 格設置對于在測量時保持此帶寬是非常重要的。

為了避免在信號的數字化過程中發生混疊，采樣速度必須至少達到被測信號中任何可感知頻率的兩倍。在這個最簡單的正弦波示例中，測量這個 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 5 GSa/s 的采樣率對此測量綽綽有余。但要達到至少 1.2 GHz 的采樣率，示波器的時間 / 格設置必須保持在某個特定范圍內。

對這個 600 MHz 正弦波的 FFT測試能達到什么樣的質量呢？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，其相關的測量游標顯示大約 600 MHz 的頻率和 0 dBm 的功率。這與預期相吻合。

由示波器FFT 數據所驅動的 FFT 中的實際譜線之間的間隔稱為“分辨率帶寬”。因為信號能量的分布方式，所以它有時也稱為頻率“分段”寬度。分辨率帶寬嚴格基于采集數據的時間長度和所選 FFT 窗口類型的因數。此處使用矩形窗口，因數為“1”，因此分辨率帶寬就是記錄時間的倒數。在本例中：

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

因此這個 FFT 能夠區分信號頻譜中間隔大于 500 kHz 的頻率分量 , 而間隔小于 500 kHz 的頻率分量會混成一團無法區分。FFT“分辨率帶寬”不應與屏幕上顯示的“FFT 分辨率” 數字（153 kHz）相混淆。后者描述的是 FFT 數據中兩個 FFT 點之間的實際間隔，但它不是在既定時間跨度內所獲得的實際分辨率帶寬。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

屏幕上的縮減時間如何降低示波器FFT 響應性能

為了證明記錄時間對 FFT 結果的重要性，如果時間 / 格放大至 1 ns/ 格，屏幕上只顯示 10 ns 的新時間記錄，則分辨率帶寬會迅速改變為：

分辨率帶寬 = 1 / (10 ns) = 100 MHz

FFT 結果的巨大變化如圖 2 所示，圖中更粗糙地顯示了 600 MHz 的頻域尖峰。顯示在此進行了折衷?，F在正在處理的時間采樣越少，那么計算出的 FFT 結果的頻譜線就越少，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/ 格時的時域捕獲結果，以及 FFT 計算結果。

時間 / 格的注意事項

時間 / 格設置如果設置得太小，就會造成屏幕上顯示的時間記錄太短，時間點太少，從而降低FFT測試的性能（如前面所示）；而如果時間 / 格設置得太大，使得屏幕上顯示的時間記錄太長，也可能會造成問題，因為示波器會降低采樣率以保持良好的吞吐量。

例如，時間 / 格設置可向上平移至 200 ns/ 格，在屏幕上顯示 2 μs 的時間記錄，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/ 格及更高設置時，采樣率就會下降，示波器帶寬降低，這樣會影響 FFT 結果。

使用起始頻率、終止頻率、中心頻率和掃寬控制

FFT 計算和結果視圖的一個重要功能是能夠對您所關注的區域進行放大分析。第一個示例擁有 0 Hz 至 2.5 GHz 的寬頻率掃寬，因此很難看到 600 MHz 載波附近的任何細節。如果在 600 MHz 載波頻率附近存在著可疑噪聲，并希望對此噪聲進行檢驗。FFT 控制功能可以將中心頻率設置在 600 MHz，并設置一個目標掃寬，例如在 600 MHz 載波附近 100 MHz。設置 550 MHz 的起始頻率和和 650 MHz 的終止頻率也可以提供相同結果。采用這些參數的 FFT測試如圖 3 所示。

圖 3. 600 MHz 正弦波輸入的 FFT 結果，FFT 控制設置為 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過調制，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行有效的測量。在此情況下，需要使用有足夠寬分析帶寬的示波器或數字化儀來滿足應用的需求。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，以便示波器能夠獨立完成測量。

現在我們將討論寬帶信號頻域測量。被測信號是一個 600 MHz 射頻脈沖串，每 20 μs 有 4 μs 寬的射頻脈沖重復。我們對該信號進行 600 MHz 寬的線性調頻，也就是對從 300 MHz 開始到 900 MHz 結束的射頻脈沖包絡的載波頻率進行線性調頻。

為了進行射頻脈沖的基本FFT測試，第一步是在屏幕的信號上捕獲一個干凈的時域脈沖。使用觸發釋抑以確保觸發不會發生在脈沖中間，避免捕獲的跡線出現不穩定的情況。觸發釋抑設置為略長于射頻脈沖的寬度。射頻脈沖為 4 μs 寬，因此可以將觸發釋抑設為 5 μs。

定義觸發釋抑的最簡單方式是按下前面板觸發區的“Mode/Coupling（模式 / 耦合）”鍵，然后選擇 5 μs 的觸發釋抑時間。

再按下“FFT”鍵，從屏幕上的時域數字化信號來計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。選擇矩形窗口進行 FFT 計算，因為屏幕上的數據以噪聲開始，以噪聲結束，整個射頻脈沖都在屏幕窗口內。進行 8 次 FFT 平均也有助于優化測量結果。圖 4 顯示了 FFT 響應結果。

圖 4. 4 μs 脈寬，20 μs 重復周期的線性調頻脈沖信號的 FFT 結果。

游標放置在 FFT 響應處，可以看到這個射頻脈沖有一個從 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 呈線性轉移到 900 MHz，從脈沖的左側跨越到脈沖的右側。

選通 FFT 運算功能

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。這可通過啟動正常的時域跡線時間選通功能來實現。一旦啟動，屏幕上半部就會出現一個正常的跡線視圖，下半部出現一個放大的視圖。無論哪一部分的波形出現在窗口的下方跡線中，均是經過放大的。

通過創建小時間寬度窗口功能，然后將其移到脈沖的起點，可以得到我們感興趣的測量結果。通過圖 5 所示的選通時間窗口所包含的數據，計算得出 FFT。

圖 5. 時間選通 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 測量結果顯示，射頻脈沖從大約 300 MHz 的載波頻率開始。如果時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期的線性調頻。

頻率測量和“Measurement Trend（測量趨勢）”運算功能

在某些情況下，“測量趨勢”運算功能能夠很好地顯示頻率線性調頻曲線。在一個類似的信號示例中，一個脈沖串由 700 ns 寬的射頻脈沖組成，這些脈沖每 20 μs 重復一次。我們需要驗證它在 300 MHz 至 900 MHz 之間的線性調頻特征。FFT 函數現在已關閉，我們進行純時域測量。

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為 30 mV。然后按下“Math（運算）”鍵，選中“Measurement Trend（測量趨勢）”運算功能。標記顯示出來的就是運算的結果?？缟漕l脈沖進行的頻率測量結果視圖如圖 6 所示。

圖 6. 跨脈沖進行的“頻率”測量的測量趨勢運算功能。

顯然，脈沖載波像設計的那樣，在整個脈沖上按照線性方式從左到右移動。垂直游標顯示起始頻率從大約 320 MHz 開始，終止頻率在大約 830 MHz 附近，水平游標顯示該事件持續了大約 600 ns。這樣計算出線性調頻斜率為 0.85 MHz/ns。期望的線性調頻斜率將會在 700 ns 寬的脈沖（包括包絡上升時間和下降時間）上移動 600 MHz，或 0.86 MHz/ns。測得的線性調頻斜率和預期相匹配。

注意，線性坡度顯示并未跨越整個射頻脈沖的寬度，但在脈沖結束之前達到了極限值。這是因為在趨勢計算中已達到了 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，請在前面板的“Waveform（波形）”區域按下“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跨越脈沖進行線性調頻，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。對于通用雷達系統等更高頻率范圍的應用來說，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 5 GSa/s 的采樣率，能夠執行各種測量。這兩個技術指標均非常重要，將直接關系到哪些測量應用是能夠實現的。我們討論的第一個測量實例是捕獲注入 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 結果（白色），如圖 1 所示。

圖 1. 使用 600 MHz 正弦波輸入進行的 200 ns/ 格進行時域捕獲以及 FFT 計算結果。

總結

示波器FFT頻譜分析是一個十分寶貴的工具，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測試實例能夠驗證線性 FM 調頻信號是否按照既定方式來移動載波頻率。另外，示波器還提供了其他運算功能，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