【實(shí)用指南】教你使用FFT和示波器

本文討論了一些重要的FFT特性，解釋了如何利用這些特性設(shè)置FFT以實(shí)現(xiàn)高效的分析。

　　快速傅里葉變換（FFT）是20世紀(jì)70年代微處理器進(jìn)入商業(yè)設(shè)計(jì)時首次出現(xiàn)的。從昂貴的實(shí)驗(yàn)室型號到最便宜的業(yè)余型號，現(xiàn)在幾乎每一臺示波器都能提供FFT分析功能。FFT是一種功能強(qiáng)大的工具，高效使用FFT要求人們對FFT有一定的研究。本文將介紹如何設(shè)置FFT和高效使用FFT，F(xiàn)FT的技術(shù)原理這里不再贅述。

　　FFT是一種能夠縮短離散傅里葉變換（DFT）計(jì)算時間的算法，也是一種用于在頻域（幅度和相位與頻率的關(guān)系）中查看所采集的時域（幅度與時間）數(shù)據(jù)的分析工具。FFT給數(shù)字示波器增加了頻譜分析功能。

　　觀察圖1中的上半部分曲線，你看到的是一個經(jīng)過幅度調(diào)制的載波，它使用梯形脈沖作為調(diào)制函數(shù)。在看圖1中的這個時域圖時，如果讓你告訴我信號的帶寬，你可能一時答不上來。但如果你對這個信號進(jìn)行FFT處理，就能得到另外一個視角。這個信號有一個線性掃描的頻率，帶寬用光標(biāo)標(biāo)記出來了，是4.7MHz。這正是示波器中增加FFT功能的原理，它是從另外一個角度來看同樣的數(shù)據(jù)。

圖1：上面的時域圖顯示了脈沖調(diào)制的射頻載波，下方的頻域圖顯示了在997MHz和1002MHz之間均勻分布的載頻

　　FFT頻帶寬度和分辨率帶寬

　　在最早的電路課程中，你應(yīng)該學(xué)過周期信號的頻率（頻域）是周期（時域）的倒數(shù)。同樣，這個關(guān)系貫穿在整個FFT設(shè)置過程中。

　　設(shè)置FFT最好從選擇分辨率帶寬（RBW）開始，因?yàn)樗c單參調(diào)整有關(guān)。RBW （Δf）是顯示FFT頻率軸的增量步距。在時域中，采樣周期決定了樣本之間的時間間隔。而在頻域中，RBW是頻譜圖中相鄰“單元”之間的頻率差值。RBW是時域記錄長度（也稱為采集時間）的倒數(shù)，如圖2所示。你可以用示波器的水平刻度或時間/格參數(shù)設(shè)置來控制RBW。圖1中的采集時長是20μs，頻譜圖中的RBW是它的倒數(shù)，即50kHz。

圖2：頻譜的分辨率帶寬是時域記錄長度或采集時間的倒數(shù)

　　設(shè)置FFT的下一步是確定頻域圖的寬度——FFT中最高頻率和最低頻率之差。注意，F(xiàn)FT通常從0 Hz開始，一直到整個頻帶寬度。這與射頻頻譜分析儀有很大的區(qū)別，馬上我會講到。

　　FFT的頻帶寬度是示波器有效采樣率的一半（圖3）。時域中的最短時間增量——采樣周期——決定了頻域中的最大分量。同樣，頻域中的最小增量是時間記錄中最長持續(xù)時間的函數(shù)。這符合時域和頻域之間的倒數(shù)關(guān)系。

圖3：頻譜寬度是示波器有效采樣率的一半

　　為了在頻域中取得更高的分辨率，必須增加采集的數(shù)據(jù)量，方法是增加時間/格設(shè)置值。這與在示波器的時域圖中增加時間分辨率的做法剛好是相反的。

　　從實(shí)用的角度看，時域記錄長度是由示波器的時間/格參數(shù)值控制的。一旦你選擇了時間/格參數(shù)值來達(dá)到想要的分辨率帶寬，那么控制采樣率達(dá)到所需頻帶寬度的唯一方法是修改示波器的采集內(nèi)存長度?，F(xiàn)在事情似乎復(fù)雜起來了，確實(shí)是這樣。

　　最近，大多數(shù)高端示波器制造商都修改了FFT用戶界面，使它更類似于標(biāo)準(zhǔn)的射頻頻譜分析儀，設(shè)置中心頻率和頻帶寬度時將分辨率帶寬作為一個參數(shù)。雖然這類界面使得FFT使用起來更容易，但確實(shí)隱藏了FFT的基本功能，導(dǎo)致必須接受示波器設(shè)置的時間/格、采樣率和內(nèi)存長度組合。根據(jù)這部分討論的一些規(guī)則，你可以手工設(shè)置FFT，并在設(shè)置中獲得更多的自由度。

　　垂直縮放

　　根據(jù)示波器的不同，F(xiàn)FT也許可以選擇垂直刻度，也許只能是固定的單一垂直格式。最常見的垂直格式是功率譜，它以功率為單位顯示垂直幅度，常用相對于1毫瓦的分貝表示（dBm），并在對數(shù)垂直刻度上顯示。這種選擇也是射頻頻譜分析儀功能的保留。實(shí)驗(yàn)室級別的示波器可以提供更多的數(shù)據(jù)，包括功率譜密度（PSD）、線性幅度、平方幅度、相位或?qū)崝?shù)/虛數(shù)分量。

　　PSD是歸一化為FFT分辨率帶寬的功率譜值。它的測量單位是dBm/Hz，代表單位帶寬上的功率。PSD在測量寬帶現(xiàn)象（如噪聲）時非常有用。幅度格式顯示示波器測量的線性單位的頻譜幅度，如伏特（V）或安培（A）。

　　幅度平方顯示顧名思義是將頻譜幅值顯示為幅度的平方值，單位可以是V²、A²等等，并且在歸一化為儀器輸入阻抗（通常是50Ω）時為功率測量提供線性縮放。歸一化是利用示波器的再縮放函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，它允許乘以一個常數(shù)。對于50Ω來說，幅度平方譜乘以0.02（即1/50），即對于50Ω輸入阻抗而言將單位改為瓦（V²/50）。

　　從數(shù)學(xué)的角度來看FFT頻譜是一個復(fù)雜函數(shù)，幅值的顯示只是全貌的一半。FFT輸出由實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分組成，一些示波器可以同時顯示這兩部分。作為實(shí)數(shù)分量和虛數(shù)分量的替代，許多示波器顯示FFT相位和幅值。這兩個成對的輸出格式（實(shí)數(shù)/虛數(shù)和幅值/相位）構(gòu)成了完整的FFT。計(jì)算反向FFT時要求實(shí)數(shù)/虛數(shù)分量，在機(jī)械應(yīng)用（如振動測量）中它們更常用，幅度/相位格式在電氣測量中也常見到。圖4顯示了一個方波的功率譜幅值/相位和實(shí)數(shù)/虛數(shù)分量的例子。

圖4：一個方波的FFT的功率譜幅值、相位、實(shí)數(shù)和虛數(shù)分量

　　相位譜使用垂直單位度，實(shí)數(shù)和虛數(shù)格式使用與源通道相同的垂直單位，在本例中是mV。對于類似這種方波的周期性波形，相位、實(shí)數(shù)和虛數(shù)格式只在基頻和諧波頻率點(diǎn)有有效值。

　　加權(quán)函數(shù)

　　示波器中實(shí)現(xiàn)的FFT具有有限的記錄長度，這將在頻譜顯示中引起問題，原因是獲取的波形的起點(diǎn)和終點(diǎn)的連續(xù)性問題。圖5顯示了起點(diǎn)和終點(diǎn)是如何影響頻譜形狀的。

圖5：起點(diǎn)和終點(diǎn)的邊界條件將影響信號經(jīng)FFT處理之后的頻譜形狀

　　圖5的上面兩個波形中，所采集的信號頻率是采樣率的因數(shù)，獲取的波形中存在整數(shù)的周期性，起點(diǎn)和終點(diǎn)處于相同的幅度，結(jié)果生成的頻譜非常窄。在下面兩個波形中，所采集的信號的頻率不是采樣速率的因數(shù)，起點(diǎn)和終點(diǎn)位于不同的電平。

　　這將導(dǎo)致時間記錄的不連續(xù)性。生成的頻譜變得更寬，峰值電平更低，原因是頻譜擴(kuò)展（也稱為泄漏），即采集信號的能量被擴(kuò)展到了相鄰頻率單元。更低的、與頻率有關(guān)的峰值響應(yīng)被稱為“尖樁籬柵”效率或扇形損耗。加權(quán)（開窗）有助于最大限度地減小這些效應(yīng)。

　　加權(quán)是將獲取的波形乘以一個窗口函數(shù)，通過調(diào)制將端點(diǎn)變?yōu)榱恪４翱诤瘮?shù)的形狀決定了頻譜響應(yīng)，包括頻譜線的形狀和任何邊帶的幅度。常用加權(quán)函數(shù)的特征如表1所示。

表1 常見FFT加權(quán)（窗口）函數(shù)的特征

　　這張表對每個窗口最大限度減小旁瓣和扇形損耗的能力進(jìn)行了總結(jié)。圖6顯示了在相同輸入信號條件下窗口函數(shù)對譜線的影響。

圖6：這個屏幕圖像比較了在相同輸入信號條件下不同加權(quán)函數(shù)對頻譜響應(yīng)的影響

　　譜線變寬可以減小扇形損耗，這是有意義的，因?yàn)橄噜弳卧械男盘枙诟叻赛c(diǎn)重合，以獲得更寬的響應(yīng)，并最大限度地減小扇形損耗。

　　窗口函數(shù)的選擇取決于具體需求。如果你要測量比采集窗口小的瞬變，那么不要使用窗口函數(shù)，因?yàn)轭l譜峰值的幅度將根據(jù)采集窗口中的瞬態(tài)位置發(fā)生改變。在這種情況下，矩形窗口（無加權(quán)）是最好的選擇。越窄的窗口響應(yīng)可以提供越好的頻率分辨率和更寬的響應(yīng)——Blackman Harris或平頂窗口——產(chǎn)生更為精確的幅度測量結(jié)果。如果你要兩者兼顧，一個好的折衷方案是Von Hann或Hamming窗口。

　　頻域平均

　　平均操作可以用來改善采集信號的信噪比，并且通常要求多次采集。平均可以在時域完成，也可以在頻域完成。與觸發(fā)事件不同步的信號，比如噪聲，將與平均次數(shù)呈正比衰減。圖7是頻域平均的一個例子。

圖7：頻域平均可以改善信噪比，并提供更大的動態(tài)測量范圍。有噪信號FFT在經(jīng)過許多次采集的平均后可以消除噪聲，從而看到更低電平的諧波

　　頻域中的平均是將多次采集的每個頻率單元的內(nèi)容累加起來然后除以采集次數(shù)實(shí)現(xiàn)的。那些與采集不同步的信號將被平均為零，而同步信號則連續(xù)累加。在圖7中，有噪信號的FFT包含頻譜被擴(kuò)展的噪聲分量，這些噪聲隱藏了低電平的諧波。平均有助于提高信噪比，減少噪聲，使得諧波分量可見。以同樣的方式，那些與采集不同步的信號幅度也將降低。

　　設(shè)置實(shí)例

　　考慮需要在一個4GHz帶寬的示波器上設(shè)置FFT，其頻帶寬度是10MHz，中心頻率是2.48GHz，分辨率帶寬為10kHz，用于分析一個連續(xù)的周期性信號。根據(jù)上述討論，只需簡單地設(shè)置示波器的時間/格參數(shù)就能完成分辨率帶寬的設(shè)置。10kHz的分辨率帶寬要求采集或捕獲時間為100μs，或者時間/格參數(shù)設(shè)為10μs /格。還應(yīng)設(shè)置示波器的垂直靈敏度（電壓/格），以便信號占據(jù)至少90%的輸入范圍，盡量提高其動態(tài)范圍。

　　FFT的頻帶寬度由采樣率控制。由于這個寬度必須包含2.48GHz信號頻率，因此必須大于這個頻率的兩倍。5GHz或更高的頻率應(yīng)該沒問題。示波器的最大采樣率是20 GS/s。利用示波器的時基設(shè)置來調(diào)整采集內(nèi)存長度，可以獲得想要的采樣率。在本例使用的示波器中，將內(nèi)存長度設(shè)為1MS，可以實(shí)現(xiàn)10GS/s的采樣率和100μs的采集時間。詳細(xì)的FFT設(shè)置見圖8。

圖8：適合本例使用的主要FFT參數(shù)設(shè)置

　　數(shù)學(xué)函數(shù)F1的FFT欄包含一些主要的FFT設(shè)置，并被設(shè)置為顯示功率譜。由于信號被顯示為連續(xù)的，因此加權(quán)函數(shù)類型可以選擇Von Hann窗口，它可以在頻率分辨率和幅度平坦度之間提供很好的折衷。

　　FFT欄顯示分辨率帶寬（Δf）為10kHz，寬度為5GHz?？s放欄可以讓你將中心頻率設(shè)為2.48GHz，水平刻度設(shè)為1MHz/格，如圖8中的F1軌跡所示。