示波器在頻譜測(cè)試中的作用

對(duì)于大量新型設(shè)計(jì)來說，頻域分析是一種關(guān)鍵的調(diào)試功能。但是，頻域分析必須與時(shí)域、數(shù)字信號(hào)或邏輯通道保持嚴(yán)密的同步。頻譜分析對(duì)調(diào)試工作的價(jià)值通常取決于分析速度(更新速度)，因此信號(hào)的捕捉和發(fā)現(xiàn)極富挑戰(zhàn)性。此外，儀器還必須具備足夠高的頻域和時(shí)域靈敏度，以便能夠捕捉到信號(hào)，如因電磁干擾或其它干擾所產(chǎn)生的頻域雜散信號(hào)等微小信號(hào)。為了獲得可以用來調(diào)試支持多種信號(hào)類型的復(fù)雜系統(tǒng)的有價(jià)值信息，必須基于時(shí)間事件、頻率事件或數(shù)字碼型實(shí)現(xiàn)精確觸發(fā)。

在復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中，通常需要同時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)域和頻域中的多個(gè)信號(hào)。盡管基帶數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)和模擬信號(hào)是相互關(guān)聯(lián)和依存的，但是基于傳統(tǒng)的調(diào)試方法，人們常常無法描述或捕捉它們之間的關(guān)系。采用微控制器實(shí)現(xiàn)的RF信號(hào)反饋控制、低速串行總線、嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，以及RF和數(shù)字信號(hào)之間電磁干擾等都是原型設(shè)計(jì)階段令人頭痛的問題。

通?？梢允褂脭?shù)字示波器分析這些信號(hào)所產(chǎn)生的問題，但是大多數(shù)開發(fā)人員卻試圖尋找其它的儀器。雖然最終可能完成了工作，但是卻花費(fèi)了大量時(shí)間，還需要非常豐富經(jīng)驗(yàn)。將模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)的測(cè)試功能整合在一臺(tái)儀器中，可以降低對(duì)不同設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需要的時(shí)間和專家經(jīng)驗(yàn)。

任何信號(hào)都是關(guān)于時(shí)間和幅值的函數(shù)。因此，不僅需要捕捉信號(hào)幅值，而且還要捕捉信號(hào)如何隨時(shí)間而變化。傅立葉變換是將時(shí)域函數(shù)變換成頻域頻譜的主要技術(shù)。該變換可以為從某個(gè)時(shí)域波形中采樣的信號(hào)給出某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的頻譜快照。它使得瞬時(shí)頻譜可以測(cè)量，從而可以測(cè)量某個(gè)信號(hào)在任何時(shí)刻的頻率分量。據(jù)此，可以觀察頻譜隨時(shí)間而發(fā)生的變化，了解什么時(shí)候存在以及什么時(shí)候不存在干擾，時(shí)域事件和頻域事件之間是如何關(guān)聯(lián)的。

在離散傅立葉(DFT)變換中，一定數(shù)量時(shí)域信號(hào)樣點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的頻率樣點(diǎn)，每一個(gè)頻率樣點(diǎn)都由時(shí)域樣點(diǎn)通過算法函數(shù)計(jì)算得出。快速傅立葉(FFT)變換是一種實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換的高效方法。該方法類似于離散傅立葉變換，可以將一定數(shù)量的離散采樣變換至頻域。示波器通常利用快速傅立葉變換的采樣技術(shù)，將時(shí)域采樣變換至頻域。

大多數(shù)現(xiàn)代示波器實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)快速傅立葉變換方法存在一個(gè)限制，盡管人們只對(duì)一部分頻率范圍感興趣，但是，F(xiàn)FT的計(jì)算過程是針對(duì)整個(gè)采樣信息進(jìn)行的。這種計(jì)算方法效率低下，使得整個(gè)過程速度較慢。數(shù)字下變頻(DDC)解決了這一問題，其方法是將目標(biāo)頻帶寬度下變頻至基帶并以較低采樣率對(duì)其重新采樣，實(shí)現(xiàn)了在小得多的記錄長(zhǎng)度上進(jìn)行快速傅立葉變換。因此，其計(jì)算速度更快、更加接近實(shí)時(shí)性能，也具備更高靈活性。這種靈活性通常可以轉(zhuǎn)變成多域調(diào)試應(yīng)用中所要求的功能。除此之外，由于實(shí)際變換是在基帶頻率上完成的，因此，這種方法還可以實(shí)現(xiàn)過采樣的優(yōu)點(diǎn)。這進(jìn)一步改善了在目標(biāo)頻帶寬度上的信噪比。

由于FFT頻譜產(chǎn)生于原始的時(shí)域信號(hào)，因此通過對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和頻率上的分析，可以獲得大量的有用信息。某個(gè)信號(hào)在時(shí)域中可能是穩(wěn)定和正確的，在頻域分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)噪聲變大、未知的雜散信號(hào)以及其他在時(shí)域分析中不易發(fā)現(xiàn)的異常事件。在某些示波器上還可以使用時(shí)域選通分析功能。借助該功能，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的檢測(cè)功能。通過選通方式進(jìn)行FFT變換或者限制在某個(gè)時(shí)間記錄的特定位置作FFT，可以在指定的時(shí)間點(diǎn)觀察傅立葉變換，從而有助于確定產(chǎn)生問題的時(shí)間點(diǎn)。獲得了干擾信號(hào)的周期或頻率之后，可以更加準(zhǔn)確、快速排除差錯(cuò)或者故障。

最后需要指出的是，不將頻譜分析限制在某個(gè)特定單一通道上通常也是非常重要的。某些情況下，事件可能影響多個(gè)通道的信號(hào)，對(duì)多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行頻譜分析可以提供更多的測(cè)試信息。如在時(shí)間上相互關(guān)聯(lián)的被干擾信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜分析視圖可以為問題分析提供有力證據(jù)。