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          深度解析示波器的DDC(數(shù)字下變頻)技術(shù)的武林哲學(xué)

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          經(jīng)過ADC后變成數(shù)字信號,之后選擇不同的窗函數(shù)進行加窗處理,最后直接做FFT將信號變換到頻域。通過該種處理方式得到的頻譜范圍為0Hz至最大頻率(通常數(shù)值上等于ADC采樣率的一半),例如ADC采樣率為5GSa/s,那么FFT得到的頻譜范圍為0Hz至2.5GHz。如果要觀測某一段的頻譜,則通過軟件顯示放大(Zoom)的方式將頻譜放大顯示到該頻段。這種傳統(tǒng)頻譜分析方式的好處在于,所有處理過程采用軟件計算,且算法簡單,因此便于實現(xiàn)。但如果追求更快的實時頻譜測量或者更高精度的頻譜分析,這種傳統(tǒng)的處理方式就會顯得非常困難。由于采用全軟件的處理方式以及一直是對整個頻率范圍(0Hz至最大頻率)做計算,因此處理速度會很慢,無法做到實時或者準實時的頻譜分析。另外在設(shè)置方面也會很復(fù)雜,需要不斷的調(diào)整時域參數(shù)(如時基、采樣率等)來滿足需要的頻域參數(shù)設(shè)置。最重要的是,受到存儲深度的限制,并且通常使用的FFT點數(shù)只有幾K,因此頻率分辨率即最小能區(qū)分的頻率大小會非常有限,通常情況下很難達到一個理想的頻率分辨率。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347634.htm

          一般來講,頻率分辨率有兩種解釋。一種解釋是,表示在FFT中,兩個相鄰頻率點間的最小頻率間隔,如公式(5)所示:
          ?f = fs / N = 1 / t (5)

          其中,?f表示頻率分辨率,fs表示ADC采樣頻率,N表示FFT的計算點數(shù),t表示采集信號的時間長度,也就是捕獲時間??梢钥闯?,信號采集時間t越長,頻率分辨率?f越小,也就是頻率分辨力就越好。

          第二種解釋是,頻率分辨率可以用分辨率帶寬(RBW)來表示。RBW定義為窗函數(shù)主瓣3dB帶寬,如圖14所示:

          圖14 RBW定義

          如果兩個信號頻率的差值小于該定義的帶寬,即RBW,那么這兩個頻率將混在一起不能分辨。

          圖15 不同RBW設(shè)置對應(yīng)的不同頻譜

          圖15顯示了對于同樣頻譜的輸入信號,設(shè)置不同的RBW得到的完全不同的頻譜。從左至右RBW依次增大,可以看出,主瓣寬度也是依次增大,頻率分辨能力也是依次降低,到最右邊時,已經(jīng)完全不能區(qū)分信號中的兩個頻率了。

          由于對頻率分辨率的兩種解釋的影響是類似的,因此我們就只討論第二種解釋的情況,即RBW。RBW計算方式如公式(6)所示:

          RBW = RBWnorm × fs / N = RBWnorm / t (6)


          其中,RBWnorm為窗函數(shù)的歸一化因子,如Blackman-Harris窗為1.8962,fs為采樣頻率,N為FFT計算點數(shù),t為信號采集時間長度。從公式(6)可以看出,對于固定的窗函數(shù),想要提高頻率分辨力,即減小RBW,就必須增加信號的采集時間即捕獲時間。從圖15可以看出,對于固定的矩形窗,RBW從1MHz減小到100kHz,時基設(shè)置從100ns/div增大到1μs/div。但對于數(shù)字示波器來說,存儲深度都是有限的。并且存儲深度和捕獲時間、采樣率之間存在如下關(guān)系:

          存儲深度 = 采樣率 × 捕獲時間 (7)

          從(7)式可以看出,對于固定的存儲深度,采樣率和捕獲時間成反比關(guān)系。如果想要增加捕獲時間,就意味著采樣率會下降,如果采樣率降低,就會意味著信號發(fā)生混疊的風(fēng)險。即對于傳統(tǒng)數(shù)字示波器的頻譜分析,如果要提高頻率分辨力,那么就會面臨信號混疊的風(fēng)險,或者說只能進行低頻率信號的分析;如果要進行高頻率信號的分析,為了保證采樣率,那么頻率分辨力必然不能提高。

          對于這種矛盾的關(guān)系,RS示波器引入了等一系列處理方式很好的解決了問題。

          圖16 RS數(shù)字示波器頻譜分析框圖

          圖16顯示了RS示波器的頻譜分析流程,圖17顯示了頻譜分析設(shè)置框圖。

          圖17 RS數(shù)字示波器頻譜分析設(shè)置

          與傳統(tǒng)數(shù)字示波器相比,RS示波器引入了模塊,使信號在FFT之前先下變頻到基帶。設(shè)置中心頻率Center frequency等效于設(shè)置本振頻率,使信號下變頻到基帶,因此對基帶信號進行重采樣時,即使用較低的采樣頻率也不會造成信號混疊,從而在有限的存儲空間中能采集最長時間的信號,因此頻率分辨率(RBW)能夠得到有效的保證。通過設(shè)置頻率跨度Frequency span,可以在硬件上將FFT的計算范圍縮小到所設(shè)定的帶寬內(nèi),而不用對整個頻率范圍都進行FFT計算,從而提高處理速度。此外,F(xiàn)FT的計算方式也采用分段重疊的計算方式,從而能夠更好的體現(xiàn)出頻譜的細節(jié)??傊?,與傳統(tǒng)數(shù)字示波器頻譜分析相比,采用RS示波器頻譜分析結(jié)構(gòu)主要具有如下幾點好處:


          •由于采用硬件處理等方式,頻譜分析速度快,能做到實時的頻譜分析;
          •頻譜分析設(shè)置同頻譜分析儀類似,直接對頻譜參數(shù)進行設(shè)置,而不再需要進行復(fù)雜的時域參數(shù)調(diào)整;

          •具有大的動態(tài)范圍;

          •即本文討論的重點,由于采用了DDC結(jié)構(gòu),可以將信號先下變頻到基帶,再以較低的采樣頻率對其進行重采樣,從而在有限的存儲空間內(nèi)能夠采集最長時間的信號,根據(jù)公式(6)可以很好的保證頻率分辨率(RBW)。即不用再在信號頻率與RBW之間糾結(jié)折衷的方案。

          對此我們進行以下實驗。

          使用信號源產(chǎn)生頻率為3GHz的單頻正弦波信號。如果使用傳統(tǒng)示波器頻譜分析方法,采樣率必須設(shè)置為6GSa/s以上信號才不至于混疊,那么根據(jù)公式(6)和(7),在有限的存儲空間內(nèi)必不能得到很好的RBW。但如果使用RS示波器頻譜分析方法,設(shè)置如圖18所示:

          圖18 RS數(shù)字示波器頻譜分析設(shè)置

          中心頻率設(shè)為3GHz,RBW設(shè)為5kHz,窗函數(shù)采用Blackman Harris窗。頻譜分析結(jié)果如圖19所示。我們注意到,由于采用了DDC結(jié)構(gòu),采樣率設(shè)置為了2.5GSa/s,并不需要滿足信號頻率的2倍以上關(guān)系,因為此時的采樣率在頻譜分析中實際為重采樣率。在頻域測量結(jié)果中可以看出,信號頻率為3GHz,與信號源輸出頻率一致。因此,可以看出使用RS示波器頻譜分析結(jié)構(gòu),即使對于高頻率的信號,仍然能夠有很好的頻率分辨率。

          圖19 RS數(shù)字示波器頻譜分析結(jié)果

          4 小結(jié)

          通過以上討論可以看出,RS數(shù)字示波器采用DDC技術(shù),無論是在射頻信號采集分析(I/Q解調(diào))還是在頻域分析中,都能最大限度的利用示波器寶貴的存儲空間,將信號的多域聯(lián)合分析發(fā)揮的淋漓盡致。



          關(guān)鍵詞: 示波器 DDC 模擬信號

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