如何把示波器上的FFT做到極致

摘要：探討了示波器的PFT特點，及如何發揮示波器上的頻譜分析功能，示波器的頻譜分析功能的發展趨勢。

關鍵詞：快速傅里葉變換；數字下變頻電路；數字信號處理；專用集成電路；分辨率帶寬；交疊

DOI:10.3969／j.issn.1005-5517.2011.06.002

示波器上的FFT是什么?

有了數字示波器，我們對波形的處理就不再單純了，不再只是停留在看看波形，不再滿足只是測量幾個參數。我們總想對采樣下來的數據做更多的處理。其實，準確地理解，示波器更像一個波形分析儀。正是工程師的不滿足，才有我們不斷追求推動極限的動力，因為我們經常低估自己的潛力。極限到底在哪兒?到底是誰最先把FFT(快速傅里葉變換)用在數字示波器里邊?說法很多。好像突然間，大家在示波器上都發現有FFT功能了，而且都是標準配置。雖然都有FFT功能，但是做成的結果千差萬別，速度和指標也都各不相同。任何事情開始階段都相同，都先追求有，再談差異化，況且示波器本身是個定性的工具，誰又在乎示波器在頻域上的指標精度呢，除了我們可愛的研發工程師。

情況在變化，很多時候用戶希望通過一個儀器來解決所有問題，因為說實話，不是所有工程師都有條件在桌上擺上電位計、頻譜儀、示波器、矢網。多數情況，示波器把采集下來的時域數據樣本進行軟件FFT運算，變成頻域的樣本，再通過數據重組，把頻域的樣本顯示出來。圖1就示意了時域顯示轉換成頻域顯示的例子。

FFT的能力取決于以下幾個指標：存儲深度大小，軟件運算速度，動態有效位(ENOB，effective number of bits)，底噪。因為這些指標直接決定FFT后的刷新速度，動態范圍，靈敏度，分辨率帶寬RBW。

示波器的FFT能解決什么問題?

受限于手頭的工具(所有工程師都夢想桌上擺著最先進的示波器和頻譜儀)，而且很多時候工程師調試電路的時候需要先定性觀察一下，FFT就成了看頻譜的好工具了。說實話，很多廠商FFT功能做得差強人意，無非兩類原因，一類是不具備做好的能力、把頻譜分析做好還是需要很多DSP(數字信號處理)高手和射頻技術實力的：還有一類是能做好，但是主觀上又不太想把FFT做得太強大一一那我頻譜儀怎么賣啊，這里有個機會成本的問題。但是FFT還是能解決部分問題的。比如看看諧波頻率范圍、諧波成分、諧波占比、靈敏度、動態范圍，粗略看看頻譜干擾等等，但往往也會帶來些尷尬問題，比如采樣芯片是由多片疊拼時，就會暴露疊拼的譜線，處理速度慢得也會讓人崩潰，底噪太大，有點太離譜，抖動分量占比有點亂。想回避這些問題當然會想出些好方法，比如限制FFT分析樣本，這樣不至于長存儲FFT時死機，比如波形平均降低些底噪等等。

示波器的FFT：雞肋還是雞腿?

不得不說，有時候真是雞肋，處理速度太慢，稍微大一點兒的樣本就跟死機差不多，分辨率帶寬(RBW)太離譜，諧波抑制比很差，噪聲還經常把諧波淹沒，動態范圍也差得不行。但其實我們的很多場合，如果FFT功能足夠好的話，就不是雞肋，是雞腿了。比如，測試濾波器和系統的脈沖響應(特性曲線)，分辨和定位噪聲干擾源，確定亂真輻射、抖動分析、諧波功率分析、電磁干擾(EMI)分析，電源紋波測試。這么看FFT大有用武之地啊!

如何把示波器的頻譜分析做到極致?

首先要把頻譜分析的速度提高上去，實時刷新，你不再忍受示波器FFT變換時候類似死機一般，其次我們把分辨率帶寬做到了高達1Hz，這個水平幾乎只有頻譜儀才能做到，我們的界面設計和頻譜儀的操作一模一樣，中心頻率、頻譜范圍、起始頻譜、截止頻率、PBW設置、窗函數設置……，把頻譜儀的設置幾乎全部移植過來了。

下面從四個方面論證我們怎么把FFT功能發揮到極致。

1 專用數字下變頻器DDC

傳統的做法是，示波器把信號樣本采集下來，然后通過軟件算法來進行軟件運算，速度非常慢，我們的方式通過專用的硬件加速專用集成電路(ASIC)，把FFT功能交給這個硬件電路來實現，速度快到幾乎不影響原始波形的刷新速率。當然這個ASIC是需要花大把銀子來研發的。核心對比用到了專用的數字下變頻電路(DDC)，我們看看傳統示波器怎么FFT的。

羅德與施瓦茨公司(RS)的示波器FFT原理如圖2。

從圖2的對比可以看出、在窗函數之前會進行一個DDC處理，通過用戶設置中心頻率、設置初始和截止頻率，處理的結果是只對關心的頻段，或者說設定好的頻段進行處理。傳統方式必須對所有頻段范圍進行FFT運算，然后選擇一段頻率來顯示，運算的數據量非常大。反過來，RS示波器的原理是僅對你感興趣的頻段或者你選擇的初始頻率和截止頻率范圍內進行處理，當然極限情況也是選擇全頻段來處理，這樣就有機會減少數據樣本的處理，把處理能力集中在DDC之后的范圍內。

圖3的兩張圖更加清晰告訴傳統方式和我們方式的區別。

圖3方式帶來兩個好處：

a)更快的速度，變頻到基帶處理會帶來更高的更新速率和更快的處理速度，節省處理時間：

b)更好的分辨率帶寬，因為會用到更好的放大因素。

2 硬件加速器的使用

傳統方案是用軟件處理來實現的，比如統計直方圖功能、模板測試功能、FFT功能。在RS示波器中，全部用硬件專用電路來實現，把處理器解放出來，所以在做直方圖功能、模板測試功能或異常消耗資源的FFT功能時，依然保持很高的刷新速率，通常都超過60，000次/s。這個速度甚至超過了市場上所有示波器在不做任何運算時候的刷新速度。這樣能保證做復雜波形分析時候，仍然很高的刷新速率，高刷新率保證了實時頻譜的快速顯示速率。

3 交疊FFT的算法應用

傳統的示波器FFT運算方式是采集一段，處理一段，接著采集，接著處理。

所以，連續間斷采集。連續處理，但是偶發信號的頻譜也是很容易就丟了，發現不了。

RS的示波器可對采集的樣本進行片段處理，把一次采集的信號分成很多小段進行處理，這樣能看到一次采集里邊的頻譜內容變化。但是光分片段處理還不能避免丟失，因為在FFT運算之前，已經有窗函數的處理，不可避免地在相鄰兩幀的位置有頻譜信息丟失，所以RS公司采取了另外一種更加創新的方法，運用了FFT的交疊算法，極大地提高的窗函數的影響，以及異常頻譜的丟失。

借助模擬余輝的顯示，實時頻譜的顯示更加可靠。

實時樣本FFT交疊處理帶來如下好處：

a)有利于異常信號的監測；

b)顯示短期出現的罕見事件；

c)提高頻譜的刷新率(因為在一幀的FFT做完之前，新一幀的FFT已經開始)；

d)在一個FFT幀里可以區分多個頻譜事件。

從操作的簡便性和頻譜儀對比來看，界面和控制方式非常清晰明了。來詳細看看：

以前的示波器操控方式，無非是通過調整采集時間的長度來影響分辨率帶寬，然后選擇感興趣的頻段進行觀察。現在的做法是先選擇中心頻率，或者選擇好起始和截止頻率，通過直接調整RBw來調整頻譜觀察方式，讓習慣頻譜儀的用戶也習慣示波器了。

實際使用FFT功能過程中，可能會涉及一些窗口函數的選擇，為了方便用戶的使用，表1列出一些常用的窗口函數、設計指標特點及推薦適用場合。

4 借助模板方式，實現頻域的觸發設置

很多用慣了示波器的人喜歡示波器的觸發功能，用各種觸發方式來隔離各種事件，穩定顯示，觀察異常。在傳統頻譜儀上是很難實現觸發的，但是當我們發現示波器的模板觸發方式，則很容易做到，把時域波形的實時頻譜變到頻域來觀察，借助模板MASK測試的一些小工具，居然輕松設置和輕松觸發。因為模板的形狀自由編輯，觸發的動作自由組合，這樣的波形分析已經完全跨越了時域和頻域的使用習慣，完全融合了時域和頻域對信號的思維方法了。

結語

示波器的分析速度越來越快，算法越來越科學，存儲深度越來越大，FFT功能不再像以前可有可無了，頻譜分析的能力取決于FFT能力，取決于動態范圍和噪聲的大小。根據示波器原理做的頻譜分析，需要增加動態范圍，無非是在FFT之前做一些時域平均，降低噪聲，或者增加存儲深度，提高RBW，降低異步噪聲，達到提高動態范圍的目的。

除了把FFT功能做好之外，示波器廠商還要有這樣的胸襟，把技術融合和技術進步看成機會，創新的動力總是不斷帶來新的極致，守不守得住一片江山還得看用戶買不買賬。我們的目標是不斷推動極限，不斷替客戶創造新的價值。