Spectrum View 如何在更寬的范圍內以更嚴格的頻率分辨率優于傳統示波器 FFT

調試嵌入式系統通常涉及尋找僅通過一次查看一個域很難發現的線索。同時查看時域和頻域的能力可以讓您在無線傳輸期間測量電源軌的電壓，或在負載變化期間觀察近場 EMI。這種混合域分析提供了時域波形和頻域頻譜的同步視圖。對于徹底的高頻紋波分析，重要的是在寬頻率范圍內進行測量，并具有嚴格的頻率分辨率。這篇文章解釋了 4、5 和 6 系列 MSO 如何以出色的頻率分辨率實現混合域分析和寬捕獲。

從歷史上看，為了使設計人員能夠執行頻域分析，示波器包括 FFT（快速傅里葉變換）。在電源軌上，更容易理解頻域中的噪聲特性。在時域中，噪聲可能只是一個模糊的波形，但在頻域中，您可以確定它是寬帶隨機噪聲，還是來自另一個信號的串擾。然而，FFT 難以使用有兩個原因。

首先，傳統的基于示波器的 FFT 通常依靠傳統的示波器控制（例如采樣率、記錄長度和時間/格）來調整 FFT。盡管使用這些控件可以獲得良好的結果，但它們并不直觀。大多數工程師更喜歡使用頻譜分析儀控件進行頻域分析，例如中心頻率、跨度和分辨率帶寬 (RBW)。

其次，即使示波器提供頻譜分析儀式控制，FFT 也是由與用于模擬時域視圖的采集系統相同的采集系統驅動的。改變中心頻率、跨度或分辨率帶寬會以意想不到的方式改變示波器的水平刻度、采樣率和記錄長度。

為克服此類挑戰，泰克在 4、5 和 6 系列 MSO 中提供了一種稱為 Spectrum View 的獨特分析工具。這些儀器具有用于頻譜分析的獨立信號路徑和數字下變頻器 (DDC)。這允許使用熟悉的頻譜分析控件（中心頻率、跨度和 RBW），同時允許您獨立優化時域和頻域顯示。除了 Spectrum View，4、5 和 6 系列 MSO 還支持傳統示波器 FFT 的波形數學運算。這將使 Spectrum View 與傳統 FFT 的比較變得容易，尤其是對于電源軌噪聲分析。

讓我們通過使用參考設計板并探測該板上的直流信號來檢查傳統示波器 FFT 和 Spectrum View 之間的差異。在本實驗中，我們使用 ASUS Tinker Board S 型號，并在 3.3V DC 引腳處進行探測。該板包括一個帶有多個直流電源軌的小型配電網絡 (PDN)。設置圖如圖1所示。

圖 1. 在參考設計板上計算 FFT 的設置圖

在這種情況下，來自參考板的直流信號使用 TPR1000/4000 電源軌探頭進行探測，并連接到 5 系列 MSO 上的通道 1。該 3.3 V 電源軌完全在此探頭的范圍內，其 DC 偏移范圍為 +/- 60V。該探頭提供 50 kΩ 的直流輸入電阻以減少測量系統負載，使其成為執行電源軌測量的理想探頭。

5 系列 MSO 提供可選的內置 AFG 功能。使用此 AFG，可在 500 mV 峰峰值處生成 1 kHz 正弦波，并將此信號饋入示波器的通道 2。這將幫助我們了解 FFT 對理想正弦波和真實世界直流信號的影響。

連接信號后，讓我們使用波形數學啟用傳統 FFT 分析，并在相同的兩個通道上啟用 Spectrum View。這為我們提供了如圖 2 所示的示波器顯示。請注意，通道 1 上的 3.3V DC 信號幅度在 3.33V 和 3.38V 之間變化，紋波頻率為 3.871 kHz。這可以使用示波器頻率測量來測量。或者，如果您有多個直流電源軌，您可以利用可選的 5-DPM 解決方案，同時計算 8 通道 5 系列 MSO 上多達七個直流電源軌上紋波的 RMS、頻率和峰峰值。此測量在圖 2 中顯示為“Meas 1”標記。

Spectrum View 的一個關鍵特性是能夠捕獲和顯示時間相關的時域和頻域信號。

圖 2. 在 RBW = 500 Hz 的兩個通道上啟用波形數學和頻譜視圖的 FFT。通道 1（黃色）連接到實際的電源軌，而通道 2（青色）連接到來自函數發生器的正弦波。

對于第一個示例，讓我們設置 Spectrum View RBW = 500 Hz。此設置使用更寬的窗口來分隔頻率并報告類似于 FFT 方法的結果。使用此設置，讓我們將傳統的 FFT 結果與 Spectrum View 結果進行比較。

對于通道 1 上的電源軌，在 3.8 kHz 時，FFT 報告的值為 -26 dBm，而 Spectrum View 報告的值為 -25.5 dBm。在通道 2 上，我們看到 FFT 值為 -2.002 dBm，而 Spectrum View 報告 -2.303 dBm。在這些設置下，我們看不到這兩種方法之間的太大區別。

現在，讓我們將頻譜視圖上的 RBW 窗口設置降低到 100 mHz，并觀察如圖 3 所示的結果。請注意，我們可以獨立更改頻譜視圖設置，而無需更改波形視圖中的時基設置。但是，我們無法在不影響記錄長度或采樣率的情況下獨立更改傳統 FFT 的頻率分辨率。

圖 3. 在 RBW = 100 mHz 的兩個通道上使用波形數學和頻譜視圖的 FFT

由于頻譜視圖中的 RBW 顯著降低，我們的 3.8 kHz 電源軌上的電平現在為 -44.7 dBm。當然，FFT 的讀數沒有改變，并繼續報告 -26 dBm 的值。在通道 2 上，我們看到 FFT 值為 -2.025 dBm，而 Spectrum View 報告 -2.02 dBm。因此，對于理想的正弦波形，報告值沒有太大差異。然而，我們已經看到，對于具有多個頻率的紋波和噪聲的實際電源軌來說，情況并非如此。對于真實的電源軌信號，Spectrum View 報告更準確的測試結果，能夠以使用傳統 FFT 不實用的頻率分辨率進行測量。

表 1. 查看具有 500 Hz 分辨率和 100 mHz 分辨率的 Asus Tinker Board 3.3V DC 電源軌上的電源軌噪聲給出了不同的結果。

如果您想使用 100 mHz RBW 和傳統 FFT 執行類似的測量，則需要 12.5G 樣本的記錄長度。這是一個不切實際的記錄長度。這是因為對于傳統示波器 FFT，頻譜的最大頻率由采樣率控制。高采樣率會迅速消耗記錄長度。頻率分辨率（或 RBW）由采集的持續時間決定。因此，對于任何合理的記錄長度，必須以較低的頻率分辨率查看較高的頻率。

4、5 和 6 系列 MSO 中的數字下變頻器打破了這一限制，允許在頻譜視圖中使用獨立于中心頻率的小 RBW。

圖 4. 大約 1 kHz 的紋波與 2.1 MHz 的紋波結合。分析需要寬跨度和精細的頻率分辨率。

TPR1000 和 TPR4000 系列等電源軌探頭分別提供 1 GHz 和 4 GHz 的帶寬。通過將 TPR1000/4000 系列探頭與 Spectrum View 相結合，設計人員可以以出色的頻率分辨率測量非常高的頻率紋波值，這通常是傳統 FFT 無法實現的。這種高頻紋波在圖 4 中顯示為紋波上的紋波。

對于分析電源軌上的噪聲，Spectrum View 的主要優勢包括：

支持使用熟悉的頻譜分析控件（中心頻率、跨度和 RBW）

通過硬件數字下變頻器提高更新速率并增強頻率分辨率

允許獨立優化時域和頻域顯示

可以在波形視圖和頻譜視圖中查看信號，而無需將信號拆分為不同的輸入

實現時域事件和頻域測量的準確關聯（反之亦然）

顯著提高頻域中可實現的頻率分辨率