示波器上的頻域分析利器——時頻域信號分析技術

泰克公司

上一篇文章中主要介紹了Spectrum View的特性，本文將重點介紹Spectrum View的架構及FFT相關的基礎內容，包括數字下變頻技術（DDC）、頻譜泄露效應、時間窗等內容。

數字下變頻（DDC）技術

基于TEK049/TEK061創(chuàng)新平臺的SpectrumView頻譜分析功能，采用了數字下變頻技術，得到數字IQ信號后再進行FFT，從而保證了頻譜測試的靈活性和快捷性。圖2給出了信號采集和處理架構示意圖，模擬信號經過ADC轉換為數字信號后，時域和頻域是并行處理的，使得時域和頻域捕獲時間可以獨立設置。

數字下變頻廣泛應用于無線通信系統(tǒng)中，下變頻的過程如圖3所示，包括數字IQ解調、低通濾波和樣點抽?。ɑ蚍Q為重采樣）等功能部分。數字IQ解調器的本振頻率與Spectrum View中設置的中心頻率相同，從而完成載波對消得到零中頻信號;低通濾波器用于濾除高階混頻產物，最后經過樣點抽取得到IQ信號。

Spectrum View處理的是數字IQ信號，這也是相對于傳統(tǒng)FFT的一大特色。相對于原始采集信號，IQ信號攜帶的頻率要低很多，對IQ數據重采樣無需太高采樣率，大大降低了數據量，而捕獲時間（Spectrum Time）又不受影響，即使需要較低的RBW，仍然具有非常高的處理速度。

為了便于理解，圖4給出了對I/Q樣點重采樣的示例，假設重采樣率為原始采樣率的1/5，重采樣的過程就是從5個原始樣點中抽取一個樣點的過程，該過程并沒有改變相對時序關系，這意味著經過樣點抽取后，相同的樣點數目具有更大的Spectrum Time，從而實現(xiàn)高頻率分辨率。

頻譜泄露（Spectral Leakage）

FFT變換是在一定假設下完成的，即認為被處理的信號是周期性的。圖5給出了一正弦信號的采集樣點波形，如果對Frame 1作FFT運算，則會對其進行周期擴展。顯然，在周期擴展的時候，造成了樣點的不連續(xù)，樣點不連續(xù)等同于相位不連續(xù)，這將導致產生額外的頻率成分，該現(xiàn)象稱為頻譜泄露。

頻譜泄露產生了原本信號中并不包含的頻率成分，如圖6所示，信號的頻率本應只在虛線位置，但由于樣點不連續(xù)，F(xiàn)FT之后導致產生了諸多頻率點，如圖所示的實線位置。頻譜泄露會擾亂測試，尤其在觀測小信號時，較強的頻譜泄露成分可能淹沒比較微弱的信號。

如何避免或者降低頻譜泄露呢？這就需要使用下文介紹的時間窗（Winflow）技術。

時間窗（Window）

如果能夠消除樣點不連續(xù)，就可以消除頻譜泄露。為了實現(xiàn)這一點，需要引入時間窗（Window），時間窗包含的樣點數目與信號相同，而且兩端的樣點值通常為0。在FFT之前，時間窗與波形相乘，周期擴展后可以保證樣點的連續(xù)性。

時間窗相當于一個濾波器，不同的時間窗具有不同的頻響特性，比如邊帶抑制、矩形因子等，相應的幅度測試精度也不同。雖然基于FFT的頻譜分析中沒有IF filter，但是依然有RBW的概念，時間窗就決定了RBW的形狀和大小。

常見的時間窗類型包括：Kaiser、Rectangular、Hamming、Hanning、Blaekman-Harris、Flat-Top等。作為示例，圖8給出了Kaiser時間窗的時域波形及幅頻響應，其中幅頻響應的3dB帶寬即為RBW。

RBW稱為分辨率帶寬，決定了頻率分辨率，RBW越小，分辨率越高。RBW與時間窗寬度（即Spectrum Time）成反比，但即使時間窗寬度相同，不同的時間窗類型對應的RB W也不同，存在一個因子k，并滿足如下關系：

RBW=k/spectrum time

表格1給出了不同時間窗類型對應的比例因子（Window Factor）。

Spectrum View支持多種時間窗，那么測試時如何選擇時間窗呢？

不同類型時間窗的應用場合也不相同，應根據待測信號的特點加以選擇。表格2分別從頻譜泄露、幅度測試精度及頻率分辨率三個方面加以對比。值得一提的是，除了Rectangular時間窗，其它窗口類型均適用于寬帶調制、寬帶噪聲信號的頻譜測試。

小結

本文介紹的Spectrum View功能，側重描述了所采用的數字下變頻技術及其相對于示波器傳統(tǒng)FFT測試頻譜的優(yōu)勢。對于FFT過程中可能遇到的頻譜泄露效應，為什么采用時間窗可以進行規(guī)避或減弱，時間窗與分辨率帶寬RBW有什么關系，以及測試不同的信號時，應該如何選擇時間窗，這些內容文中都有所描述。通過文中的介紹，可以使用戶更好地理解和掌握Spectrum View的應用。

QSFP-DD發(fā)布兩個更新規(guī)范

QSFP-DD多源協(xié)議（MSA）組織發(fā)布了針對QSFP-DD收發(fā)器外形的通用管理接口規(guī)范（CMIS）4.0版。行業(yè)對改進的高密度高速網絡解決方案的需求不斷發(fā)展，為了滿足這種需求，65家公司攜手為QSFP-DD MSA提供支持。

隨著400千兆以太網的使用量不斷增長，CMIS的設計涵蓋了從無源線纜組件到相干DWDM光模塊的各種模塊外形、功能和應用。除了QSFP-DD以外，CMIS 4.0還可以用作2、4、8和16通道的外形的公共接口。其他值得關注的功能特點包括固件升級、診斷功能，改進的狀態(tài)機支持，以及對WDM/相干模塊的支持。

該集團還同時宣布為QSFP-DD發(fā)布硬件規(guī)范5.0版本。此次更新支持高達20瓦，并具備熱管理。其中包括新的光學連接器SN和MDC、一個標簽區(qū)域規(guī)范，并且改進了閉鎖的定義以及增強的每秒脈沖引腳。