圖1. TEK049平台和超低噪聲前端TEK061

 

數字下變頻 (DDC)

 

基於TEK049/TEK061 創新平台的Spectrum View頻譜分析功能
，采用了數字下變頻技術，得到數字IQ信號後再進行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轉換為數字信號後，時域和頻域是並行處理的
，使得時域和頻域捕獲時間可以獨立設置。

 

圖2. TEK049/TEK061信號采集和分析架構示意圖

 

數字下變頻廣泛應用於無線通信係統中，下變頻的過程如圖3所示，包括數字IQ解調、低通濾波和樣點抽取 (或稱為重采樣) 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
；低通濾波器用於濾除高階混頻產物，最後經過樣點抽取得到IQ信號。

 

Spectrum View處理的是數字IQ信號
，這也是相對於傳統FFT的一大特色。相對於原始采集信號，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 (SpectrumTime) 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。

 

圖3. 數字下變頻後得到IQ數據

 

圖4. 對I/Q樣點數據重采樣示意圖

 

為了便於理解，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，該過程並沒有改變相對時序關係
，這意味著經過樣點抽取後，相同的樣點數目具有更大的Spectrum Time
，從而實現高頻率分辨率。

 

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(yun)算(suan)，則(ze)會(hui)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)周(zhou)期(qi)擴(kuo)展(zhan)。顯(xian)然(ran)，在(zai)周(zhou)期(qi)擴(kuo)展(zhan)的(de)時(shi)候(hou)
，造(zao)成(cheng)了(le)樣(yang)點(dian)的(de)不(bu)連(lian)續(xu)，樣(yang)點(dian)不(bu)連(lian)續(xu)等(deng)同(tong)於(yu)相(xiang)位(wei)不(bu)連(lian)續(xu)，這(zhe)將(jiang)導(dao)致(zhi)產(chan)生(sheng)額(e)外(wai)的(de)頻(pin)率(lv)成(cheng)分(fen)，該(gai)現(xian)象(xiang)稱(cheng)為(wei)頻(pin)譜(pu)泄(xie)露(lu)。

 

頻譜泄露產生了原本信號中並不包含的頻率成分，如圖6所示，信號的頻率本應隻在虛線位置，但由於樣點不連續
，FFT之(zhi)後(hou)導(dao)致(zhi)產(chan)生(sheng)了(le)諸(zhu)多(duo)頻(pin)率(lv)點(dian)，如(ru)圖(tu)所(suo)示(shi)的(de)實(shi)線(xian)位(wei)置(zhi)。頻(pin)譜(pu)泄(xie)露(lu)會(hui)擾(rao)亂(luan)測(ce)試(shi)
，尤(you)其(qi)在(zai)觀(guan)測(ce)小(xiao)信(xin)號(hao)時(shi)
，較(jiao)強(qiang)的(de)頻(pin)譜(pu)泄(xie)露(lu)成(cheng)分(fen)可(ke)能(neng)淹(yan)沒(mei)比(bi)較(jiao)微(wei)弱(ruo)的(de)信(xin)號(hao)。

 

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 (Window) 技術。

 

圖5. 正弦信號采集樣點(上)和Frame 1周期擴展波形(下)

 

圖6. 樣點不連續導致頻率泄露

 

時間窗 (Window)

 

如果能夠消除樣點不連續，就可以消除頻譜泄露。為了實現這一點
，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
，周期擴展後可以保證樣點的連續性。

 

圖7. 引入時間窗(Kaiser Window)降低了樣點不連續

 

時間窗相當於一個濾波器

，不同的時間窗具有不同的頻響特性
，比如邊帶抑製、矩形因子等，相應的幅度測試精度也不同。雖然基於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、Blackman-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SpectrumTime) 成反比，但即使時間窗寬度相同，不同的時間窗類型對應的RBW也不同，存在一個因子k，並滿足如下關係：

 

 

表格1給出了不同時間窗類型對應的比例因子 (Window Factor)。

 

圖8. Kaiser Window (β=16.7)的時域波形(左)和幅頻響應(右)

 

表1. 不同時間窗對應的窗口因子

 

Spectrum View支持多種時間窗，那麼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麵加以對比。值得一提的是，除了Rectangular時間窗，其它窗口類型均適用於寬帶調製
、寬帶噪聲信號的頻譜測試。

 

表2. 不同時間窗的特點及應用場景

 

小結

 

文中介紹得Spectrum View功能，側重描述了所采用的數字下變頻技術及其相對於示波器傳統FFT測試頻譜的優勢。對於FFT過程中可能遇到的頻譜泄露效應，為什麼采用時間窗可以進行規避或減弱，時間窗與分辨率帶寬RBW有(you)什(shen)麼(me)關(guan)係(xi)
，以(yi)及(ji)測(ce)試(shi)不(bu)同(tong)的(de)信(xin)號(hao)時(shi)，應(ying)該(gai)如(ru)何(he)選(xuan)擇(ze)時(shi)間(jian)窗(chuang)，這(zhe)些(xie)內(nei)容(rong)文(wen)中(zhong)都(dou)有(you)所(suo)描(miao)述(shu)。通(tong)過(guo)文(wen)中(zhong)的(de)介(jie)紹(shao)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)戶(hu)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)和(he)掌(zhang)握(wo)Spectrum View的應用。

 

 

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