如何把示波器上的FFT 做成極致

一，有了數(shù)字示波器，我們對(duì)波形的處理就不在單純了，不再只是停留在看看波形形狀，不再滿足只是測(cè)量幾個(gè)參數(shù)了。

我們總想著對(duì)采下來(lái)的數(shù)據(jù)做更多的處理，示波器更準(zhǔn)確的理解，它更像一個(gè)波形分析儀正是工程師的不滿足，才有我們不斷追求推動(dòng)極限的動(dòng)力，因?yàn)槲覀兘?jīng)常低估我們的潛力，極限到底在哪？ 到底是誰(shuí)最先把FFT（快速傅里葉變換）用在數(shù)字示波器里邊呢，說(shuō)法很多。好像突然間，大家在示波器上都發(fā)現(xiàn)有FFT 功能了，而且都是標(biāo)準(zhǔn)配置，雖然都有這個(gè)功能，但是做成的結(jié)果千差萬(wàn)別，速度和指標(biāo)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(gè)定性的工具，誰(shuí)又在乎示波器在頻域上的指標(biāo)精度呢，除了我們可愛的研發(fā)工程師。情況在變化，很多時(shí)候用戶希望通過(guò)一個(gè)儀器來(lái)解決所有問(wèn)題，因?yàn)檎f(shuō)實(shí)話，很多工程師沒有條件在桌上擺上電位計(jì)，頻譜儀，示波器，矢網(wǎng)。多數(shù)情況，示波器把采集下來(lái)的時(shí)域數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)行軟件fft 運(yùn)算，變成頻域的樣本，再通過(guò)數(shù)據(jù)重組，把頻域的樣本顯示出來(lái)。

fft 的能力取決于一下幾個(gè)指標(biāo): 存儲(chǔ)器大小，軟件運(yùn)算速度，動(dòng)態(tài)有效位ENOB,底噪。因?yàn)檫@些指標(biāo)直接決定fft 后的刷新速度，動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度，分辨率帶寬RBW。

二，示波器的fft 能解決什么問(wèn)題呢？

受限于手頭的工具（所有工程師都?jí)粝胱郎蠑[著最先進(jìn)的示波器和頻譜儀），而且很多時(shí)候工程師調(diào)試電路時(shí)候需要先定性觀察一下，fft 就成了看頻譜的好工具了。說(shuō)實(shí)話，很多廠商fft 功能都做得差強(qiáng)人意，無(wú)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 高手和射頻技術(shù)實(shí)力的；還有一類是能做好，但是主觀上又不太想把fft 做的太強(qiáng)，做得太好，那我頻譜儀怎么賣啊，這里有個(gè)機(jī)會(huì)成本的問(wèn)題。但是fft 還是能解決些問(wèn)題的，比如看看譜性范圍，看看諧波成分，看看諧波占比，粗略看看頻譜干擾等等，但往往也會(huì)帶來(lái)些尷尬問(wèn)題，比如采樣芯片是由多片疊拼時(shí)候，就會(huì)暴露疊拼的譜線，處理速度慢得也會(huì)讓人崩潰，底噪有點(diǎn)太離譜，抖動(dòng)分量占比有點(diǎn)亂，回避這些問(wèn)題當(dāng)然會(huì)想出些些好方法，比如限制fft 分析樣本，這樣不至于長(zhǎng)存儲(chǔ)fft 時(shí)死機(jī)，比如波形平均降低些底噪等等。

三，示波器的fft 是雞肋嗎？

不能不說(shuō)，有時(shí)候真是雞肋，處理速度太慢，稍微大一點(diǎn)樣本就跟死機(jī)差不多，RBW 太離譜，諧波抑制比很差，噪聲還經(jīng)常把諧波淹沒，動(dòng)態(tài)范圍也差得不行。但其實(shí)我們的很多場(chǎng)合，如果fft 功能足夠好的話，就不是雞肋，是雞腿了。比如，測(cè)試濾波器和系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)（特性曲線），分辨和定位噪聲干擾源，確定亂真輻射，抖動(dòng)分析，諧波功率分析，EMI 分析。這么看fft 大有用武之地啊。

四，我們把示波器上的頻譜分析功能做到極致，怎么做到的？

首先要把頻譜分析的速度提高上去，實(shí)時(shí)刷新，所以你看不再忍受示波器fft 變換時(shí)候類似死機(jī)一般，其次我們把RBW 做到了高達(dá)1Hz,這個(gè)水平幾乎只有頻譜儀才能做到啊，我們的界面設(shè)計(jì)和頻譜儀的操作一摸一樣，中心頻率，頻譜范圍，起始頻譜，截止頻率，RBW 設(shè)置，窗函數(shù)設(shè)置，把頻譜儀的設(shè)置幾乎全部移植過(guò)來(lái)了。下面從四個(gè)方面論證我們?cè)趺窗裦ft 功能做到極致的：

1，專用數(shù)字下變頻器DDC

傳統(tǒng)的做法是，示波器把信號(hào)樣本采集下來(lái)，然后通過(guò)軟件算法來(lái)進(jìn)行軟件運(yùn)算，速度非常慢，我們的方式通過(guò)專用的硬件加速集成電路(ASIC)，把fft 功能交給這個(gè)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，速度快到幾乎不影響原始波形的刷新速率。當(dāng)然這個(gè)ASI 是需要花大把銀子來(lái)研發(fā)的。核心對(duì)比用到了專用的DDC 電路，我們看看傳統(tǒng)示波器怎么fft 的

我們的示波器fft 原理

上圖的對(duì)比可以看出來(lái)，在窗函數(shù)之前會(huì)進(jìn)行一個(gè)DDC 處理，通過(guò)用戶設(shè)置中心頻率，設(shè)置初始和截止頻率，處理的結(jié)果是只對(duì)關(guān)心的頻段，或者說(shuō)設(shè)定好的頻段進(jìn)行處理。傳統(tǒng)方式必須對(duì)所有頻段范圍的進(jìn)行fft 運(yùn)算，然后選擇一段頻率來(lái)顯示，運(yùn)算的數(shù)據(jù)量非常大。反過(guò)來(lái)我們的原理是僅對(duì)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(nèi)進(jìn)行處理，當(dāng)然極限情況也是選擇全頻段來(lái)處理，這樣就有機(jī)會(huì)減少數(shù)量量的處理，把處理能力集中在DDC 之后的范圍內(nèi)。下面兩張圖更加清晰告訴傳統(tǒng)方式和我們方式的區(qū)別。