把示波器上的FFT做成極致

關(guān)鍵字： FFT,DDC,數(shù)字信號(hào)處理，專用集成電路，分辨率帶寬，交疊

一，示波器上的FFT是什么
二，示波器的FFT能解決什么問(wèn)題
三，示波器的FFT經(jīng)常變成用戶手里的雞肋，問(wèn)題在哪？
四，我們把示波器上的頻譜分析功能做到極致，怎么做到的？
五，示波器上的頻譜分析功能發(fā)展趨勢(shì)

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。

這種方式帶來(lái)兩個(gè)好處：
a)更快的速度，變頻到基帶處理會(huì)帶來(lái)更高的更新速率和更快的處理速度，節(jié)省處理時(shí)間。
b)更好的分辨率帶寬，因?yàn)闀?huì)用到更好的放大因素。

2，硬件加速器的使用
在傳統(tǒng)方案里邊，一直用軟件處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，比如統(tǒng)計(jì)直方圖功能，模板測(cè)試功能，fft功能。在RS示波器中，全部用硬件專用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，把處理器解放出來(lái)，所以在做直方圖功能，模板測(cè)試功能，或者是異常消耗資源的fft功能，依然保持很高的刷新速率，通常都超過(guò)60,000次/s,這個(gè)速度，都超過(guò)市場(chǎng)上所有示波器不做任何運(yùn)算時(shí)候的刷新速度。這樣能保證做復(fù)雜波形分析時(shí)候，仍然很高的刷新速率，高刷新率保證了實(shí)時(shí)頻譜的快速顯示速率。
3，交疊fft的算法應(yīng)用
傳統(tǒng)的示波器fft運(yùn)算方式，采集一段，處理一段，接著采集，接著處理。

所以，連續(xù)間斷采集，連續(xù)處理，但是偶發(fā)信號(hào)的頻譜也是很容易就丟了，發(fā)現(xiàn)不了。

RS的示波器在對(duì)采集的樣本進(jìn)行片段處理，把一次采集的信號(hào)分成很多小段進(jìn)行處理，這樣能看到一次采集里邊的頻譜內(nèi)容變化。但是光分片段處理還不能避免丟失，因?yàn)樵趂ft運(yùn)算之前，已經(jīng)有窗函數(shù)的處理，不可避免的在相鄰兩幀的位置有頻譜信息丟失，所以我們采取了另外一種更加創(chuàng)新的方法，運(yùn)用了fft的交疊算法，極大地提高的窗函數(shù)的影響，以及異常頻譜的丟失。

借助模擬余輝的顯示，實(shí)時(shí)頻譜的顯示更加可靠和置信。

好處小結(jié)：
a)有利于異常信號(hào)的監(jiān)測(cè)
b)顯示短期出現(xiàn)的罕見的事件
c)提高的頻譜的刷新率（因?yàn)樵谝粠膄ft做完之前，新的一幀的fft已經(jīng)開始）
d)在一個(gè)fft幀里可以區(qū)分多個(gè)頻譜事件

4，類似傳統(tǒng)頻譜儀的控制界面和操控方式
以前的示波器操控方式，無(wú)非是通過(guò)調(diào)整采集時(shí)間的長(zhǎng)度來(lái)影響分辨率帶寬，然后選擇感興趣的頻段來(lái)進(jìn)行觀察?，F(xiàn)在做法是先選擇中心頻率，或者選擇好起始和截止頻率，通過(guò)直接調(diào)整RBW來(lái)調(diào)整頻譜觀察方式，讓習(xí)慣頻譜儀的用戶也習(xí)慣示波器了。

還有一個(gè)表格幫助理解什么情況下用什么窗函數(shù)。

5，借助模板方式，實(shí)現(xiàn)頻域的觸發(fā)設(shè)置
很多用慣了示波器的人都喜歡示波器的觸發(fā)功能，用各種觸發(fā)方式來(lái)隔離各種事件，穩(wěn)定顯示，觀察異常。在傳統(tǒng)頻譜儀上是很難實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的，但是當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)示波器的模板觸發(fā)方式，很容做到，把時(shí)域波形的實(shí)時(shí)頻譜變到頻域來(lái)觀察，借助MASK測(cè)試的一些小工具，居然輕松設(shè)置和輕松觸發(fā)。因?yàn)槟０宓男螤钭杂删庉?，觸發(fā)的動(dòng)作自由組合，這樣的波形分析已經(jīng)完全跨越的時(shí)域和頻域的使用習(xí)慣，完全融合了時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)的思維方法了。

紅色模板區(qū)域觸發(fā)實(shí)例

五，示波器上的頻譜分析發(fā)展趨勢(shì)
示波器的分析速度越來(lái)越快，算法越來(lái)越科學(xué)，存儲(chǔ)深度越來(lái)越大，fft功能不再像以前可有可無(wú)了，頻譜分析的能力取決于fft能力，取決于動(dòng)態(tài)范圍，取決于噪聲大小。示波器的原理做的頻譜分析，需要增加動(dòng)態(tài)范圍，無(wú)非是在fft之前做一些時(shí)域平均，降低噪聲，或者增加存儲(chǔ)深度，提高RBW,降低異步噪聲，達(dá)到提高動(dòng)態(tài)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(shù)融合和技術(shù)進(jìn)步看成機(jī)會(huì)，創(chuàng)新的動(dòng)力總是不斷帶來(lái)新的極致，守不守得住一片江山還得看用戶買不買賬。目標(biāo)是不斷推動(dòng)極限，不斷替客戶創(chuàng)造新的價(jià)值。