如何把示波器上的FFT 做成極致

一，有了數字示波器，我們對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(mǎn)足只是測量幾個(gè)參數了。

我們總想著(zhù)對采下來(lái)的數據做更多的處理，示波器更準確的理解，它更像一個(gè)波形分析儀正是工程師的不滿(mǎn)足，才有我們不斷追求推動(dòng)極限的動(dòng)力，因為我們經(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)現有FFT 功能了，而且都是標準配置，雖然都有這個(gè)功能，但是做成的結果千差萬(wàn)別，速度和指標也都各不相同，任何事情開(kāi)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精度呢，除了我們可愛(ài)的研發(fā)工程師。情況在變化，很多時(shí)候用戶(hù)希望通過(guò)一個(gè)儀器來(lái)解決所有問(wèn)題，因為說(shuō)實(shí)話(huà)，很多工程師沒(méi)有條件在桌上擺上電位計，頻譜儀，示波器，矢網(wǎng)。多數情況，示波器把采集下來(lái)的時(shí)域數據樣本，進(jìn)行軟件fft 運算，變成頻域的樣本，再通過(guò)數據重組，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: 存儲器大小，軟件運算速度，動(dòng)態(tài)有效位ENOB,底噪。因為這些指標直接決定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（所有工程師都夢(mèng)想桌上擺著(zhù)最先進(jìn)的示波器和頻譜儀），而且很多時(shí)候工程師調試電路時(shí)候需要先定性觀(guān)察一下，fft 就成了看頻譜的好工具了。說(shuō)實(shí)話(huà)，很多廠(chǎng)商fft 功能都做得差強人意，無(wú)非兩類(lèi)原因，一類(lèi)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(lèi)是能做好，但是主觀(guān)上又不太想把fft 做的太強，做得太好，那我頻譜儀怎么賣(mài)啊，這里有個(gè)機會(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(xiàn)，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(cháng)存儲fft 時(shí)死機，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(méi)，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(huà)，就不是雞肋，是雞腿了。比如，測試濾波器和系統的脈沖響應（特性曲線(xiàn)），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(lèi)似死機一般，其次我們把RBW 做到了高達1Hz,這個(gè)水平幾乎只有頻譜儀才能做到啊，我們的界面設計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 設置，窗函數設置，把頻譜儀的設置幾乎全部移植過(guò)來(lái)了。下面從四個(gè)方面論證我們怎么把fft 功能做到極致的：

1，專(zhuān)用數字下變頻器DDC

傳統的做法是，示波器把信號樣本采集下來(lái)，然后通過(guò)軟件算法來(lái)進(jìn)行軟件運算，速度非常慢，我們的方式通過(guò)專(zhuān)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，速度快到幾乎不影響原始波形的刷新速率。當然這個(gè)ASI 是需要花大把銀子來(lái)研發(fā)的。核心對比用到了專(zhuān)用的DDC 電路，我們看看傳統示波器怎么fft 的

我們的示波器fft 原理

上圖的對比可以看出來(lái)，在窗函數之前會(huì )進(jìn)行一個(gè)DDC 處理，通過(guò)用戶(hù)設置中心頻率，設置初始和截止頻率，處理的結果是只對關(guān)心的頻段，或者說(shuō)設定好的頻段進(jìn)行處理。傳統方式必須對所有頻段范圍的進(jìn)行fft 運算，然后選擇一段頻率來(lái)顯示，運算的數據量非常大。反過(guò)來(lái)我們的原理是僅對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進(jìn)行處理，當然極限情況也是選擇全頻段來(lái)處理，這樣就有機會(huì )減少數量量的處理，把處理能力集中在DDC 之后的范圍內。下面兩張圖更加清晰告訴傳統方式和我們方式的區別。