把示波器上的FFT做成極致

關(guān)鍵字： FFT,DDC,數字信號處理，專(zhuān)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(hù)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

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。

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，節省處理時(shí)間。
b)更好的分辨率帶寬，因為會(huì )用到更好的放大因素。

2，硬件加速器的使用
在傳統方案里邊，一直用軟件處理來(lái)實(shí)現的，比如統計直方圖功能，模板測試功能，fft功能。在RS示波器中，全部用硬件專(zhuān)用電路來(lái)實(shí)現，把處理器解放出來(lái)，所以在做直方圖功能，模板測試功能，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算時(shí)候的刷新速度。這樣能保證做復雜波形分析時(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的算法應用
傳統的示波器fft運算方式，采集一段，處理一段，接著(zhù)采集，接著(zhù)處理。

所以，連續間斷采集，連續處理，但是偶發(fā)信號的頻譜也是很容易就丟了，發(fā)現不了。

RS的示波器在對采集的樣本進(jìn)行片段處理，把一次采集的信號分成很多小段進(jìn)行處理，這樣能看到一次采集里邊的頻譜內容變化。但是光分片段處理還不能避免丟失，因為在fft運算之前，已經(jīng)有窗函數的處理，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，運用了fft的交疊算法，極大地提高的窗函數的影響，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：
a)有利于異常信號的監測
b)顯示短期出現的罕見(jiàn)的事件
c)提高的頻譜的刷新率（因為在一幀的fft做完之前，新的一幀的fft已經(jīng)開(kāi)始）
d)在一個(gè)fft幀里可以區分多個(gè)頻譜事件

4，類(lèi)似傳統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)調整采集時(shí)間的長(cháng)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(guān)察?，F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)直接調整RBW來(lái)調整頻譜觀(guān)察方式，讓習慣頻譜儀的用戶(hù)也習慣示波器了。

還有一個(gè)表格幫助理解什么情況下用什么窗函數。

5，借助模板方式，實(shí)現頻域的觸發(fā)設置
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，穩定顯示，觀(guān)察異常。在傳統頻譜儀上是很難實(shí)現觸發(fā)的，但是當我們發(fā)現示波器的模板觸發(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(guān)察，借助MASK測試的一些小工具，居然輕松設置和輕松觸發(fā)。因為模板的形狀自由編輯，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)域和頻域的使用習慣，完全融合了時(shí)域和頻域對信號的思維方法了。

紅色模板區域觸發(fā)實(shí)例

五，示波器上的頻譜分析發(fā)展趨勢
示波器的分析速度越來(lái)越快，算法越來(lái)越科學(xué)，存儲深度越來(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，或者增加存儲深度，提高RBW,降低異步噪聲，達到提高動(dòng)態(tài)范圍的目的。
除了把fft功能做好之外，示波器廠(chǎng)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(hù)買(mǎi)不買(mǎi)賬。目標是不斷推動(dòng)極限，不斷替客戶(hù)創(chuàng )造新的價(jià)值。