分析示波器上的FFT做成的方法

　　一， 数字示波器

　　随着电子技术的发展，数字示波器凭借数字技术和软件大大扩展了工作能力，早期产品的取样率低、存在较大死区时间、屏幕刷新率低等不足得到较大改善，以前难以观察的调制信号、通讯眼图、视频信号等复合信号越来越容易观察。数字示波器可以对数据进行运算和分析，特别适合于捕获复杂动态信号中产生的全部细节和异常现象，因而在科学研究、工业生产中得到了广泛的应用。为了让示波器工作在合格的状态，对示波器定期、快速、全面的检定，保证其量值溯源，是摆在测试工程师面前的一项紧迫任务。

　　手工检定效率低，容易出错，对每一种示波器的检定需要测试工程师翻阅大量的资料；自动测试系统具有准确快速地测量参数、直观地显示测试结果、自动存储测试数据等特性，是传统的手工测试无法达到的。用自动测试系统实现对示波器的程控检定将会是仪器检定的趋势。 FFT即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。

　　设x（n）为N项的复数序列，由DFT变换，任一X（m）的计算都需要N次复数乘法和N-1次复数加法，而复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法，复数加法等于两次实数加法，即使把复数乘法和复数加法定义成“运算”（四次实数乘法和四次实数加法），那么求出N项复数序列的X（m），即N点DFT变换大约就需要N2次运算。况且示波器本身是个定性的工具，谁又在乎示波器在频域上的指标呢，除了我们可爱的研发工程师。多数情况，示波器把采集下来的时域数据样本，进行软件fft运算，变成频域的样本，再通过数据重组，把频域的样本显示出来。

　　fft的能力取决于一下几个指标： 存储器大小，软件运算速度，动态有效位ENOB,底噪。   因为这些指标直接决定fft后的刷新速度，动态范围，灵敏度，分辨率带宽   RBW。

　　二， 示波器的fft能解决什么问题呢？

　　受限于手头的工具（所有工程师都梦想桌上摆着的示波器和频谱仪），而且很多时候工程师调试电路时候需要先定性观察一下，fft就成了看频谱的好工具了。说实话，很多厂商fft功能都做得差强人意，无非两类原因，一类是不具备做好的能力，把频谱分析做好还是需要很多DSP高手和射频技术实力的；还有一类是能做好，但是主观上又不太想把fft做的太强，做得太好，那我频谱仪怎么卖啊，这里有个机会成本的问题。但是fft还是能解决些问题的，比如看看谱性范围，看看谐波成分，看看谐波占比，粗略看看频谱干扰等等，但往往也会带来些尴尬问题，比如采样芯片是由多片叠拼时候，就会暴露叠拼的谱线，处理速度慢得也会让人崩溃，底噪有点太离谱，抖动分量占比有点乱，回避这些问题当然会想出些些好方法，比如限制fft分析样本，这样不至于长存储fft时死机，比如波形平均降低些底噪等等。

　　三， 示波器的fft是鸡肋吗？

　　不能不说，有时候真是鸡肋，处理速度太慢，稍微大一点样本就跟死机差不多，RBW太离谱，谐波抑制比很差，噪声还经常把谐波淹没，动态范围也差得不行。但其实我们的很多场合，如果fft功能足够好的话，就不是鸡肋，是鸡腿了。

　　四， 我们把示波器上的频谱分析功能做到，怎么做到的？

　　首先要把频谱分析的速度提高上去，实时刷新，所以你看不再忍受示波器fft变换时候类似死机一般，其次我们把RBW做到了高达1Hz,这个水平几乎只有频谱仪才能做到啊，我们的界面设计和频谱仪的操作一摸一样，中心频率，频谱范围，起始频谱，截止频率，RBW设置，窗函数设置，把频谱仪的设置几乎全部移植过来了。

　　下面从四个方面论证我们怎么把fft功能做到的：

　　1， 专用数字下变频器 DDC

　　传统的做法是，示波器把信号样本采集下来，然后通过软件算法来进行软件运算，速度非常慢，我们的方式通过专用的硬件加速集成电路（ASIC），把fft功能交给这个硬件电路来实现，速度快到几乎不影响原始波形的刷新速率。当然这个ASI是需要花大把银子来研发的。对比用到了专用的DDC电路，我们看看传统示波器怎么fft的

    我们的示波器fft原理

　　上图的对比可以看出来，在窗函数之前会进行一个DDC处理，通过用户设置中心频率，设置初始和截止频率，处理的结果是只对关心的频段，或者说设定好的频段进行处理。反过来我们的原理是仅对你感兴趣的频段或者你选择的初始频率和截止频率范围内进行处理，当然极限情况也是选择全频段来处理，这样就有机会减少数量量的处理，把处理能力集中在DDC之后的范围内。

　　下面两张图更加清晰告诉传统方式和我们方式的区别。

　　这种方式带来两个好处：

　　a） 更快的速度，变频到基带处理会带来更高的更新速率和更快的处理速度，节省处理时间。

　　b） 更好的分辨率带宽，因为会用到更好的放大因素。

　　2， 硬件加速器的使用

　　在传统方案里边，一直用软件处理来实现的，比如统计直方图功能，模板测试功能，fft功能。在RS示波器中，全部用硬件专用电路来实现，把处理器解放出来，所以在做直方图功能，模板测试功能，或者是异常消耗资源的fft功能，依然保持很高的刷新速率，通常都超过60,000次/s,这个速度，都超过市场上所有示波器不做任何运算时候的刷新速度。这样能保证做复杂波形分析时候，仍然很高的刷新速率，高刷新率保证了实时频谱的快速显示速率。

　　3， 交叠fft的算法应用

　　传统的示波器fft运算方式，采集一段，处理一段，接着采集，接着处理。

　　所以，连续间断采集，连续处理，但是偶发信号的频谱也是很容易就丢了，发现不了。

　　RS的示波器在对采集的样本进行片段处理，把采集的信号分成很多小段进行处理，这样能看到采集里边的频谱内容变化。不可避免的在相邻两帧的位置有频谱信息丢失，所以我们采取了另外一种更加创新的方法，运用了fft的交叠算法，极大地提高的窗函数的影响，以及异常频谱的丢失。

借助模拟余辉的显示，实时频谱的显示更加可靠和置信。

 

　　好处小结：

　　a） 有利于异常信号的监测

　　b） 显示短期出现的罕见的事件

　　c） 提高的频谱的刷新率（因为在一帧的fft做完之前，新的一帧的fft已经开始）

　　d） 在一个fft帧里可以区分多个频谱事件

　　4， 类似传统频谱仪的控制界面和操控方式

　　以前的示波器操控方式，无非是通过调整采集时间的长度来影响分辨率带宽，然后选择感兴趣的频段来进行观察。现在做法是先选择中心频率，或者选择好起始和截止频率，通过直接调整RBW来调整频谱观察方式，让习惯频谱仪的用户也习惯示波器了。

　

    还有一个表格帮助理解什么情况下用什么窗函数。

　　5， 借助模板方式，实现频域的触发设置

　　很多用惯了示波器的人都喜欢示波器的触发功能，用各种触发方式来隔离各种事件，稳定显示，观察异常。在传统频谱仪上是很难实现触发的，但是当我们发现示波器的模板触发方式，很容做到，把时域波形的实时频谱变到频域来观察，借助MASK测试的一些小工具，居然轻松设置和轻松触发。因为模板的形状自由编辑，触发的动作自由组合，这样的波形分析已经完全跨越的时域和频域的使用习惯，完全融合了时域和频域对信号的思维方法了。

　　红色模板区域触发实例

　　五， 示波器上的频谱分析发展趋势

　　随着技术的发展，对产品的要求越来越高，示波器也越来越多的应用。示波器的分析速度越来越快，算法越来越科学，存储深度越来越大，fft功能不再像以前可有可无了，频谱分析的能力取决于fft能力，取决于动态范围，取决于噪声大小。除了把fft功能做好之外，示波器厂商还要有这样的胸襟，把技术融合和技术进步看成机会，创新的动力总是不断带来新的，守不守得住一片江山还得看用户买不买账。目标是不断推动极限，不断替客户创造新的价值。