示波器频域的窗口技术

特邀博主Gina Bonini  泰克公司技术市场经理

Gina在测试测量领域拥有超过15年的经验,先后担任多种职位,包括产品规划、产品行销以及业务和市场拓展。她毕业于伯克里加里福尼亚大学电子专业及斯坦福大学电气工程专业,分别获得理学学士和理学硕士学位。

在最近一个项目中,我不得不翻开当年大学用的那本快速傅立叶变换(DFT)书籍,书的封面上已经蒙上了厚厚的一层灰。实际上,我在工作过程中购买过不少DFT方面的书,尽管每本书都相对比较薄,但里面有很多公式和高阶数学运算,所以要“记住”比较突出的要点也算是一项挑战。

谢天谢地,您现在即使不是DFT专家也能使用当前示波器中的FFT功能。但是,了解某些基础工作原理确实很有裨益。特别是,您选择的窗口因子(window factor)可能会给测量结果带来很大影响。

DFT分析本身假设要处理的数据是单个周期的定期重复的信号。下面的图1介绍了一串时域样点。例如,在对图1中的第2个帧运用DFT处理时,将对信号进行周期扩展。后续帧之间的不连续点一般会如图2所示。这些假的不连续点会生成原始信号中没有的频谱假信号,进而不准确地重现信号。这种情况称为频谱泄漏。

图1

** 图2**

示波器的FFT功能运用窗口技术,降低频谱泄漏的影响。在执行DFT之前,DFT帧被乘以一个窗口函数,每个样点的长度相同。窗口函数通常呈钟形,会减少或消除DFT帧两端的不连续点。

图3显示了最常用的4个窗口函数,下面列明了推荐用途:

1)矩形 – 测量突发的瞬态信号,其中事件前的信号电平和事件后的信号电平几乎相等

2)Hamming – 测量正弦噪声、周期噪声或窄带随机噪声,其中事件前的信号电平和事件后的信号电平明显不同

3)Hanning – 在事件前和事件后的瞬态信号或突发信号电平明显不同时,测量幅度精度(在解析频率处较低)

4)Blackman/Harris – 测量频率幅度,测量以单频率为主的波形,查找高阶谐波

图3

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