如果您经常阅读《评估工程》或其他电子工程新闻媒体，您可能已经注意到，我们最近发布了5 系列和 6 系列 MSO 的固件升级，该升级解锁了一个名为“频谱视图”的全新分析工具。您可以点击此处阅读更多信息，了解它如何为每个模拟通道提供频域显示，并支持独立的时域和频域控制。

如果您是一位经验丰富的示波器用户，您很可能曾经使用过示波器的快速傅里叶变换(FFT) 功能，但效果可能参差不齐。本文将探讨传统示波器的 FFT 与频谱视图 (Spectrum View) 的对比。在第二部分中，我们将深入了解频谱视图的工作原理，并在此过程中为示波器用户开启频谱分析的全新世界。

尽管频谱分析仪是专门为查看频域信号而设计的，但它们并非总是触手可及。而示波器则几乎总是在实验室里随处可见，因此工程师们往往尽可能地依赖示波器。这正是示波器几十年来一直包含基于数学的快速傅里叶变换(FFT) 功能的关键原因之一。

遗憾的是，FFT 的使用非常困难，原因有二： 

首先，对于频域分析，频谱分析仪的中心频率、跨度和分辨率带宽(RBW) 等控制参数使得定义感兴趣的频谱变得容易。然而，在大多数情况下，示波器的 FFT 仅支持采样率、记录长度和每格时间等传统控制参数，这使得获得正确的频谱视图变得困难。 

其次，FFT 由与模拟时域图像相同的采集系统驱动。这意味着提高时域的时间尺度会降低频域的分辨率。因此，使用传统的 FFT 几乎不可能在两个域都获得优化的图像。例如，在下面 TDS3000 的屏幕截图中，时域波形清晰可见，但 FFT 分辨率不足以显示有意义的细节。

由于时域优化采用了传统的快速傅里叶变换（FFT），因此该扩频时钟信号的频域细节有所缺失。

在下图所示的图像中，使用较慢的时间尺度设置可以更清楚地看到频率调制细节，但此时时域轨迹实际上已无法使用。

这里可以看到FFT的权衡之处：频率细节更丰富，但时域细节却无法使用。

相比之下，频谱视图允许用户使用熟悉的中心频率、跨度和分辨率带宽(RBW) 控制来调整频域。由于这些控制不会影响时域缩放，因此可以独立地优化这两个视图，如下所示。

频谱视图可在同一屏幕上优化显示时域和频域信息

屏幕上的指示器（频谱时间）显示波形上的频谱来源。同步这两个域的功能对于关联电路板上的信号活动和电磁干扰(EMI)辐射非常有用。

传统FFT权衡

传统FFT的挑战远不止易用性。为了说明工程师必须考虑的性能权衡，假设我们有一个900 MHz的信号，并希望以100 Hz的分辨率查看其在信号两侧50 kHz范围内的相位噪声。理想情况下，频谱视图应具有以下设置：

·中心频率：900 MHz

·跨度：100 kHz

·RBW：100 Hz

在传统的示波器中，FFT 的水平刻度、采样率和记录长度设置决定了 FFT 的工作原理，必须综合考虑这些因素才能获得所需的图像。水平刻度决定了采集的总时间。在频域中，这决定了分辨率。采集时间越长，频域分辨率就越高。 

为了分辨100 Hz 的频率，我们需要采集至少 (1/100 Hz) = 10 ms 的数据。然而，实际上我们需要采集近两倍的时间。理论上，快速傅里叶变换 (FFT) 应该应用于无限长的信号。由于这不可能，采集的开始和结束会在最终的频谱中引入不连续性（从而导致误差）。为了最大限度地减少不连续性，采集到的数据需要适应 FFT 的“窗口”。大多数 FFT 窗口呈钟形或高斯形，两端很低，中间很高，这意味着频谱主要由采集数据的中间部分决定。每种窗口类型都有一个与之相关的常数。在本例中，使用系数为 1.90 的 Blackman-Harris 窗口类型，则需要采集 19 ms (10 ms * 1.9 = 19 ms) 的数据。

采样率决定了频谱中的最大频率，其中Fmax = SR/2。对于 900 MHz 的信号，我们需要至少 1.8 GS/s 的采样率。以 5 系列的模拟采样为例，我们将以 3.125 GS/s 的采样率进行采样（高于 1.8 GS/s 的第一个可用采样率）。

现在我们可以确定记录长度。这只需用采集时间乘以采样率即可。在本例中，记录长度为19 毫秒 * 3.125 GS/秒 = 59.375 兆点。 

根据仪器的不同，这种记录长度可能根本无法实现。即使示波器具有足够的记录长度，许多示波器也会限制FFT 的最大长度，因为 FFT 计算量巨大。例如，许多上一代示波器的最大 FFT 长度约为 200 万点。假设您仍然想要查看 900 MHz 的信号（这需要高采样率），则您只能采集所需时间的约 1/30，导致频域分辨率降低 30 倍。 

正如本例所示，要设置所需的视图，需要了解水平刻度、采样率和记录长度之间复杂的相互作用。此外，有限的记录长度迫使我们做出一些不理想的妥协，例如，要在频域中以良好的分辨率观察高频信号，需要极长的数据记录，而这些记录往往难以获得，或者处理起来既昂贵又耗时。尽管一些频谱分析软件包试图解决这些权衡问题，但迄今为止，所有示波器FFT实现都面临着上述限制。