时域和频域概念
信号的特征不仅仅与时间有关,还和频率、相位等有关。用来对信号分析的不同视角称为域,时域(Time Domain)分析和频域(Frequency Domain)分析是信号分析的基本方法,它们从不同的角度描述信号的特性。时域是最直观的信号分析方式,是信号在时间轴随时间变化的总体概括,将信号的所有频率分量相加并显示,它直接反映了信号随时间的变化情况,能够提供信号的实时信息,适用于对信号的瞬时特性进行观察和分析。频域是分析和观察信号包含的频率成分,能够提供信号在不同频率上的幅度信息,适用于信号处理、通信和图像处理等。下图为时域和频域分析的示意图。
图一 信号分析的时域和频域分析
时域和频域之间存在密切的联系,通过傅里叶变换可以将时域信号x(t)转换为频域信号F(f),通过傅里叶逆变换可以将频域信号F(f)转化为时域信号x(t)。
图二 时频域转换--傅里叶变换和傅里叶逆变换
理想的单载波信号在时域和频域的测量结果如下图所示,时域观察到的是信号电压随时间的变化情况,显示的是正弦波波形(图中左边);频域观察到的是信号功率在不同频率上的分布情况,显示的是在某一频率(正弦波周期的倒数)的功率(图中右边)。
图三 理想单音信号的时域和频域分析
时域和频域测试
01
时域测试
时域测试通常使用示波器,示波器是能够显示信号电压(电流、压力、震动等)随时间变化的仪表,可显示波形形状,并能测量幅度、频率、相位等信息。示波器是电子工程师常用的仪表。
使用示波器测试单音信号的时域迹线(横轴时间,纵轴电压)如下图所示。
图四 示波器测试单音信号的时域
使用示波器测试TDD宽带调制信号的时域迹线如下图所示。
图五 示波器测试TDD宽带调制信号的时域
频谱分析仪也具有时域测试功能,R&S频谱分析仪的Zero Span和IQ Analyzer都可以做时域测试,能够观察到信号包络功率随时间的变化情况,但是观察不到信号波形的形状,这与示波器的时域(信号电压随时间变化)测试有差异。
频谱分析仪的Zero Span(Span=0,即起始频率等于终止频率),本地振荡器不做扫描,频谱仪显示的是横轴为时间,纵轴为包络功率的迹线,即为“包络功率vs时间”关系。使用频谱分析仪Zero Span测试单音信号的迹线如下图所示。
图六 频谱分析仪Zero Span测试单音信号
使用频谱分析仪Zero Span测试TDD宽带调制信号的迹线如下图所示。
图七 频谱分析仪Zero Span测试TDD宽带调制信号
频谱分析仪的IQ Analyzer功能,使用其ADC采集信号,对采集的IQ数据分析得到横轴时间,纵轴功率的时域迹线。使用频谱分析仪的IQ Analyzer测试单音信号的时域迹线如下图所示(图中上面是时域功率包络,下面是频域的频谱)。
图八 频谱分析仪IQ Analyzer测试单音信号
使用频谱分析仪IQ Analyzer测试TDD宽带调制信号的迹线(图中上面是时域,下面是频域)如下图所示。
图九 频谱分析仪IQ Analyzer测试TDD宽带调制信号
频谱分析仪的时域测试显示的是信号的包络功率与时间的关系,可作为观察信号的时域周期是否与预期一致,是非常简单的时域测试功能,没有时域测试的各种应用(如上升时间、下降时间、周期等,需要手动分析);示波器的时域测试功能非常专业,具有各种时域测试应用,可以显示信号波形的时域结果(如上升时间、下降时间、周期、频率、脉宽、占空比、延迟、相位、建立/保持时间等)。测试时,根据实际的测试需求,选择合适的仪表进行时域测试。
02
频域测试
频域测试通常使用频谱分析仪,使用频谱分析仪测试,能够显示信号的频率成分在不同频率下的功率幅度信息。频谱分析仪是射频工程师常用的仪表。
使用频谱分析仪测试单音信号的频谱迹线如下图所示。
图十 频谱分析仪测试单音信号
使用频谱分析仪测试TDD宽带调制信号的频谱迹线,如下图所示。
图十一 频谱分析仪测试TDD宽带调制信号
示波器也有频域测试功能,使用其采集的时域数据做快速傅里叶变换到频域,得到频谱结果,但是不能像频谱分析仪可以做很多的测试应用,比如ACLR、SEM、杂散以及Marker Function等。示波器做频域测试是使用宽带ADC采样,之后对数据进行FFT变换从时域转到频域,因此本底噪声较大,从而动态范围小;而频谱分析仪是超外差下变频到中频窄带接收机,本底噪声小,动态范围大。
使用示波器频域(FFT)测试单音信号的频谱迹线如下图所示。
图十二 示波器测试单音信号的时域(上面)和频域(下面)
使用示波器时域和频域(FFT)测试TDD宽带调制信号的迹线,如下图所示。
图十三 示波器测试TDD宽带调制信号的时域(上面)和频域(下面)
示波器的FFT频谱功能是使用傅里叶变换把信号从时域转变成频域,具备时域和频域联合分析的能力,但是示波器相较于高性能的频谱分析仪,其动态范围和精度有限;另外,具有的频谱测量功能也有限(有峰值标记、通道功率、占有带宽、谐波失真等)。同样地,测试时,根据实际的测试需求,选择合适的仪表进行频域测试。
结 语
频谱分析仪和示波器都具有时域和频域测试的能力,但两者的原理和功能应用都是有差异的,频谱分析仪和示波器在时域和频域测试对比如下:
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原文标题:【实践分享】| 了解信号的时域和频域测试
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