力科示波器调制信号时频域分析
用示波器分析抖动——时域和频域详细分析
用示波器分析抖动——时域和频域详细分析
Mathias Hellwig
【期刊名称】《国外电子测量技术》
【年(卷),期】2014()5
【摘要】1 引言当测试超过1Gbit／s数据速率的数字电路质量功能时，抖动分析是必不可少的。
当分析这些高数据速率协议如PCIe、DDR、USB和以太网等接口协议时必须考虑抖动。
示波器是测量抖动非常理想的仪器。
某些示波器，如罗德与施瓦茨公司的R＆S RTO，甚至可以分析相关频谱。
【总页数】5页(P24-27)
【关键词】抖动分析;示波器;罗德与施瓦茨公司;高数据速率;细分;频域;时域;接口协议
【作者】Mathias Hellwig
【作者单位】罗德与施瓦茨公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.信号时域抖动与频域相位噪声之间的关系 [J], 杨淑莉
2.时域/频域的抖动测量 [J], Brijesh A Shah
3.泰克混合域示波器MDO4000:突破时域和频域间障碍 [J],
4.首款混合域示波器突破时域和频域间障碍 [J], 丛秋波
5.在时域和频域控制下色散管理孤子系统的定时抖动(英文) [J], 张帆;叶培大因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
时域与频域分析
时域与频域分析时域与频域分析是信号处理中常用的两种方法，用于分析信号在时间和频率上的特征。
时域分析主要关注信号的幅度、相位和波形，而频域分析则关注信号的频率成分和频谱特性。
一、时域分析时域分析是指通过对信号在时间轴上的变化进行观察和分析，来研究信号的特性。
它通常使用时域图形表示信号，常见的时域图形有时域波形图和时域频谱图。
1. 时域波形图时域波形图是将信号的幅度随时间变化的曲线图形。
通过观察时域波形图，我们可以获得信号的振幅、周期、持续时间等特征。
例如，对于周期性信号，我们可以通过时域波形图计算出信号的周期，并进一步分析信号的频谱成分。
2. 时域频谱图时域频谱图是将信号的频谱信息与时间信息同时呈现的图形。
它可以用来描述信号在不同频率下的能量分布情况。
常见的时域频谱图有瀑布图和频谱图。
瀑布图将时域波形图在频域上叠加，通过颜色表示不同频率下的幅度，以展示信号随时间和频率的变化。
频谱图则是将时域信号转换到频域上，通过横轴表示频率，纵轴表示幅度，以展示信号的频谱特性。
二、频域分析频域分析是指通过将信号从时域转换到频域，来研究信号在频率上的特性。
频域分析通常使用傅里叶变换或者其它频域变换方法来实现。
1. 傅里叶变换傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的重要方法。
它可以将信号分解成不同频率成分的叠加。
傅里叶变换得到的频域信息包括频率、幅度和相位。
通过傅里叶变换，我们可以分析信号中各个频率成分的能量分布，从而了解信号的频谱特性。
2. 频谱分析频谱分析是对信号的频谱特性进行定量分析的方法。
经过傅里叶变换后，我们可以得到信号的频谱，进而进行频谱分析。
常见的频谱分析方法有功率谱密度分析、功率谱估计、自相关分析等。
通过频谱分析，我们可以计算信号的平均功率、峰值频率、峰值功率等参数，进一步得到信号的特征信息。
三、时域与频域分析的应用时域与频域分析在信号处理和通信领域具有广泛的应用。
例如：1. 时域分析可以用于信号的滤波和去噪。
力科利用示波器实现高速信号的全方位分析
力科利用示波器实现高速信号的全方位分析力科利用示波器实现高速信号的全方位分析在高速信号调试时工程师必须首先调试并验证其设计是否符合物理层规范。
在此阶段，信号完整性（如眼图和抖动）是关键问题，很多这种验证和调试是通过使用伪随机码序列（PRBS）或循环测试码，并结合示波器及示波器厂家提供的串行数据眼图和抖动分析软件来完成的。
在确保物理层信号质量没有问题后，串行信号从测试码变为8b/10b编码字符序列，此时系统级问题成为调试的重点，问题可能会出现在物理层-链路层域（涉及信号完整性和数据完整性的交叉领域）。
这时，就需要对物理层信号实现解码分析。
对于现代的高速串行系统，系统之间的协调工作显得更为突出，协议间的任何冲突也会导致整个系统出现问题，因此分析物理层和链路层往往还是不够的，还必须要对系统的协议层进行分析，这时往往需要用到专用的协议分析仪。
本文将为大家重点介绍力科示波器针对高速串行信号物理层、链路层和协议层的解决方案。
高速信号的传输过程分析为了确保较好的信号传输质量，高速串行数据信号在传输之前往往需要进行相应的编码处理，如下图1所示即为串行信号简单的传输过程，在发送端信号先进行Scrambler和8b/10b 编码处理，处理后的信号经过传输链路传输后进入接收端后还需要进行10b/8b和Scrambler 的解码处理。
我们观察信号都需要在传输链路上进行观察，因此观察到的是编码后的加扰信号和10b信号。
8b/10b编码是当前大部分高速串行信号都使用的一个非常通用的编码方式。
如SATA、PCIE GEN1/2均使用8b/10b编码方式。
使用8b/10b编码可以确保电路的DC平衡（使得0电平和1电平的密度保持平衡），这样系统可以更加准确的从数据中恢复出理想时钟，也可以有效的减小码间干扰抖动，尽可能的减小系统出错的概率。
另外，通常8位代表一个数据位，如果所有位都用来表示数据，那么将没有多余的位来进行码型的同步，因此8b/10b编码的另外一个好处是可以提供多余的位来作为同步码，如常见的K28.5、K28.3等码型。
使用示波器进行信号的频谱分析
使用示波器进行信号的频谱分析引言：示波器是一种用于观察和测量电信号波形的仪器。
除了显示波形外，现代示波器还具备许多功能，其中之一就是频谱分析。
频谱分析可以帮助我们了解信号中各个频率成分的贡献程度，对于信号处理和通信系统设计非常重要。
本文将介绍如何使用示波器进行频谱分析，重点介绍FFT（快速傅里叶变换）分析方法。
一、示波器的频谱分析功能现代示波器一般都具备频谱分析功能，可以通过调整设置来选择频谱显示模式。
示波器可以通过内置的FFT算法对输入信号进行频谱分析，获取信号的频谱信息，并将其显示在示波器的屏幕上。
二、FFT分析原理FFT（快速傅里叶变换）是一种高效的算法，用于将一个时域信号转换为频域信号。
FFT算法可以将信号拆分为多个频率成分，并计算每个频率成分的幅度和相位。
FFT算法的核心思想是将一个N点的DFT（离散傅里叶变换）分解为多个较小的DFT，并利用对称性质和旋转因子的性质减少计算量。
三、使用示波器进行FFT分析的步骤1.连接信号源：首先需要将待分析的信号源连接到示波器的输入端口上。
可以使用信号发生器产生一个特定频率的信号，或者将需要分析的信号直接连接到输入端口。
2.设置示波器参数：根据实际需求，设置示波器的参数。
可以选择合适的时间和电压刻度，以便更好地观察信号波形。
还可以选择合适的FFT 分析窗口，如矩形窗、汉宁窗、布莱克曼窗等。
3.执行FFT分析：在示波器的菜单中选择FFT分析功能，并设置合适的参数。
通常需要选择采样率、采样点数、窗口类型等参数。
执行FFT分析后，示波器将自动进行FFT计算，并将频谱信息显示在屏幕上。
4.分析频谱结果：观察示波器屏幕上显示的频谱图，可以通过调整参数和选择不同的窗口类型来优化频谱显示效果。
可以通过放大、平移等操作来更详细地观察频谱。
四、注意事项1.选择合适的采样率和采样点数：采样率和采样点数决定了FFT分析的分辨率。
采样率过低会导致频谱信息丢失，采样点数过多会增加计算量和分析时间。
利用示波器进行频谱分析的方法与结果解读
利用示波器进行频谱分析的方法与结果解读随着科技的不断发展，频谱分析作为一种重要的信号处理技术，被广泛应用于各个领域。
利用示波器进行频谱分析是其中的一种方法，本文将介绍这一方法的基本原理以及如何解读分析结果。
首先，让我们来了解一下示波器。
示波器是一种测量电信号波形和幅度变化的仪器，它可以用来观察信号的时域特性，即信号在时间上的变化。
然而，时域分析并不能提供信号的频域信息，即信号在频率上的变化。
这就引出了频谱分析的需求。
频谱分析通过将信号从时域转换为频域来提供信号的频率特性。
示波器在进行频谱分析时可以通过多种方法工作，其中一种常用的方法是基于快速傅里叶变换（FFT）算法。
FFT可以将离散时间域信号转换为相应的离散频域信号，从而实现频谱分析。
为了进行频谱分析，我们首先需要将待测信号输入示波器。
这可以通过连接信号源到示波器的输入端口来实现。
一旦信号输入，示波器会对信号进行采样并生成采样序列。
采样序列是一组离散的时间域信号，代表了信号在不同时间点的幅度值。
接下来，示波器会对采样序列进行FFT处理，得到对应的频域信号。
频域信号包含了信号在不同频率上的幅度信息，我们可以通过频谱来观察信号的频率分布。
在频谱图中，横轴表示频率，纵轴表示信号强度。
根据频谱图，我们可以进行一些常见的频谱分析，比如峰值分析和频谱比较。
峰值分析可以帮助我们确定信号中的主要频率分量，以及它们的强度。
通过识别峰值，我们可以了解信号的频率特性，以及信号中的主要频率成分。
频谱比较是一种常用的分析技术，用于比较不同信号的频谱。
通过将两个信号的频谱进行对比，我们可以确定它们之间的相似性或差异性。
这在音频处理、无线通信和故障诊断等领域中都有着广泛的应用。
除了基本的频谱分析，示波器还可以提供其他的分析功能，比如时频分析。
时频分析可以同时提供信号在时域和频域上的信息，从而更全面地了解信号的特性。
这对于处理非稳定信号或具有时变特性的信号非常有用。
在进行频谱分析时，需要注意一些常见的误差和限制。
示波器的频谱分析和频谱显示方法
示波器的频谱分析和频谱显示方法示波器是一种重要的电子测试仪器，广泛应用于各个领域的电子设备测试中。
频谱分析和频谱显示是示波器的两项核心功能，对于信号的分析和诊断起着至关重要的作用。
本文将介绍示波器的频谱分析原理以及几种常见的频谱显示方法。
一、频谱分析原理频谱分析是将一个信号分解成一系列不同频率的正弦波的过程，可以帮助我们了解信号的频率成分、幅度特性等。
示波器通过对输入信号进行采样和数字信号处理，实现了频谱分析的功能。
在示波器中，频谱分析原理主要涉及两个方面：离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）。
DFT是一种将时域信号转换为频域信号的方法，但计算复杂度较高，对硬件要求较高。
为了解决这个问题，FFT应运而生，它是一种基于DFT的高效算法，可以大大加速频谱分析的计算过程。
二、频谱显示方法1. 翻页式频谱显示翻页式频谱显示是示波器最常用的一种频谱显示方法。
它将频谱分为若干个不同的窗口，每个窗口显示一段时间内的频谱信息。
示波器会不断翻页，显示连续的频谱波形，以便我们观察信号的变化趋势。
这种显示方法可以帮助我们捕捉到瞬态信号或周期性变化的频谱特征。
2. 实时频谱显示实时频谱显示是一种连续更新频谱波形的显示方法。
示波器会以一定的时间间隔采样信号，并进行频谱计算和显示。
实时频谱显示可以实时观察信号的频率分布和幅度变化，对于频谱监测和实时分析非常有用。
3. 持续频谱显示持续频谱显示是示波器另一种常见的频谱显示方法。
它通过将信号的不同频率分量平均累积，在一定时间内持续显示平均频谱。
这种显示方法可以降低随机噪声的影响，提高频谱分析的可靠性和准确性。
4. 瀑布图频谱显示瀑布图频谱显示是一种将频谱波形以二维图像的形式显示的方法。
示波器将频谱波形按时间顺序排列，并通过彩色变化来表示不同频率的强度。
瀑布图显示可以直观地展示信号频谱在时间上的变化情况，有助于我们观察信号的时变特性。
总结：示波器的频谱分析和频谱显示是电子测试中不可或缺的重要功能。
示波器的相位解调和调制分析方法
示波器的相位解调和调制分析方法示波器是一种广泛使用的电子测量仪器，用于测量和显示电信号的波形、幅度和频率等特征。
除了常见的幅度调制和频率调制，相位调制也是一种重要的调制方式。
在相位调制下，信号的相位发生变化，因此需要采用特定的解调方法来分析和还原相位调制信号。
本文将介绍示波器的相位解调和调制分析方法。
一、相位解调方法相位解调是将相位调制信号转换为相对于参考信号的相位差的过程。
下面将介绍几种常用的相位解调方法：1. 直接相位测量法直接相位测量法是最简单直接的方法，它利用示波器测量信号与参考信号之间的相位差。
通常情况下，参考信号是一个已知频率和相位的稳定信号源。
示波器通过比较信号与参考信号的相位差，可以得到相位调制信号的相对相位。
2. PLL相位锁定环路PLL相位锁定环路是一种更为精确的相位解调方法。
它通过一个反馈环路，将被调制的信号与参考信号的相位锁定在一起，从而得到稳定的相对相位。
在PLL环路中，有一个相位比较器用于测量信号与参考信号之间的相位差，并通过调整环路中的控制信号来消除相位差。
3. 差分相位解调法差分相位解调法是通过将相位调制信号与一个90度相位差的本地参考信号进行调制，然后通过测量两路信号的幅度差来得到相位差。
差分相位解调法适用于频率稳定、相位稳定的信号。
二、调制分析方法调制分析是通过示波器对调制信号进行分析，得到信号的调制指标和特征。
下面介绍几种常用的调制分析方法：1. 常规幅度调制分析常规幅度调制分析是通过观察幅度调制信号的波形特征，如峰值、峰-峰值、平均幅度等来获取调制信息。
示波器可以直接显示信号的幅度特征，方便分析幅度调制的程度。
2. 频谱分析频谱分析是一种常用的调制分析方法，它通过将调制信号进行傅里叶变换，将信号的频谱信息可视化。
示波器可以通过内置的频谱分析功能，显示信号的频谱分布、频率成分等内容，从而分析信号的调制方式和调制深度。
3. 相位调制指标分析相位调制信号的特征主要体现在相位变化上，因此对相位调制进行分析时，关注的指标主要包括相位差、相位偏移等。
使用示波器进行信号频谱分析(FFT)教程
使⽤示波器进⾏信号频谱分析(FFT)教程对信号中的频率分量进⾏分析是⼗分重要的，因为他们常常会在设计中引起噪声，⼀旦超出允许的公差，就可能进⽽导致器件发⽣故障功能失常。
严重的还可能导致电压尖峰，损坏器件。
如果我们在设计的时候没有进⾏正确的测试，那么上述问题就很可能发⽣。
那么如何对信号进⾏频率分量的分析呢？也许⼤家会认为这个活只有频谱分析仪能⼲，但实际上示波器也能部分胜任，示波器除了时域分析外，还有⼀个FFT的功能，就可以⽤来做这个事。
FFT是快速傅⾥叶变换的缩写。
简单的说，FFT其实是⼀种算法，可以帮助我们对时域信号进⾏分离，然后再将这些分离的信号转换到频域，此时示波器将从时域转换成频域，显示的是信号幅值与频率之间的关系。
如下gif图所示，可以清楚的看到示波器是如何将信号从时域转换成频域的。
对于FFT的时域频域转换如果不是很了解，可以搜索看下我们之前的⽂章《浅懂示波器FFT快速傅⽴叶变换功能及运⽤》FFT的菜单栏中，包含FFT运算频谱类型的选择，可以选择线或者分⻉来作为幅值分别以V-Hz或dB-Hz被绘制在示波器显示屏上。
当FFT开启的时候，可以看到⽔平轴的时基从时间变成了频率，垂直轴单位变为V或者dB。
频谱类型下⽅是触发源的选择，这个⽐较好理解，要对哪个通道进⾏FFT运算，我们就选哪个通道为源。
源下⽅是四种不同的FFT窗，分别是矩形窗、哈明窗、布莱克曼窗、汉宁窗。
那么为什么FFT会有不同的窗选择呢？因为FFT算法计算频谱信号采样时，只能得到采样点的信息，不可能对⽆限⻓的信号进⾏测量和运算，⽽是取其有限的时间⽚段进⾏分析，因此忽略了采样间隔中数据信息，这是不可避免的，也称之为栅栏效应。
示波器是对有限⻓度的时间记录进⾏FFT变换，FFT算法是假设时域波形是不断重复的。
这样当周期为整数时，时域波形在开始和结束处波形的幅值相同，波形就不会产⽣中断。
但是，如果时域波形的周期为⾮整数时，就引起波形开始和结束处的波形幅值不同，从⽽使连接处产⽣⾼频瞬态中断。
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MIL-STD-1553 ARINC 429 DigRF D-PHY
USB PCI Express Fibre Channel 8B/10B,64B/66B,曼彻斯特编码 10M/100M/10G以太网
电源测量和分析
数据标准一致性测试
示波器的时频域分析工具
示波器的时频域分析工具
频谱分析
数字下变频与解调 自定义测量与分析
时间 调制线性度
调制或“线性” 带宽 频率
脉宽
时间
45
脉冲雷达信号
Quick Summary
应用案例：发射接收设备的时延测量
设备时延
Transmitter
Target
Receiver
Echo Signal
测试难点
FSK
FSK
FSK调制信号
用解调函数得到FSK信号的频率-时间曲线
实测的基带信号
基于示波器的频谱分析与专用频谱分析仪
专用频谱分析仪和示波器结构
结构上的重要差别
基于FFT的频谱分析仪
先下变频后再采样 ADC采样率不需太高，ADC位数可以比较高 能够分析的带宽受ADC采样率限制，一般为最高到 1\200MHz
基于示波器的频谱分析
采样之前无下变频 ADC采样率要求高，但ADC位数很难做得很高 能够分析的带宽和示波器带宽一致
示波器频谱分析软件
非平稳信号的频谱
时域信号
频谱
时域信号局部FFT
时域信号
频谱
非平稳信号的Spectrogram
时域信号
频率
Spectrogram
时间
扫频信号的Spectrogram
时域信号
频率
Spectrogram
时间
IQ数字下变频与解调
I/Q解调函数
AM/PM/FM demodulation
适合用示波器做频谱分析的场景
具备时域(含数字域）、频域的关联分析
分析带宽高
兼顾时域和频域分析的广度和分辨率 能够对频谱分析结果做进一步的运算、信号处理 需要对多个信号同时做频谱分析 一机多用，无须另外购买频谱仪
FFT频谱分析的几个基本概念
Frequency Span 频谱范围
力科示波器调制信号时频域分析
万力劢 limai.wan@
Agenda
Teledyne LeCroy公司简介
示波器测量与分析功能简介 示波器的时频域测量和分析工具
频谱分析 数字下变频与解调运算 自定义测量和分析
Teledyne LeCroy公司简介
嵌入MATLAB程序实现滤波器
应用案例：矢量信号分析
8PSK星座图和调制质量测试
应用案例：LFM雷达线性度的测量
频率调制脉冲 – 关键参数
调制或“线性” 带宽
频率
调制线性度
脉宽
时间
线性调频中的非线性度在雷达中引起距离和速度误差
62
曲线图
总结
/matlab /lecroy
Teledyne集团简介
Teledyne集团业务范围
测量和分析仪器
海洋能源& 全球基础设施 机器视觉、成像及工厂自动化 军事指挥自动化 飞机信息管理
Teledyne LeCroy公司概况
示波器测量与分析功能简介
示波器采集框图
放大器
模数转换器
采集 数据处理 存储器
显示
示波器采集框图
自动参数测量功能
自动参数测量功能
测量时间间隔
波形运算功能
高速串行数据分析
眼图和抖动测量是衡量高速信号质 量的最常用方法 力科是业界最先采用软件恢复时种 的方法来形成眼图的，而现在这种 方法已成为眼图测量的行业标准
串行数据解码与触发
UART/RS232/RS429 SPI/I2C/I2S CAN FlexRay LIN
Transmitted Signal
Transmitter
Target
Receiver
Echo Signal
脉冲雷达的重要参数
脉冲开 峰值 功率
脉宽
50%
脉冲顶部 幅度
开关比
RF
脉冲关 脉冲重复间隔 (PRI)
脉冲压缩 - LFM “线性调频”
RF脉冲频率在线性斜波的脉冲时间周期中连续变化
幅度
Span
Start Freq
Center Freq
Stop Freq
频谱范围受ADC采样率限制
奈奎斯特定律：Maximum Span=SamplingRate/2
举例： 示波器采样率为5GS/s时， 所能观察的频谱范围为 0～2.5GHz
Resolution Bandwidth(RBW) 分辨带宽
I/Q解调函数
数字下变频
AM/PM/FM demodulation
I/Q解调函数
可定义的滤波器
AM/PM/FM demodulation
I/Q解调函数
被测信号频谱
混频后的频谱
滤波后的频谱
I/Q解调函数
可调的重采样率 I
AM/PM/FM
Q
demodulation
应用案例：脉冲雷达信号的测量
脉冲多普勒雷达
能够分辨的最小频率差异，也称为频率分辨率，也常用Δf、bin width表示
RBW:500kHz
RBW:200kHz
RBW:100kHz
辨率带宽受采样时间限制
Δf =1/T
举例： 示波器水平时间为1ms时， 频率分辨率为1/1ms=1kHz
示波器FFT小结
采样率高 存储深度高 -
频域广度，时域分辨率 时域广度，频域分辨率
带宽 放大器
采样率 垂直分辨率 存储 测量与分析 深度 采集 数据处理 存储器
模数转换器
显示
力科示波器主要指标的发展
力科示波器测量与分析能力
100多种自动参数测量功能 80多种运算功能 高速串行数据分析 串行数据协议分析（I2C,SPI,UART,CAN,USB,PCIe…) 数据标准一致性测试（DDR,USB,Ethernet,PCIe,HDMI…) 时钟抖动分析 开关电源和线性电源分析 磁盘数据分析
力科示波器不仅是一个优秀的数据采集平台，也是一个功能丰富数据处理平台
PSK,QAM
相位翻转点：功率极小值
PSK,QAM
包络
自定义测量和运算
传统的自定义数据处理
自定义测量和分析 示波器信号处理流程中嵌入用户自定义的算法程序 支持MATLAB,C/C++,VB script ,MATHCAD,EXCEL
示波器软件
MATLAB DRIVER
Inline Processing