24년 2023월 XNUMX일에 업데이트되었습니다.
스펙트럼 분석기는 실험실에서 필수적인 테스트 및 측정 장비입니다. 이는 주파수 영역에서 신호를 표시하고 분석하는 데 사용됩니다. 일부 오실로스코프에서 사용할 수 있는 FFT(고속 푸리에 변환) 기능과 비교할 때 주파수 스위프 스펙트럼 분석기는 일반적으로 넓은 주파수 범위를 유지하면서 더 나은 스펙트럼 분해능을 제공합니다. 그러나 스펙트럼 분석기는 특히 더 미세한 분해능에서 FFT 기반 접근 방식보다 훨씬 느릴 수 있습니다. Moku:Lab 스펙트럼 분석기 장비는 두 접근 방식의 장점을 모두 제공하고 속도와 주파수 범위의 균형을 맞추는 하이브리드 기술을 사용합니다. 이 가이드에서는 Moku:Lab 스펙트럼 분석기와 오실로스코프를 사용하여 하이브리드 스펙트럼 분석기와 FFT 기반 접근 방식 간의 주요 차이점을 소개하고 Moku:Lab 스펙트럼 분석기의 일부 주요 설정에 익숙해지도록 하겠습니다.
FFT 기반 접근 방식의 한계
주파수 영역 신호 분석은 관심 신호에서 원치 않는 노이즈를 식별하고 분리하는 데 사용되는 필수 기술입니다. 시간 영역 분석에 비해 노이즈를 찾아내고 시스템을 최적화하여 주파수 영역 분석을 통해 원치 않는 부분을 필터링하는 것이 훨씬 쉽습니다. 고속 푸리에 변환은 시간 영역 추적에서 신호의 주파수 영역 응답을 계산하는 수학적 알고리즘입니다. 이는 많은 최신 디지털 스토리지 오실로스코프에 내장된 표준 기능이며 주파수 영역에서 신호를 한눈에 볼 수 있게 해줍니다. 그러나 FFT의 스펙트럼 분해능(R)은 샘플링 속도(Fs)를 FFT 포인트 수(N)로 나눈 값에 비례합니다. 반면, FFT 스펙트럼의 최고 주파수는 샘플링 속도의 절반으로 제한됩니다. 이는 아래 방정식에서 볼 수 있듯이 주파수 범위가 클수록 분해능이 낮아진다(R이 커짐)는 것을 의미합니다.
이는 고주파수에서 더 미세한 세부 사항을 특성화하는 FFT 기반 접근 방식을 제한합니다. 이 애플리케이션 노트 전체에서는 관심 신호로 FM 편차가 10kHz인 5kHz에서 1MHz 사인파, 주파수 변조(FM)를 사용합니다(그림 1). 이 신호에는 FM1이라는 이름을 사용하겠습니다. 그림 2는 Moku:Lab의 오실로스코프를 사용하여 생성된 FM1의 FFT 스펙트럼을 보여줍니다. ±5kHz 측파대는 FFT 분석으로 분해할 수 없습니다. 또한 스펙트럼에서 여러 개의 앨리어싱 대역을 볼 수 있습니다.
그림 1: Moku:Lab 파형 발생기에 의해 생성된 10MHz의 FM 신호
그림 2: Moku:Lab 오실로스코프에서 계산한 FM1의 FFT 스펙트럼
Moku:Lab 하이브리드 스펙트럼 분석기 접근 방식
FFT 기반 접근 방식의 한계를 극복하기 위해 Moku:Lab 스펙트럼 분석기는 관심 신호를 국부 발진기(LO)와 디지털 방식으로 혼합합니다. f1 그림 3과 같이 관심 주파수를 DC 범위에 가깝게 만듭니다. 주파수 혼합 이론은 Moku:Lab Lock-In Amplifier 비디오(https://youtu.be/H2O2ADqEkHM). 그런 다음 스펙트럼 분석기는 이 저주파 신호에 대해 FFT를 수행합니다.
그림 3: Moku:Lab 스펙트럼 분석기의 신호 처리 흐름
이전에 논의한 것처럼 FFT는 더 작은 주파수 범위에서 가장 잘 수행됩니다. 이 하이브리드 접근 방식을 사용하면 특정 주파수에서 스펙트럼 창의 시작점을 선택할 수 있습니다(항상 0에서 시작하는 순수 FFT 접근 방식과 비교). 좁은 범위를 사용하여 스펙트럼의 모든 부분을 분석할 수 있습니다. 스펙트럼 분해능은 더 이상 스펙트럼의 상위 주파수에 의해 제한되지 않고 오히려 주파수 범위와 관련됩니다. 따라서 더 높은 주파수에서도 고해상도의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다. 그림 4에서는 Moku:Lab 스펙트럼 분석기를 사용하여 FM1을 분석했습니다. 중요한 고조파를 포함한 모든 측파대는 쉽게 분해될 수 있습니다.
그림 4: Moku:Lab 스펙트럼 분석기로 획득한 FM1의 스펙트럼
주파수, 분해능 대역폭 및 비디오 필터
이전 섹션에서 논의한 것처럼 주파수 범위가 좁을수록 스펙트럼 분해능이 더 미세해집니다. 관심 있는 신호 주파수를 포괄하는 가장 작은 범위를 권장합니다.
분해능 대역폭(RBW)은 스펙트럼 분석의 스펙트럼 분해능을 정의합니다. 이는 FFT에 사용되는 포인트 수와 FFT를 계산하기 전에 신호에 적용되는 윈도우 함수에 의해 결정됩니다. 분해능 대역폭이 더 좁을수록 더 나은 스펙트럼 분해능을 제공합니다. 그러나 측정 시간이 약간 늘어날 수 있습니다.
비디오 필터는 표시된 스펙트럼에서 인접한 픽셀의 평균을 구하여 스펙트럼을 평활화합니다. 이는 후처리 기술이며 온보드 스펙트럼 획득 프로세스에 영향을 주지 않습니다. 비디오 필터가 클수록 주파수 분해능이 낮아지는 대신 더 부드러운 스펙트럼이 생성되고 좁은 스펙트럼 특징의 진폭이 줄어들 수 있습니다.
평균화는 신호 대 잡음비를 향상시키는 또 다른 방법입니다. 이는 비디오 필터와 유사한 효과를 갖습니다. 상대적으로 안정적인 특징을 캡처할 때 권장되며 스펙트럼의 분해능을 감소시키지 않습니다.
그림 5는 분해능 대역폭, 비디오 필터 및 평균화의 효과를 보여줍니다. FM1.
그림 5: RBW, 비디오 필터 및 평균화의 효과
Moku:Lab 데모 모드
Apple에서 Moku:Lab 앱을 다운로드할 수 있습니다. 앱 스토어 데모 모드에서 경험해 보세요. Moku:Lab 스펙트럼 분석기의 자세한 기능은 다음에서 확인할 수 있습니다. https://www.liquidinstruments.com/support/moku-lab-instruments/spectrum-analyzer/
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