信号的时域和频域测试介绍

信号的时域和频域测试介绍

信号的时域和频域测试是电子工程和信号处理领域的重要技术手段。本文将详细介绍时域和频域的基本概念，以及如何使用示波器和频谱分析仪进行信号测试。通过对比两种测试方法的原理和应用场景，帮助读者更好地理解和应用这些技术。

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。

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)。

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）。

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。

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：

选择合适的测试工具和方法，对于准确分析和处理信号至关重要。