什麼是功率分析儀的欠採樣,香農定理和抗混疊濾波?

2021-01-13 德國GMC高美測儀

關於功率分析儀帶寬和採樣頻率,有一個經常被問到的問題:

你是如何能測量一個500KHz的信號,而只有100KHz的採樣率呢?

很多人認為採樣定理(也稱為奈奎斯特或香農定理)必須滿足要求才能計算數值。這個不是真的,只有為了少數目的,這些目的對我們的測量是相關的:

■ 你希望分析在時域中的信號

■ 你希望數字濾波

■ 你希望生成FFT或DFT

對於我們測量DC,TRMS或功率數據的目的是不需要滿足的。理由很簡單:

所有這些數值都是原理統計的數值(平均值,均方值,…)。因此添加數值以獲得總數和的指令並不重要。

一個簡單的例子

你有一個頻率50Hz,幅值是1的正弦波和一個200Hz的採樣頻率。你採樣了正弦波的第一個周期,結果如下(相位角/幅值):0°/0,90°/1,180°/0和270°/-1。所以總和是零。

現在讓我們用同一個信號,但是用40Hz的採樣頻率,我們採幾個周期數據。這是結果(周期/相位角/幅值):1/0°/0,2/90°/1,3/180°/0,4/270°/-1。你看你需要4個周期,但是你得到了完全相同的採樣值。

現在讓我們假設採樣頻率是28.6Hz(=1/0.035s),我們再次採幾個周期數據。這是結果(周期/相位角/幅值):1/0°/0,2/270°/1,4/180°/0,6/90°/-1。你看採樣值的順序改變了,但是總和再次是一樣的。

你將得到與採樣頻率無關的波形的相同統計值。重要的是,波形的每個點都被採樣,這可能需要幾個信號周期才能得到。這種工作原理稱為欠採樣。

回到問題:最短的循環刷新時間是10ms。所以500kHz(2μs周期時間)的信號採樣至少需要5000個周期!更長的循環時間,包含更多的信號周期。

如上面提到的你必須滿足香農定理,如果你想執行傅立葉變換的話。在原理上你的信號帶寬必須小於採樣頻率的一半。所以在100KHz採樣頻率下,信號帶寬不應超過50KHz。如果它更大,你可能會出現混疊情況(這意味著你看到的信號是在錯誤的頻率與錯誤的幅值)。在實際中,標準IEC61000-4-7定義了不會得到混疊的滿足條件是拒絕-50dB。

在原理上功率分析儀有2種可行的方法滿足這個要求:

■ 不確定的方法是當信號具有(理論上)一個小帶寬。典型的是在廣播站以低帶寬傳輸。這可能會由於耦合而導致混疊。

■ 安全的方法是在儀器內使用抗混疊濾波器。這也拒絕了外部耦合到信號中的分量。儀器本身屏蔽的,這樣就不會發生問題。

這個抗混疊濾波器是自動在儀器內使用的,如果你選擇了諧波模式。當然,這個濾波器沒有無限的陡峭(0db<50kHz, -50dB >50kHz)。所以你可以測量直到10KHz的諧波。在10KHz到50KHz的範圍內,濾波器下降到-50dB。

相關焦點

  • 從理論到實踐,奈奎斯特採樣定理,我終於鬧明白了!
    本文繼續討論了採樣定理,解釋了其在實際混合信號系統中的重要性。 在本系列的第一篇文章《你好,我叫採樣,來認識一下唄!》中,我們從時域的角度探討了這個概念;在第二篇文章《頻域中的奈奎斯特-香農定理,到底說了啥?》
  • 設計抗混疊濾波器的三個指導原則
    在為你的應用設計抗混疊濾波器時,請考慮以下3個通用指導原則。本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201601/285598.htm  1.選擇你的濾波器截止頻率  最簡單的抗混疊濾波器是一個單極、低通濾波器,如圖1所示,它使用一個串聯電阻器 (R) 和共模電容器 (CCM)。
  • 設計抗混疊濾波器的三個指導性原則
    我們知道,在高精度ADC應用中使用抗混疊濾波器是有益的,不過,設計合適的抗混疊濾波器也同樣重要—如果你不小心的話,就像把有害誤差從系統中消除一樣,很容易將有害誤差引入到你的系統中。在為你的應用設計抗混疊濾波器時,請考慮以下3個通用指導原則。
  • 功率分析儀和示波器有什麼區別?
    打開APP 功率分析儀和示波器有什麼區別? 一、應用領域不同 示波器主要是用來分析電壓和電流波形細節,一般示波器帶寬都會達到幾百M或者幾個G,採樣率也比較高,主要方便波形的捕捉和分析,適用於動態信號的採集分析,比如不規則的高頻信號;功率分析儀主要用於功率,能耗及轉化效率分析,一般針對的是穩態信號或頻率變化不大的信號,目前市場上最高的帶寬也就10M(德國高美LMG671),採樣一般最高几Mhz,對於市場上絕大多數應用是足夠的
  • 香農定理 與 奈奎斯特定理 例題分析
    奈奎斯特定理與香農定理作為物理層為數不多、能出計算題的知識點,會時常被出題老師拿來小考一下。
  • 過採樣系列一:採樣定理與過採樣率
    採樣速率是ADC重要參數之一,圍繞採樣速率,有一條著名的定理:奈奎斯特採樣定理。採樣定理:只要採樣頻率大於或等於有效信號最高頻率的兩倍,採樣值就可以包含原始信號的所有信息,被採樣的信號就可以不失真地還原成原始信號。
  • 技術牛人詳解矢量信號分析儀原理(真的很經典)
    有些信號分析儀提供外部 IF 輸入能力 ; 你可以通過提供自己的 IF,延展 VSA 的頻率上限範圍,從而與自己提供的接收機相匹配。信號調整過程的最後階段是預防信號混疊,它對於採樣系統和 FFT 分析極為重要。抗混疊濾波執行這一功能。
  • 基於快速傅立葉變換的在線電網諧波分析儀
    高次諧波含量超標對於電子設備會引發電磁兼容問題,導致半導體器件誤動作;對於配電系統,會造成中性線電流過大以至發熱甚至燃燒;對於電力傳輸系統,由於功率因素下降造成大量的能量消耗在電網電力傳輸線上。因此電力諧波分析治理對電網的管理有重要的意義。
  • 基於FPGA的頻譜分析儀的設計流程簡要闡述[圖]
    頻譜分析儀是微電子測量領域中最基礎、最重要的測量儀器之一,是從事各種電子產品研發、生產、檢驗的重要工具。高解析度、寬頻帶數字頻譜分析的方法和實現一直是該領域的研究熱點[1]。現代頻譜分析儀是基於現代數位訊號處理理論的頻譜分析儀,信號經過前置預處理、抗混疊濾波、A/D變換、數字頻譜分析等環節而得到信號中的頻率分量, 達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果。
  • 基於軟體無線電數字下變頻的FFT技術在頻譜分析儀中與單片DSP裡實現
    在頻譜分析儀中,傳統的FFT實現方法首先是對低中頻信號進行ADC低採樣率採樣,然後將採樣數據保存在RAM中;當數據足夠後,進行FFT運算,將獲得的頻譜數據顯示在屏幕上。這種FFT方法可以說是簡單易行,但在處理寬帶高中頻信號方面,由於受Nyquist採樣定理的約束,需要使用高採樣率。此時實現窄的解析度帶寬將需要大量的採樣數據,這就使得系統不僅需要提高存儲空間,而且增加了運算量,同時有很多冗餘輸出數據,導致算法的效率非常低下。
  • 基於軟體無線電數字下變頻的FFT技術在頻譜分析儀中與單片DS
    引 言在頻譜分析儀中,傳統的FFT實現方法首先是對低中頻信號進行ADC低採樣率採樣,然後將採樣數據保存在RAM中;當數據足夠後,進行FFT運算,將獲得的頻譜數據顯示在屏幕上。這種FFT方法可以說是簡單易行,但在處理寬帶高中頻信號方面,由於受Nyquist採樣定理的約束,需要使用高採樣率。
  • 零漂移精密運算放大器:測量和消除混疊 以實現更精確的電流檢測
    這使得斬波器保持高於Nyquist速率的採樣頻率,消除了混疊的可能性。當信號頻率超過Nyquist頻率時,可能在輸出端發生混疊。由於使用採樣系統,故這是所有斬波器和斬波穩定結構的固有限制。檢測混疊的測試電路是個簡單的單位增益緩衝器。該技術的實質是在示波器查看器件輸出。頻譜和網絡分析儀似乎並不總是檢測與零漂移放大器內部工作相關的信號。為這測試選擇的第一個運算放大器是安森美半導體的NCS325自歸零技術放大器,而不是像測試的其他器件的斬波穩定放大器。從理論上講,自歸零結構將比斬波穩定型呈現更顯著的混疊效應,這使得驗證測試成為一種方便的首選。圖6描繪了NCS325的混疊。
  • 如何使用連續時間Σ-ΔADC,簡化信號鏈來解決採樣問題
    積分器將累加量化誤差,將量化噪聲整形至更高頻率,然後使用數字濾波器進行濾波。圖6所示為典型的Σ-Δ ADC輸出x[n]的功率譜密度(PSD)。噪聲整形斜率取決於環路濾波器的階數H(z)(見圖11),每十倍頻程為(20 × n) dB,其中n表示環路濾波器的階數。Σ-Δ ADC通過結合使用噪聲整形和過採樣,可實現帶內高解析度。帶內帶寬等於 fODR/2 (ODR表示輸出數據速率)。
  • 頻譜分析儀和信號分析儀的區別
    由此可見,矢量信號分析儀的電路結構比頻譜分析儀複雜,價位也較高。現代的矢量信號分析儀也採用快速傅立葉變換,以下介紹它們的異同。 頻譜分析議和FFT頻譜分析議 傳統的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內可調諧的接收機,輸入信號經下變頻後由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標圖,就是輸入信號的頻譜圖。
  • 採集模擬信號:帶寬、奈奎斯特定理和混疊
    了解採集模擬信號的基礎知識,包含帶寬、幅值誤差、上升時間、採樣率、奈奎斯特定理、混疊與解析度等。 本教程是儀器基礎教程系列的一部分。
  • 信號採樣的形象化理解,小技巧很實用!
    欠採樣允許我們利用混疊,假設我們遵循奈奎斯特定理的嚴格要求。對於上述中頻信號,設想我們嘗試40MHz的採樣率,那麼摺疊紙的圖像就是圖5所示,可以看到60~80MHz的第4奈奎斯特區,恰好包含了整個65~75MHz的中頻信號。     現在將紙摺疊起來的結果如圖6所示,可見採樣後中頻信號保持了下來,因為在其他奈奎斯特區沒有信號頻譜。
  • 人耳最多能聽20kHz聲音,我們還有必要聽採樣率44.1kHz的音頻嗎?
    那一刻,我許下諾言:今生今世,來生來世,生生世世;無論她是誰,無論她變成了什麼,我都會去找她,我們都要在一起。後來,我轉世成了蝙蝠,而她依然是人。然而我說的話,她卻聽不到了。現在,我們需要製作一隻數模轉化器,以及全套的偏置電路和放大電路,讓她能聽到我的呼喚,那麼,此時我們需要注意什麼呢?於是我默默翻開數模信號轉化那個章節,依循著腦海的記憶,找到了老師要求我們劃重點的部分:採樣定理在進行模擬/數位訊號的轉換過程中,當採樣頻率大於信號中最高頻率的2倍時,採樣之後的數位訊號就能完整地保留了原始信號中的信息。
  • 瑞士研究者成功集成近紅外和短波紅外波段薄膜鈮酸鋰寬帶光譜儀
    這項技術使高解析度光譜儀具有緊湊和穩健的設計。基於SWIFTS原理的集成光譜儀已經在包括矽、氮化矽、石英和聚合物在內的各種材料平臺上進行了演示。然而,由於駐波模式不可避免地存在極低的採樣率,根據奈奎斯特-香農準則,基於SWIFTS的器件在630–1100–nm波長下的可分辨帶寬被限制在5–14 nm。已經有研究人員嘗試通過多路復用,通過外部光路延遲,通過包括移動鏡和使用板條波導來克服欠採樣的問題。
  • 為什麼不建議使用萬用表和功率分析儀做對比?
    有時會收到用戶反饋:「這個功率分析儀的顯示跟萬用表(手持)不一樣啊,我們萬用表進口的啊,國產還是不行啊」……然而,在萬用表和功率分析儀之間有多少可以對比的空間呢?出現差異的時候又是孰是孰非呢?圖1首先我們要清楚,萬用表和功率分析儀的參數區別具體有哪些。