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采样频率与带宽的“陷阱”

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  • 发布时间:2015/7/16 16:36:17
  • 作者:ljl_yinhe

  对于功率分析仪,用户最为关心的两个指标是测量精度和带宽,商家也是对于自身产品在这两个关键指标上重点突出及重点宣传,为了突显其优势,可谓是下足了功夫,无所不用其极,运用“断章取义”、“以偏概全”等陷阱来误导用户。正是由于各种怪像,发生了某企业火药味十足地将自身产品与另外一个企业的产品完整参数数据对比公开发表在杂志上,原因是实在无法忍受后者对于自身产品测量精度宣传时的夸大、断章取义的卑劣做法。详细情况见:FLUKE功率分析仪的精度之争

  今天就来解开在采样频率与宽带宣传中的陷阱。首先来看几个概念:

  1、采样,模数转换器每隔一定的时间间隔对连续信号采样,得到当时时间点上连续信号的离散值,也就是连续信号转换为离散信号。

  2、采样频率,表示数字信号采样自模拟信号的速率,对模拟信号采样的频度。它代表了离散信号在和时域和空间域上的精确度。

  3、采样定理(据奈奎斯特定理),在进行模拟数字信号的转换过程中,当采样频率大于信号中最高频率(信号带宽)的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。

  所以采样定理确定了信号最高频率的上限,或能获取连续信号的所有信息的采样频率的下限。

  4、混叠,如果信号带宽高于或等于奈奎斯特频率(即采样频率的二分之一),会导致混叠现象。带宽高于奈奎斯特频率的信号会被重建成低于奈奎斯特频率的混叠信号(混叠信号的频率为信号频率与采样率之差);带宽等于奈奎斯特频率的信号会被重建成频率不变,但是幅值相位变化的混叠信号。

  例如:一个2KHZ的正弦信号在1.5KHZ采样频率的转换后,会被重建为500HZ的正弦信号。一个2KHZ的正弦信号在2KHZ采样频率的转换后,会被重建为2KHZ幅值相位发生变化的正弦信号。

  为了避免混叠现象,通常采用两种措施:

  提高采样频率,达到信号最高频率的两倍以上;输入信号通过抗混叠滤波器(低通滤波器)进行滤波处理,过滤掉频率高于采样率一半的信号。

  5、固有带宽,由功率分析仪的硬件电路决定的,受电感电、电容影响,不可避免的带宽限制,这个带宽一般是指标中最宽的。

  6、数字带宽,是指分析仪采用数字采样技术,满足采样定理,带宽为采样频率的1/2。

  7、防混叠滤波器带宽,是指将被测量信号频率限制在采样频率1/2以内的低通滤波器的带宽。

  8、有效带宽,数字带宽及防混叠滤波器带宽中较小的一个。

  陷阱——不标称实际有效带宽

  某款产品在首页对于其采样频率的描述:

  看到这个参数,可能会有疑问了,这个带宽与采样率是什么关系,如果按照采样定理,它的带宽应该是1MHz才对,5MHz表示什么?

  在规格中描述功率带宽:

  这里带宽1MHz满足了采样定理。

  但是在手册后面谐波测量中描述:

  看到这些参数可以了解到,原来采样频率不是固定的,根据基波频率的不同,采样率会变化,从4.096KHz到665.6KHz,如果依照采样定理,最高带宽也就332.8KHz,而在低频的表现就很难满足高精度的测量。

  看完这些,似乎有点糊涂了,这台功率分析仪的带宽到底是5MHz,1MHz还是332.8KHz?

  不过可以发现,上面功率分析仪标称的带宽指标,与功率测量,尤其是谐波分析等测量功能,并无直接关系!对于用户实际使用的有意义的有效带宽并没有直接体现,宣传中有明显的夸大行为!