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什么是功率分析儀的欠采樣,香農定理和抗混疊濾波?

點擊次數:1592 更新時間:2020-02-27

什么是功率分析儀的欠采樣,香農定理和抗混疊濾波?

關于功率分析儀帶寬和采樣頻率,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的采樣率呢?

 

很多人認為采樣定理(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

 

對于我們測量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并不重要。

 

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的采樣頻率。你采樣了正弦波的一個周期,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的采樣頻率,我們采幾個周期數據。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*相同的采樣值。

 

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

 

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

 

回到問題:短的循環刷新時間是10ms。所以500kHz(2μs周期時間)的信號采樣至少需要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,如果你想執行傅里葉變換的話。在原理上你的信號帶寬必須小于采樣頻率的一半。所以在100KHz采樣頻率下,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。這可能會由于耦合而導致混疊。

■ 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的范圍內,濾波器下降到-50dB。

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