Gần như mọi máy hiện sóng bán ra hôm nay đều có nút FFT. Điều đó khiến nhiều nhóm thiết kế đặt câu hỏi rất hợp lý: đã có máy hiện sóng rồi thì còn cần máy phân tích phổ để làm gì? Câu trả lời không nằm ở chỗ máy nào “tốt hơn”, mà nằm ở chỗ hai kiến trúc đo hoàn toàn khác nhau. Phân tích FFT trên máy hiện sóng là phép biến đổi toán học áp lên bản ghi thời gian đã số hoá, còn máy phân tích phổ quét siêu ngoại sai là một máy thu RF thực thụ với bộ lọc, bộ trộn và bộ suy hao đứng trước bộ số hoá. Sự khác biệt đó quyết định bạn nhìn thấy được tín hiệu nhỏ tới đâu, và biên độ bạn đọc được có đáng tin hay không.
Bài viết đi vào cơ chế thật của hai công cụ, các con số quyết định giới hạn của chúng, và cây quyết định chọn đúng thiết bị.
Phân tích FFT trên máy hiện sóng hoạt động như thế nào
Máy hiện sóng số hoá tín hiệu theo thời gian, lưu vào bộ nhớ thu, rồi áp phép biến đổi Fourier rời rạc lên bản ghi đó. Ba tham số của bản ghi quyết định toàn bộ chất lượng phổ thu được:
- Tần số lấy mẫu quyết định dải tần quan sát được. Theo Nyquist, phổ chỉ hợp lệ tới một nửa tần số lấy mẫu; phần trên đó sẽ gập xuống thành thành phần giả. Máy hiện sóng Keysight MSOX3104G lấy mẫu 5 GSa/s, tương ứng giới hạn lý thuyết 2,5 GHz — nhưng dải tần hữu ích vẫn bị chặn bởi băng thông analog 1 GHz của kênh.
- Chiều dài bản ghi quyết định độ phân giải tần số. Khoảng cách giữa hai vạch phổ liền nhau bằng tần số lấy mẫu chia cho số điểm. Muốn tách hai sóng mang cách nhau 1 kHz, bạn cần một bản ghi đủ dài — đây chính là lý do bộ nhớ sâu 4 Mpts của MSOX3104G có giá trị trực tiếp cho phép đo phổ, chứ không chỉ cho việc bắt sự kiện dài.
- Cửa sổ quyết định sai số biên độ và khả năng nhìn thấy tín hiệu nhỏ nằm cạnh tín hiệu lớn.
Chọn cửa sổ sai là đọc sai biên độ
Bản ghi hữu hạn luôn cắt tín hiệu ở hai đầu, tạo ra hiện tượng rò phổ. Cửa sổ là hàm trọng số làm mềm hai đầu bản ghi để giảm rò, và mỗi loại cửa sổ đánh đổi giữa độ chính xác biên độ và độ phân giải tần số. Theo phân tích kinh điển của F. J. Harris (Proceedings of the IEEE, 1978), sai số biên độ xấu nhất khi đỉnh tín hiệu rơi vào giữa hai vạch phổ — gọi là tổn hao scallop — khác nhau rất rõ giữa các cửa sổ:
- Cửa sổ chữ nhật (không cửa sổ): tổn hao scallop tới 3,92 dB. Chỉ dùng cho tín hiệu thoáng qua nằm trọn trong bản ghi.
- Hann: tổn hao scallop 1,42 dB, băng thông nhiễu tương đương 1,5 vạch. Lựa chọn mặc định tốt cho phân tích tần số tổng quát.
- Flat-top: tổn hao scallop dưới 0,01 dB nhưng băng thông nhiễu tương đương khoảng 3,8 vạch. Đây là cửa sổ bắt buộc khi bạn cần đọc biên độ chính xác, đổi lại độ phân giải tần số kém đi gần bốn lần.
Nói cách khác: nếu bạn dùng cửa sổ Hann để đo mức sóng hài rồi báo cáo con số đó, sai số 1,4 dB đã nằm sẵn trong kết quả mà không có cảnh báo nào trên màn hình.
Ba giới hạn thật của FFT trên máy hiện sóng
Đây là phần quyết định. Máy hiện sóng bị chặn bởi chính kiến trúc số hoá băng rộng của nó.
Dải động FFT bị chặn bởi số bit của bộ số hoá
MSOX3104G dùng bộ số hoá 8 bit. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử lý thuyết của một bộ số hoá lý tưởng là 6,02·N + 1,76 dB, tức khoảng 49,9 dB cho 8 bit — và đó là con số lý tưởng, chưa tính nhiễu mạch vào. Toàn bộ dải tần được số hoá cùng lúc, nên một sóng mang lớn ở bất kỳ đâu trong băng thông cũng chiếm hết thang đo và nhấn chìm mọi thứ nhỏ hơn. Máy hiện sóng độ phân giải cao 10 bit như Keysight MXR108B nâng con số lý thuyết lên khoảng 62 dB, cải thiện rõ rệt nhưng vẫn cách xa máy phân tích phổ. Chúng tôi đã bàn kỹ ngưỡng chuyển từ 8 bit sang độ phân giải cao trong bài máy hiện sóng độ phân giải cao.
Nhiễu nền máy hiện sóng là nhiễu băng rộng
Máy hiện sóng không có bộ lọc chọn lọc trước bộ số hoá, nên toàn bộ nhiễu trong băng thông 1 GHz đổ vào phép đo. Phép FFT có cho bạn “lợi ích xử lý”: khi chia băng thông thành nhiều vạch, nhiễu trong mỗi vạch giảm xuống, nên nền nhiễu hiển thị hạ theo chiều dài bản ghi. Nhưng điểm xuất phát vẫn là nhiễu băng rộng của kênh, và không có cách nào bù lại khoảng cách với một máy thu có bộ lọc hẹp thật sự.
Không có bộ suy hao và bộ trộn được hiệu chuẩn
Độ chính xác biên độ của máy hiện sóng được đặc trưng cho phép đo điện áp theo thời gian, không phải cho mức công suất theo tần số — thứ mà máy phân tích phổ được hiệu chuẩn qua từng nấc suy hao và từng dải trộn tần.
Máy phân tích phổ mạnh hơn ở đâu
Kiến trúc siêu ngoại sai đặt bộ lọc băng thông phân giải (RBW) hẹp ngay trong đường tín hiệu, rồi quét bộ dao động nội qua dải tần. Chỉ phần phổ lọt qua bộ lọc hẹp mới được số hoá, nên nhiễu nền thấp hơn nhiều bậc. Hai con số của Keysight N9010B EXA cho thấy khoảng cách:
- Mức nhiễu trung bình hiển thị (DANL) −165 dBm tại 1 GHz. Không một phép FFT nào trên máy hiện sóng chạm được vùng này.
- Nhiễu pha −109 dBc/Hz tại độ lệch 10 kHz, tần số 1 GHz — thông số quyết định khi bạn cần nhìn tín hiệu nhỏ nằm sát một sóng mang lớn.
- Dải tần 10 Hz đến 44 GHz và băng thông phân tích tới 40 MHz.
Lên tới lớp Keysight N9042B UXA, DANL đạt −168 dBm tại 1 GHz, nhiễu pha −135 dBc/Hz tại độ lệch 10 kHz, băng thông phân tích tới 4 GHz và dải tần mở rộng tới 110 GHz. Chênh lệch nhiễu pha 26 dB giữa EXA và UXA chính là thứ bạn trả tiền khi đo dao động nội, radar hoặc điều chế bậc cao.
Cây quyết định: khi nào FFT máy hiện sóng là đủ
Hãy dùng máy hiện sóng khi câu hỏi của bạn gắn với thời gian, và dùng máy phân tích phổ khi câu hỏi gắn với mức.
- Dùng FFT trên máy hiện sóng khi: cần tương quan sự kiện thời gian với thành phần tần số; truy tìm nguồn gợn và nhiễu chuyển mạch trên đường nguồn; xác định tần số dao động ký sinh; kiểm tra nhanh sóng hài của tín hiệu số; hoặc khi tín hiệu là xung thoáng qua không lặp lại. Tương quan miền thời gian và miền tần số trên cùng màn hình là thứ máy phân tích phổ quét không làm được.
- Chuyển sang máy phân tích phổ khi: cần dải động vượt quá khoảng 50–60 dB; đo mức phát xạ giả và sóng hài theo tiêu chuẩn; đo nhiễu pha; đo tín hiệu dưới −80 dBm; hoặc khi con số biên độ sẽ đi vào báo cáo tuân thủ. Với đo nhiễu theo tiêu chuẩn phát xạ, một máy thu đo chuyên dụng là bắt buộc — xem thêm bài máy thu đo EMI.
Quy tắc thực hành: nếu bạn phải giải thích con số của mình cho một bên thứ ba, hãy đo bằng máy phân tích phổ.
Chọn thiết bị Keysight cho từng nhu cầu
Với phòng thí nghiệm thiết kế nhúng và điện tử công suất, MSOX3104G là điểm cân bằng tốt: 4 kênh analog cộng 16 kênh số, tốc độ cập nhật một triệu dạng sóng mỗi giây, cùng máy phát dạng sóng 20 MHz, vôn kế 3 chữ số và bộ đếm 8 chữ số tích hợp sẵn — đủ để khoanh vùng vấn đề mà không cần rời bàn đo.
Khi phép đo bước sang mức tín hiệu nhỏ và độ chính xác biên độ, N9010B EXA là điểm vào hợp lý cho hầu hết phòng lab RF, còn N9042B UXA dành cho nhóm làm radar, vệ tinh, mmWave và nghiên cứu 6G, nơi nhiễu pha và băng thông phân tích rộng là yếu tố quyết định.
Kết luận
FFT trên máy hiện sóng là công cụ khoanh vùng cực nhanh và là thứ duy nhất cho bạn tương quan trực tiếp giữa sự kiện thời gian và phổ tần. Nhưng nó bị chặn cứng bởi số bit của bộ số hoá và nhiễu băng rộng của kênh — khoảng 50 dB dải động với bộ số hoá 8 bit, so với DANL −165 đến −168 dBm của máy phân tích tín hiệu. Biết ranh giới đó giúp bạn không báo cáo nhầm con số sai 1,4 dB vì chọn nhầm cửa sổ.
Dù bạn dùng máy hiện sóng hay máy phân tích tín hiệu, con số chỉ có giá trị khi thiết bị còn nằm trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025, hiệu chuẩn được cả máy hiện sóng lẫn máy phân tích tín hiệu. Gọi 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn phù hợp.
