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我們今天接著《為什么射頻（RF）如此重要？》繼續(xù)談一下射頻設(shè)計的另一個重要方面——頻域。作為一個射頻工程師來說，最重要的是要學(xué)會在頻域中思考。我們在《一文學(xué)會傅里葉變換》文章中，詳細(xì)介紹過時域與頻域的關(guān)系。通過傅里葉變換，一個時變信號可以表示成幾個頻率的分量合成。
為什么要用頻域呢？
一方面是在我們最早接觸學(xué)習(xí)電路和信號時，我們要處理的都是相對于時間靜止的電壓和電流，比如我們可以用萬用表直接測量，而對于時變的信號，我們需要用示波器來觀察信號在不同時間的波形。而在射頻頻段，這個時變信號的變化極其的快，用示波器來觀察信號的話，顯然比較困難，這個時候，他的頻率分量就是一個一個的靜態(tài)值，用頻率分析儀去觀察它的頻譜。
傅里葉變換
就像我們在《一文學(xué)會傅里葉變換》所述，任何一個周期性的連續(xù)信號都可以表示成一組適當(dāng)?shù)恼仪€sin(x)的組合。而這個組合就是傅里葉級數(shù)。這個適當(dāng)?shù)恼仪€我們就可以表示成它的頻域狀態(tài)。
而這個時域的周期信號和對應(yīng)頻域信號在表述一個射頻信號上是完全對等的。這組經(jīng)過傅里葉變換的頻率分量可以精確的描述這個射頻信號。
在射頻設(shè)計中，傅里葉變換可可以處理極其復(fù)雜的信號變化，并將其轉(zhuǎn)換為比原始時域波形信息量更大的頻域分量。
計算傅里葉變換或離散傅里葉變換 (DFT) 所涉及的細(xì)節(jié)并不簡單；然而，這不是我們現(xiàn)在需要擔(dān)心的事情。即使您對基礎(chǔ)數(shù)學(xué)程序知之甚少，也可以理解和使用頻域技術(shù)。
傅里葉變換產(chǎn)生揭示信號頻率內(nèi)容的表達(dá)式，而 DFT 產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)值數(shù)據(jù)。然而，在實際工程的上下文中，圖形表示通常要方便得多。最終，這些頻域圖變得像示波器軌跡一樣正常和直觀。
頻譜
而經(jīng)過變換為頻域信號的頻譜圖就是我們通常所說的頻譜。一個1MHz的正弦波信號的理想頻譜圖如下：
垂直箭頭表示在 1 MHz 處存在一定量的“能量”。箭頭的線條部分非常細(xì)，因為這個理想化的信號絕對沒有其他頻率分量——所有能量都集中在 1 MHz。這個能量就是正弦信號的幅度。
如果我們使用求和電路將這個完美的 1 MHz 正弦曲線與完美的 2 MHz 正弦曲線相結(jié)合，頻譜將如下所示：
這個頻域圖提供了關(guān)于我們新信號頻率特性的非常清晰的數(shù)據(jù)。如果我們主要對電路的非瞬時頻率相關(guān)行為感興趣，頻譜將為能夠提供所需的信息。相比之下，時域波形并不簡單，而且顯得比較難以處理。下圖顯示的是一個頻率為f和頻率為2f的正弦波信號疊加，想要分清哪個是哪個，想必并不容易。
但是，現(xiàn)實中的頻譜很難是一條很細(xì)很細(xì)的箭頭，通常是如下圖所示的具有一定帶寬的信號。
為什么會出現(xiàn)差異？首先，測量系統(tǒng)的分辨率是有限的，這種限制本質(zhì)上會損害原始信號中可能存在的任何“理想”質(zhì)量。但即使我們有一個無限精確的測量設(shè)備，由于噪聲，頻譜也會與數(shù)學(xué)版本不同。
能夠產(chǎn)生上一節(jié)中顯示的“純”頻譜分量的唯一類型的信號是完美的正弦波——即沒有噪聲，也沒有周期或幅度的變化。與完美正弦曲線特性的任何偏差都會引入額外的頻率分量。
一個直觀的例子是相位噪聲：期望真實世界的振蕩器總是產(chǎn)生完全相同的頻率是不切實際的；一個周期的實際持續(xù)時間不可避免地會有（希望很?。┳兓?，這被稱為相位噪聲。如果您收集覆蓋一千個周期的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行頻譜分析，您就可以有效地平均這一千個周期的頻率內(nèi)容。結(jié)果將是上面顯示的光譜形狀；波形的寬度對應(yīng)于與標(biāo)稱頻率的平均偏差。
頻譜測量
域圖提供了一種非常方便的討論和分析射頻系統(tǒng)的方法。調(diào)制方案、干擾、諧波失真——即使是草稿紙上繪制的基本頻譜也能真正幫助澄清情況。
但是，在成功設(shè)計 RF 系統(tǒng)時，我們通常需要更復(fù)雜的東西。更具體地說，我們需要一些能夠為我們提供實際信號頻譜特性的東西。這對于表征現(xiàn)有系統(tǒng)的功能很重要，但通常更緊迫的需求是診斷和解決——即，為什么這個設(shè)備不工作，我們?nèi)绾涡迯?fù)它。
數(shù)字示波器提供“FFT”（快速傅立葉變換）功能，這是獲得頻譜測量結(jié)果的一種方式。然而，現(xiàn)實世界頻率分析的首選工具稱為頻譜分析儀。這是一種專門設(shè)計用于接受高頻輸入信號并顯示該信號的頻域表示的測試設(shè)備。獲得一些頻譜分析儀的實踐經(jīng)驗是熟悉 RF 工程實際方面的重要初始步驟。
