动态信号采集基础

什么是平坦度？

理想状态下，幅值测量的精度并不取决于输入信号的频率。 但是，由于实际测量设备的非理想特性，信号的测量幅值可能随其频率稍有变化。 模拟输入(AI)平坦度用于衡量设备的测量响应在其带宽上的变化。 无论正弦波的频率如何，只要它位于通带内，完美的仪器都会将1 Vpk的正弦波精确测量为1 Vpk。 但是，没有一种仪器是完美的，您总是会看到一些幅值随频率的变化。 

National Instruments DSA产品提供的AI平坦度规范告诉您相对于设备在1 kHz的测量可观察到的变化。 AI平坦度是相对精度规范。除增益精度规范外，还可看到增益误差（该规范也是相对于1 kHz的，并在产品规范文档中提供）。 如需了解整个测量带宽的绝对增益误差，需将AI平坦度添加至AI增益幅值精度规范。

为了测量AI平坦度，您需要一个函数发生器，能够在感兴趣的带宽(20 Hz～20 kHz/45kHz/92.2kHz)上保持非常精确的正弦波幅值。 如将该函数发生器扫过带宽，可预期测量相同的幅值+/-指定的AI平坦度，单位为dB，参考1 kHz的信号幅值。

什么是动态范围？

设备的动态范围是电路可测量的最大和最小信号的比率，通常以dB为单位。 

动态范围 dB = 20 × log10( Vmax / Vmin )

在大多数情况下，设备的全量程输入是可测量的最大信号，空闲通道输入噪声决定了可测量的最小信号。 National Instruments DSA设备指定动态范围、空闲通道噪声和频谱噪声密度，它们都可用于计算动态范围。 测量设备动态范围的最简单的方法是进行空闲通道噪声测量，并将测量结果转换为dB全量程，如知识库4X31Q728所述：如何测量数据采集设备的动态范围？

选择DSA设备时，动态范围非常重要。 DSA应用通常需要使用具有较大动态范围的麦克风和加速计传感器。 选择合适的测量设备可充分利用这些传感器及其量程。

注： 比较设备间的动态范围规范时，必须确保测量带宽、采样率、输入范围和输入单频一致。如有任何变化，动态范围比较将产生误导。

处理DSA硬件时，很可能会遇到一些与失真相关的规范。 为了理解这些测量，首先来看典型的快速傅立叶变换(FFT)图。

^{图1： NI 446x设备}的典型FFT曲线

该FFT是使用NI 446X设备以51.2 kS/s的采样率，-1 dBFS（dB全量程）幅值正弦波在1kHz处采集的。 讨论失真测量时，该FFT有几个特点需要考虑：

1. “基频”是FFT的最大峰值。  在下图中，输入单频为1 kHz，在下图中为绿色。
2. 基频后，可看到多个峰值，频率为“基频”的整数倍。  这些峰值称为谐波峰，因为它们是基波的倍数，在下图中为红色。  2 kHz处的峰值是二次谐波，因为它是基波(1 kHz)乘以2的结果。  在该FFT中，可以看到高于噪声水平的第2^次、第3^次、第4^次、第5^次、第6^次、第7^次、第9^次和第11^次谐波。
3. 查看基波（最高峰值）和谐波（基波整数倍的频率）后，其余的频谱称为“噪声”。  噪声在下图中显示为橙色。

^{图2：颜色编码FFT曲线}

使用图2中的FFT可方便地演示失真测量。THD、THD+N和SINAD是这三个信号（基波、谐波和噪声）中功率的不同比率。

• THD或总谐波失真
  这是由谐波信号引起的总信号失真。可定义为谐波功率除以基波功率的比率。  请注意，该测量将忽略噪声。

THD = ∑功率（谐波）/功率（基波）

• THD + N (%) = 
  该规范与THD相同，但包含噪声。  THD+N可视为由谐波信号和噪声引起的总信号失真。

THD + N = ∑功率（谐波） + ∑功率（噪声）/功率（基波）

• SINAD或信噪比和失真比
  最后一个常见的失真测量是SINAD。  在这种情况下，“信号”指基波、谐波和噪声之和，“失真”指谐波和噪声与基波之和。

SINAD = (功率(基波) + ∑功率(谐波) + ∑功率(噪声) )/ ( ∑功率(谐波) + ∑功率(噪声))

以给定频率fs采样信号时，只有小于等于采样率一半的频率分量才能在FFT中正确表示(<= fs/2)。 频率大于fs/2的信号将被“混叠”回0至fs/2之间的频带。 如果发生信号混叠，则无法区分带内（0至fs/2）信号和带外（大于fs/2）信号。

为了防止信号混叠并精确表示0至fs/2频带内的频率内容，NI DSA设备实现了允许采样率相关滤波的过采样架构（采样率发生变化时，滤波器的截止频率也会发生变化）。 因此，DSA设备的带宽和抗混叠规范可防止信号混叠。
关于抗混叠滤波器的更多信息，见动态信号采集用户手册第二章的模拟输入滤波器章节。

关于信号混叠的完整说明，请参阅采集模拟信号：带宽、奈奎斯特采样定理和混叠。

一般来说，同步在DSA应用中非常重要，因为它允许在2到10,000个通道的系统中进行精确的相位比较。相位比较在许多声音和振动应用中至关重要，包括噪声映射。 随着通道数的增加，需要更多的DSA设备，因此同步这些设备成为必要。

同步DSA设备的步骤因设备和平台而异。同步的详细信息见教程：动态信号采集(DSA)同步基础和动态信号采集用户手册的第2章。