FFT 或快速傅里葉變換頻譜分析儀現在越來越多地用于提高性能，降低射頻設計、電子制造測試、服務和維修的成本。

隨著無線技術在電子設備的電子電路設計中的應用越來越多，頻譜分析儀性能的提高變得越來越重要。

顧名思義，FFT頻譜分析儀是一種射頻測試設備，它使用傅里葉分析和數字信號處理技術來提供頻譜分析。

使用傅里葉分析，時域中的任何波形都可以用正弦和余弦信號的加權和來表示。利用這一概念，FFT頻譜分析儀對輸入信號進行采樣。然后，它計算整個信號的正弦和余弦分量的大小，最后顯示信號的頻譜。

FFT頻譜分析儀能夠提供掃頻分析儀無法提供的設施。它們可以快速捕獲和分析波形，而僅使用掃描/超外差技術無法實現。

可以顯示、存儲和處理信號，以更深入地了解信號及其特性，使從事電子設備射頻設計的工程師能夠更深入地了解信號。

由于許多測試儀器使用數字方法進行信號處理和控制，因此頻譜分析儀也使用該技術，在性能和便利性方面獲得了顯著的好處也就不足為奇了。

快速傅里葉變換 - FFT 分析儀基礎知識

FFT頻譜分析儀的概念是圍繞快速傅里葉變換建立的，該變換基于約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier，1768-1830）開發的傅里葉分析技術。例如，使用他的變換，可以將連續時域中的一個值轉換為連續頻域，其中包括幅度和相位信息。

為了以數字方式捕獲波形，必須在測試設備中定期捕獲一系列連續的離散值。由于時域波形是按時間間隔獲取的，因此無法使用標準傅里葉變換將數據轉換為頻域。相反，必須使用傅里葉變換的變體，稱為離散傅里葉變換，DFT。

由于DFT對時域波形使用離散樣本，這會反射到頻域中，并導致頻域被拆分為離散的頻率分量或“箱”。

頻帶上的頻箱數即為頻率分辨率。為了實現更高的分辨率，需要更多的箱，因此在時域中需要大量的樣本。

可以想象，這導致了更高的計算水平，因此需要減少所需計算量的方法，以確保及時顯示結果，盡管隨著當今處理能力水平的大幅提高，這并不是一個問題。

為了簡化所需的處理，使用了快速傅里葉變換 FFT。這要求時域波形的樣本數等于一個數字，該數字是 2 的整數冪。

在測試儀器中，輸入信號以高采樣率進行數字化處理。奈奎斯特定理指出，只要采樣率大于信號最高頻率分量的兩倍，采樣數據就會準確地表示輸入信號。

FFT頻譜分析儀基礎知識

FFT分析儀測試設備的框圖和拓撲結構與更常見的超外差或掃描頻譜分析儀不同。特別是需要電路來實現數模轉換，然后將信號處理為快速傅里葉變換。

盡管如此，仍然需要模擬預處理，以確保到達模擬到數字轉換的信號在正確的范圍內，并且已經進行了可能需要的任何其他模擬處理。

FFT頻譜分析儀可以認為由許多不同的電路模塊組成：

FFT頻譜分析儀框圖

模擬前端衰減器/增益：測試儀器要求在FFT分析儀的輸入端設置階段，以確保信號處于模數轉換所需的電平。這些級可以提供增益或衰減。如果信號電平過高，則會出現削波和失真，過低則使ADC的分辨率和噪聲成為問題。

ADC范圍使信號電平與模數轉換器相匹配，可確保最佳性能并最大限度地提高ADC的分辨率。通常，增益的控制將由測試儀器控制處理器控制。

模擬低通抗混疊濾波器：信號通過抗混疊濾波器。這是必需的，因為FFT分析儀中的采樣系統獲取點的速率尤為重要。

必須以足夠高的速率對波形進行采樣。根據奈奎斯特定理，信號必須以等于最高頻率兩倍的速率進行采樣，并且頻率高于奈奎斯特速率的任何分量都將在測量中顯示為較低頻率分量 - 該因素稱為“混疊”。這是由于在取樣時較高速率的實際值下降。為避免混疊，在采樣器前面放置了一個低通濾波器，以去除任何不需要的高頻元件。

該濾波器的截止頻率必須小于采樣率的一半，盡管通常為了提供一些裕量，低通濾波器截止頻率最高比分析儀的采樣率低 2.5 倍。這反過來又決定了整個FFT頻譜分析儀的最大工作頻率。

采樣和模數轉換：為了執行模數轉換，需要兩個元件。第一個是采樣器。這以離散的時間間隔進行采樣：這稱為采樣率。

這個比率的重要性在上面已經討論過。然后將樣品傳遞到模數轉換器ADC，ADC為FFT分析所需的樣品生成數字格式。

FFT分析儀：來自采樣器的數據在時域中，但由FFT分析儀轉換為頻域。然后，這能夠使用數字信號處理技術進一步處理數據，以分析和處理數據，以便可以將其傳遞到顯示器以提供所需的顯示。

顯示：借助處理能力，可以以多種方式呈現信息以供顯示。顯示器非常靈活，能夠以易于理解的格式呈現信息，并揭示信號的各個方面。因此，FFT頻譜分析儀的顯示元件非常重要，這樣捕獲和處理的信息就可以適當地呈現給用戶。

除了實際顯示信號外，顯示器通常還有許多控件，以提供相當程度的靈活性和額外的軟功能。

在操作中，測試儀器將在設定的時間采集樣品，然后在將其傳遞到顯示器之前對其進行處理。

樣本之間會有一定的時間，這可以比作傳統掃描超外差頻譜分析儀的掃描間隔時間。

應該注意的是，連續樣品之間的時間間隔可能比掃描分析儀再次通過相同頻率所經歷的時間間隔要短得多。

基本FFT頻譜分析儀的采樣和顯示

鑒于實現所需信號處理所需的處理量，大多數FFT頻譜分析儀將使用FPGA（現場可編程門陣列），因為它們能夠配置為提供非常快速的信號處理。

FFT分析儀技術的優缺點

與任何形式的技術一樣，FFT分析儀也有其優點和缺點：

FFT頻譜分析儀技術的優勢

快速捕獲波形：鑒于波形是以數字方式分析的，因此可以在相對較短的時間內捕獲波形，然后進行分析。這種較短的捕獲時間具有許多優點 - 它可以捕獲瞬態或短壽命波形。

這種類型的測試儀器可以快速捕獲波形，可用于許多領域：表征新的射頻設計，無論是集成電路，還是使用許多組件的電子電路設計。更高的速度可以在短時間內進行更多的測量，并由計算機控制。它也可用于電子制造，其中測量速度對于確保高生產率很重要。

能夠捕獲非重復事件：較短的捕獲時間意味著FFT分析儀可以捕獲非重復波形，使其具有其他頻譜分析儀無法實現的功能。

能夠分析信號相位：作為信號捕獲過程的一部分，獲得數據，可以對其進行處理以揭示信號的相位。由于數字通信使用了各種形式的基于相位的調制方案，因此在該測試儀器中捕獲相位信息的能力特別有用。

可以存儲波形使用FFT技術，可以捕獲波形，并在以后需要時進行分析。為了存儲波形，可能需要大量的存儲器，特別是如果要存儲重復的波形。然而，由于內存相對便宜，這不是一個主要問題 - 真正的問題是確保系統有足夠的可用內存，無論是在測試設備本身中，還是在任何相關的計算機中。

FFT頻譜分析儀技術的缺點

頻率限制：FFT頻譜分析儀頻率和帶寬的主要限制是模數轉換器，即用于將模擬信號轉換為數字格式的ADC。

正是由于ADC最高頻率，該元件對帶寬施加了主要限制。此外，具有更多位的ADC往往具有較低的頻率限值。因此，超外差技術通常與FFT方法相結合，以獲得具有更高頻率和帶寬限制的更通用的儀器。

成本：成本曾經是一個問題，但現在不是問題。最初，FFT分析儀比模擬分析儀擴展得多。然而，隨著處理技術現在更便宜，FFT分析儀現在已經司空見慣，幾乎所有新的頻譜分析儀都使用FFT技術的數字方法。

在許多情況下，超外差和FFT技術用于單頻譜分析儀。這樣就可以采用這兩種技術的優點，以提供真正多功能和高性能的測試儀器。

從本質上講，超外差技術可用于將頻率轉換為可以進行模數轉換的中頻。然后，射頻測試儀器以正常方式使用 FFT 信號處理技術。

然而，隨著模數轉換技術在速度上的顯著提高，對信號轉換的需求被限制在非常高的頻率上。

鑒于處理電路的成本較低，如今大多數新型射頻頻譜分析儀都采用FFT方法以及大量的控制處理，以使測試儀器具有高度的射頻性能以及許多功能。

這些頻譜分析儀用于許多領域，包括通用電子電路設計、射頻設計、電子制造、服務和維修等。這些測試儀器的性能水平比舊的掃頻或超外差頻譜分析儀高得多，因此 FFT 頻譜分析儀現在用于大多數應用。

審核編輯：黃飛