FFT 或快速傅里葉變換頻譜分析儀現(xiàn)在越來(lái)越多地用于提高性能，降低射頻設(shè)計(jì)、電子制造測(cè)試、服務(wù)和維修的成本。

隨著無(wú)線技術(shù)在電子設(shè)備的電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越多，頻譜分析儀性能的提高變得越來(lái)越重要。

顧名思義，F(xiàn)FT頻譜分析儀是一種射頻測(cè)試設(shè)備，它使用傅里葉分析和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提供頻譜分析。

使用傅里葉分析，時(shí)域中的任何波形都可以用正弦和余弦信號(hào)的加權(quán)和來(lái)表示。利用這一概念，F(xiàn)FT頻譜分析儀對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。然后，它計(jì)算整個(gè)信號(hào)的正弦和余弦分量的大小，最后顯示信號(hào)的頻譜。

FFT頻譜分析儀能夠提供掃頻分析儀無(wú)法提供的設(shè)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(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

可以顯示、存儲(chǔ)和處理信號(hào)，以更深入地了解信號(hào)及其特性，使從事電子設(shè)備射頻設(shè)計(jì)的工程師能夠更深入地了解信號(hào)。

由于許多測(cè)試儀器使用數(shù)字方法進(jìn)行信號(hào)處理和控制，因此頻譜分析儀也使用該技術(shù)，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(chǔ)知識(shí)

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(kāi)發(fā)的傅里葉分析技術(shù)。例如，使用他的變換，可以將連續(xù)時(shí)域中的一個(gè)值轉(zhuǎn)換為連續(xù)頻域，其中包括幅度和相位信息。

為了以數(shù)字方式捕獲波形，必須在測(cè)試設(shè)備中定期捕獲一系列連續(xù)的離散值。由于時(shí)域波形是按時(shí)間間隔獲取的，因此無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域。相反，必須使用傅里葉變換的變體，稱(chēng)為離散傅里葉變換，DFT。

由于DFT對(duì)時(shí)域波形使用離散樣本，這會(huì)反射到頻域中，并導(dǎo)致頻域被拆分為離散的頻率分量或“箱”。

頻帶上的頻箱數(shù)即為頻率分辨率。為了實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，需要更多的箱，因此在時(shí)域中需要大量的樣本。

可以想象，這導(dǎo)致了更高的計(jì)算水平，因此需要減少所需計(jì)算量的方法，以確保及時(shí)顯示結(jié)果，盡管隨著當(dāng)今處理能力水平的大幅提高，這并不是一個(gè)問(wèn)題。

為了簡(jiǎn)化所需的處理，使用了快速傅里葉變換 FFT。這要求時(shí)域波形的樣本數(shù)等于一個(gè)數(shù)字，該數(shù)字是 2 的整數(shù)冪。

在測(cè)試儀器中，輸入信號(hào)以高采樣率進(jìn)行數(shù)字化處理。奈奎斯特定理指出，只要采樣率大于信號(hào)最高頻率分量的兩倍，采樣數(shù)據(jù)就會(huì)準(zhǔn)確地表示輸入信號(hào)。

FFT頻譜分析儀基礎(chǔ)知識(shí)

FFT分析儀測(cè)試設(shè)備的框圖和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與更常見(jiàn)的超外差或掃描頻譜分析儀不同。特別是需要電路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后將信號(hào)處理為快速傅里葉變換。

盡管如此，仍然需要模擬預(yù)處理，以確保到達(dá)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號(hào)在正確的范圍內(nèi)，并且已經(jīng)進(jìn)行了可能需要的任何其他模擬處理。

FFT頻譜分析儀可以認(rèn)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(cè)試儀器要求在FFT分析儀的輸入端設(shè)置階段，以確保信號(hào)處于模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的電平。這些級(jí)可以提供增益或衰減。如果信號(hào)電平過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)削波和失真，過(guò)低則使ADC的分辨率和噪聲成為問(wèn)題。

ADC范圍使信號(hào)電平與模數(shù)轉(zhuǎn)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(cè)試儀器控制處理器控制。

模擬低通抗混疊濾波器：信號(hào)通過(guò)抗混疊濾波器。這是必需的，因?yàn)镕FT分析儀中的采樣系統(tǒng)獲取點(diǎn)的速率尤為重要。

必須以足夠高的速率對(duì)波形進(jìn)行采樣。根據(jù)奈奎斯特定理，信號(hào)必須以等于最高頻率兩倍的速率進(jìn)行采樣，并且頻率高于奈奎斯特速率的任何分量都將在測(cè)量中顯示為較低頻率分量 - 該因素稱(chēng)為“混疊”。這是由于在取樣時(shí)較高速率的實(shí)際值下降。為避免混疊，在采樣器前面放置了一個(gè)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(guò)來(lái)又決定了整個(gè)FFT頻譜分析儀的最大工作頻率。

采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換：為了執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要兩個(gè)元件。第一個(gè)是采樣器。這以離散的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣：這稱(chēng)為采樣率。

這個(gè)比率的重要性在上面已經(jīng)討論過(guò)。然后將樣品傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，ADC為FFT分析所需的樣品生成數(shù)字格式。

FFT分析儀：來(lái)自采樣器的數(shù)據(jù)在時(shí)域中，但由FFT分析儀轉(zhuǎn)換為頻域。然后，這能夠使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，以分析和處理數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(xiàn)信息，并揭示信號(hào)的各個(gè)方面。因此，F(xiàn)FT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(dāng)?shù)爻尸F(xiàn)給用戶(hù)。

除了實(shí)際顯示信號(hào)外，顯示器通常還有許多控件，以提供相當(dāng)程度的靈活性和額外的軟功能。

在操作中，測(cè)試儀器將在設(shè)定的時(shí)間采集樣品，然后在將其傳遞到顯示器之前對(duì)其進(jìn)行處理。

樣本之間會(huì)有一定的時(shí)間，這可以比作傳統(tǒng)掃描超外差頻譜分析儀的掃描間隔時(shí)間。

應(yīng)該注意的是，連續(xù)樣品之間的時(shí)間間隔可能比掃描分析儀再次通過(guò)相同頻率所經(jīng)歷的時(shí)間間隔要短得多。

基本FFT頻譜分析儀的采樣和顯示

鑒于實(shí)現(xiàn)所需信號(hào)處理所需的處理量，大多數(shù)FFT頻譜分析儀將使用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列），因?yàn)樗鼈兡軌蚺渲脼樘峁┓浅？焖俚男盘?hào)處理。

FFT分析儀技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

與任何形式的技術(shù)一樣，F(xiàn)FT分析儀也有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

FFT頻譜分析儀技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

快速捕獲波形：鑒于波形是以數(shù)字方式分析的，因此可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)捕獲波形，然后進(jìn)行分析。這種較短的捕獲時(shí)間具有許多優(yōu)點(diǎn) - 它可以捕獲瞬態(tài)或短壽命波形。

這種類(lèi)型的測(cè)試儀器可以快速捕獲波形，可用于許多領(lǐng)域：表征新的射頻設(shè)計(jì)，無(wú)論是集成電路，還是使用許多組件的電子電路設(shè)計(jì)。更高的速度可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的測(cè)量，并由計(jì)算機(jī)控制。它也可用于電子制造，其中測(cè)量速度對(duì)于確保高生產(chǎn)率很重要。

能夠捕獲非重復(fù)事件：較短的捕獲時(shí)間意味著FFT分析儀可以捕獲非重復(fù)波形，使其具有其他頻譜分析儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。

能夠分析信號(hào)相位：作為信號(hào)捕獲過(guò)程的一部分，獲得數(shù)據(jù)，可以對(duì)其進(jìn)行處理以揭示信號(hào)的相位。由于數(shù)字通信使用了各種形式的基于相位的調(diào)制方案，因此在該測(cè)試儀器中捕獲相位信息的能力特別有用。

可以存儲(chǔ)波形使用FFT技術(shù)，可以捕獲波形，并在以后需要時(shí)進(jìn)行分析。為了存儲(chǔ)波形，可能需要大量的存儲(chǔ)器，特別是如果要存儲(chǔ)重復(fù)的波形。然而，由于內(nèi)存相對(duì)便宜，這不是一個(gè)主要問(wèn)題 - 真正的問(wèn)題是確保系統(tǒng)有足夠的可用內(nèi)存，無(wú)論是在測(cè)試設(shè)備本身中，還是在任何相關(guān)的計(jì)算機(jī)中。

FFT頻譜分析儀技術(shù)的缺點(diǎn)

頻率限制：FFT頻譜分析儀頻率和帶寬的主要限制是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的ADC。

正是由于ADC最高頻率，該元件對(duì)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(shù)通常與FFT方法相結(jié)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(jīng)是一個(gè)問(wèn)題，但現(xiàn)在不是問(wèn)題。最初，F(xiàn)FT分析儀比模擬分析儀擴(kuò)展得多。然而，隨著處理技術(shù)現(xiàn)在更便宜，F(xiàn)FT分析儀現(xiàn)在已經(jīng)司空見(jiàn)慣，幾乎所有新的頻譜分析儀都使用FFT技術(shù)的數(shù)字方法。

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

從本質(zhì)上講，超外差技術(shù)可用于將頻率轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的中頻。然后，射頻測(cè)試儀器以正常方式使用 FFT 信號(hào)處理技術(shù)。

然而，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在速度上的顯著提高，對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)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(shù)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(cè)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(lǐng)域，包括通用電子電路設(shè)計(jì)、射頻設(shè)計(jì)、電子制造、服務(wù)和維修等。這些測(cè)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(xiàn)在用于大多數(shù)應(yīng)用。

審核編輯：黃飛