快速傅里叶变换-FFT分析仪基础知识

FFT 或快速傅里叶变换频谱分析仪现在越来越多地用于提高性能，降低射频设计、电子制造测试、服务和维修的成本。

随着无线技术在电子设备的电子电路设计中的应用越来越多，频谱分析仪性能的提高变得越来越重要。

顾名思义，FFT频谱分析仪是一种射频测试设备，它使用傅里叶分析和数字信号处理技术来提供频谱分析。

使用傅里叶分析，时域中的任何波形都可以用正弦和余弦信号的加权和来表示。利用这一概念，FFT频谱分析仪对输入信号进行采样。然后，它计算整个信号的正弦和余弦分量的大小，最后显示信号的频谱。

FFT频谱分析仪能够提供扫频分析仪无法提供的设施。它们可以快速捕获和分析波形，而仅使用扫描/超外差技术无法实现。

可以显示、存储和处理信号，以更深入地了解信号及其特性，使从事电子设备射频设计的工程师能够更深入地了解信号。

由于许多测试仪器使用数字方法进行信号处理和控制，因此频谱分析仪也使用该技术，在性能和便利性方面获得了显著的好处也就不足为奇了。

快速傅里叶变换 - FFT 分析仪基础知识

FFT频谱分析仪的概念是围绕快速傅里叶变换建立的，该变换基于约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier，1768-1830）开发的傅里叶分析技术。例如，使用他的变换，可以将连续时域中的一个值转换为连续频域，其中包括幅度和相位信息。

为了以数字方式捕获波形，必须在测试设备中定期捕获一系列连续的离散值。由于时域波形是按时间间隔获取的，因此无法使用标准傅里叶变换将数据转换为频域。相反，必须使用傅里叶变换的变体，称为离散傅里叶变换，DFT。

由于DFT对时域波形使用离散样本，这会反射到频域中，并导致频域被拆分为离散的频率分量或“箱”。

频带上的频箱数即为频率分辨率。为了实现更高的分辨率，需要更多的箱，因此在时域中需要大量的样本。

可以想象，这导致了更高的计算水平，因此需要减少所需计算量的方法，以确保及时显示结果，尽管随着当今处理能力水平的大幅提高，这并不是一个问题。

为了简化所需的处理，使用了快速傅里叶变换 FFT。这要求时域波形的样本数等于一个数字，该数字是 2 的整数幂。

在测试仪器中，输入信号以高采样率进行数字化处理。奈奎斯特定理指出，只要采样率大于信号最高频率分量的两倍，采样数据就会准确地表示输入信号。

FFT频谱分析仪基础知识

FFT分析仪测试设备的框图和拓扑结构与更常见的超外差或扫描频谱分析仪不同。特别是需要电路来实现数模转换，然后将信号处理为快速傅里叶变换。

尽管如此，仍然需要模拟预处理，以确保到达模拟到数字转换的信号在正确的范围内，并且已经进行了可能需要的任何其他模拟处理。

FFT频谱分析仪可以认为由许多不同的电路模块组成：

FFT频谱分析仪框图

模拟前端衰减器/增益：测试仪器要求在FFT分析仪的输入端设置阶段，以确保信号处于模数转换所需的电平。这些级可以提供增益或衰减。如果信号电平过高，则会出现削波和失真，过低则使ADC的分辨率和噪声成为问题。

ADC范围使信号电平与模数转换器相匹配，可确保最佳性能并最大限度地提高ADC的分辨率。通常，增益的控制将由测试仪器控制处理器控制。

模拟低通抗混叠滤波器：信号通过抗混叠滤波器。这是必需的，因为FFT分析仪中的采样系统获取点的速率尤为重要。

必须以足够高的速率对波形进行采样。根据奈奎斯特定理，信号必须以等于最高频率两倍的速率进行采样，并且频率高于奈奎斯特速率的任何分量都将在测量中显示为较低频率分量 - 该因素称为“混叠”。这是由于在取样时较高速率的实际值下降。为避免混叠，在采样器前面放置了一个低通滤波器，以去除任何不需要的高频元件。

该滤波器的截止频率必须小于采样率的一半，尽管通常为了提供一些裕量，低通滤波器截止频率最高比分析仪的采样率低 2.5 倍。这反过来又决定了整个FFT频谱分析仪的最大工作频率。

采样和模数转换：为了执行模数转换，需要两个元件。第一个是采样器。这以离散的时间间隔进行采样：这称为采样率。

这个比率的重要性在上面已经讨论过。然后将样品传递到模数转换器ADC，ADC为FFT分析所需的样品生成数字格式。

FFT分析仪：来自采样器的数据在时域中，但由FFT分析仪转换为频域。然后，这能够使用数字信号处理技术进一步处理数据，以分析和处理数据，以便可以将其传递到显示器以提供所需的显示。

显示：借助处理能力，可以以多种方式呈现信息以供显示。显示器非常灵活，能够以易于理解的格式呈现信息，并揭示信号的各个方面。因此，FFT频谱分析仪的显示元件非常重要，这样捕获和处理的信息就可以适当地呈现给用户。

除了实际显示信号外，显示器通常还有许多控件，以提供相当程度的灵活性和额外的软功能。

在操作中，测试仪器将在设定的时间采集样品，然后在将其传递到显示器之前对其进行处理。

样本之间会有一定的时间，这可以比作传统扫描超外差频谱分析仪的扫描间隔时间。

应该注意的是，连续样品之间的时间间隔可能比扫描分析仪再次通过相同频率所经历的时间间隔要短得多。

基本FFT频谱分析仪的采样和显示

鉴于实现所需信号处理所需的处理量，大多数FFT频谱分析仪将使用FPGA（现场可编程门阵列），因为它们能够配置为提供非常快速的信号处理。

FFT分析仪技术的优缺点

与任何形式的技术一样，FFT分析仪也有其优点和缺点：

FFT频谱分析仪技术的优势

快速捕获波形：鉴于波形是以数字方式分析的，因此可以在相对较短的时间内捕获波形，然后进行分析。这种较短的捕获时间具有许多优点 - 它可以捕获瞬态或短寿命波形。

这种类型的测试仪器可以快速捕获波形，可用于许多领域：表征新的射频设计，无论是集成电路，还是使用许多组件的电子电路设计。更高的速度可以在短时间内进行更多的测量，并由计算机控制。它也可用于电子制造，其中测量速度对于确保高生产率很重要。

能够捕获非重复事件：较短的捕获时间意味着FFT分析仪可以捕获非重复波形，使其具有其他频谱分析仪无法实现的功能。

能够分析信号相位：作为信号捕获过程的一部分，获得数据，可以对其进行处理以揭示信号的相位。由于数字通信使用了各种形式的基于相位的调制方案，因此在该测试仪器中捕获相位信息的能力特别有用。

可以存储波形使用FFT技术，可以捕获波形，并在以后需要时进行分析。为了存储波形，可能需要大量的存储器，特别是如果要存储重复的波形。然而，由于内存相对便宜，这不是一个主要问题 - 真正的问题是确保系统有足够的可用内存，无论是在测试设备本身中，还是在任何相关的计算机中。

FFT频谱分析仪技术的缺点

频率限制：FFT频谱分析仪频率和带宽的主要限制是模数转换器，即用于将模拟信号转换为数字格式的ADC。

正是由于ADC最高频率，该元件对带宽施加了主要限制。此外，具有更多位的ADC往往具有较低的频率限值。因此，超外差技术通常与FFT方法相结合，以获得具有更高频率和带宽限制的更通用的仪器。

成本：成本曾经是一个问题，但现在不是问题。最初，FFT分析仪比模拟分析仪扩展得多。然而，随着处理技术现在更便宜，FFT分析仪现在已经司空见惯，几乎所有新的频谱分析仪都使用FFT技术的数字方法。

在许多情况下，超外差和FFT技术用于单频谱分析仪。这样就可以采用这两种技术的优点，以提供真正多功能和高性能的测试仪器。

从本质上讲，超外差技术可用于将频率转换为可以进行模数转换的中频。然后，射频测试仪器以正常方式使用 FFT 信号处理技术。

然而，随着模数转换技术在速度上的显着提高，对信号转换的需求被限制在非常高的频率上。

鉴于处理电路的成本较低，如今大多数新型射频频谱分析仪都采用FFT方法以及大量的控制处理，以使测试仪器具有高度的射频性能以及许多功能。

这些频谱分析仪用于许多领域，包括通用电子电路设计、射频设计、电子制造、服务和维修等。这些测试仪器的性能水平比旧的扫频或超外差频谱分析仪高得多，因此 FFT 频谱分析仪现在用于大多数应用。

审核编辑：黄飞