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

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

顧名思義，F(xiàn)FT頻譜分析儀是一種射頻測試設(shè)備，它使用傅里葉分析和數(shù)字信號處理技術(shù)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(quán)和來表示。利用這一概念，F(xiàn)FT頻譜分析儀對輸入信號進(jìn)行采樣。然后，它計(jì)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(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)無法實(shí)現(xiàn)。

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(shè)備射頻設(shè)計(jì)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(shù)字方法進(jìn)行信號處理和控制，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

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(fā)的傅里葉分析技術(shù)。例如，使用他的變換，可以將連續(xù)時域中的一個值轉(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，必須在測試設(shè)備中定期捕獲一系列連續(xù)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(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(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(shù)等于一個數(shù)字，該數(shù)字是 2 的整數(shù)冪。

在測試儀器中，輸入信號以高采樣率進(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最高頻率分量的兩倍，采樣數(shù)據(jù)就會準(zhǔn)確地表示輸入信號。

FFT頻譜分析儀基礎(chǔ)知識

FFT分析儀測試設(shè)備的框圖和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)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(yù)處理，以確保到達(dá)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號在正確的范圍內(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：測試儀器要求在FFT分析儀的輸入端設(shè)置階段，以確保信號處于模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(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?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波形進(jìn)行采樣。根據(jù)奈奎斯特定理，信號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(shí)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(shù)轉(zhuǎn)換：為了執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要兩個元件。第一個是采樣器。這以離散的時間間隔進(jìn)行采樣：這稱為采樣率。

這個比率的重要性在上面已經(jīng)討論過。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：來自采樣器的數(shù)據(jù)在時域中，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，并揭示信號的各個方面。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。

除了實(shí)際顯示信號外，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，測試儀器將在設(shè)定的時間采集樣品，然后在將其傳遞到顯示器之前對其進(jìn)行處理。

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

應(yīng)該注意的是，連續(xù)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(jīng)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(shí)現(xiàn)所需信號處理所需的處理量，大多數(shù)FFT頻譜分析儀將使用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），因?yàn)樗鼈兡軌蚺渲脼樘峁┓浅？焖俚男盘柼幚怼?/p>

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

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

這種類型的測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間內(nèi)進(jìn)行更多的測量，并由計(jì)算機(jī)控制。它也可用于電子制造，其中測量速度對于確保高生產(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法實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)，可以對其進(jìn)行處理以揭示信號的相位。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(shù)，可以捕獲波形，并在以后需要時進(jìn)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(fù)的波形。然而，由于內(nèi)存相對便宜，這不是一個主要問題 - 真正的問題是確保系統(tǒng)有足夠的可用內(nèi)存，無論是在測試設(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，即用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(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)是一個問題，但現(xiàn)在不是問題。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，射頻測試儀器以正常方式使用 FFT 信號處理技術(shù)。

然而，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在速度上的顯著提高，對信號轉(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