力科示波器基础应用系列之二FFT的前世今生

傅立叶变换（DFT）才能被适用，对于计算机来说只有离散的和有限长度的数据才能被处理，对于其它的变换类型只有在数学演算中才能用到，在计算机面前我们只能用DFT方法，我们要讨论的FFT也只不过是DFT的一种快速的算法。

DFT的运算过程是这样的：

其中，
X(k)—频域值
X(n)—时域采样点
n—时域采样点的序列索引
k—频域值的索引
N—进行转换的采样点数量

可见，在计算机或者示波器上进行的DFT，使用的输入值是数字示波器经过ADC后采集到的采样值，也就是时域的信号值，输入采样点的数量决定了转换的计算规模。变换后的频谱输出包含同样数量的采样点，但是其中有一半的值是冗余的，通常不会显示在频谱中，所以真正有用的信息是N/2+1个点。

FFT的过程大大简化了在计算机中进行DFT的过程，简单来说，如果原来计算DFT的复杂度是N2次运算（N代表输入采样点的数量），进行FFT的运算复杂度是Nlg10（N），因此，计算一个1,000采样点的DFT，使用FFT算法只需要计算3,000次，而常规的DFT算法需要计算1,000,000次！

我们以一个4个点的DFT变换为例来简单说明FFT是怎样实现快速算法的：

计算得出：

其中的红色部分在FFT中是必须计算的分量，其他蓝色部分不需要直接计算，可以由红色的分量直接推导得到，比如：
x(1)e-j0 = -1*x(1)e-jπ
x(2)e-j0 = x(2)e-j2π
… …
这样，已经计算出的红色分量只需要计算机将结果保存下来用于之后计算时调用即可，因此大大减少了DFT的计算量。

三、 变换前后信号有何种对应关系？

我们以一个实际的信号为例来说明：

示波器采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了。N个采样点，经过FFT之后，就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。

假设采样频率为Fs，信号频率F，采样点数为N。那么FFT之后结果就是一个为N点的复数。每一个点就对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢？假设原始信号的峰值为A，那么FFT的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是A的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量的N倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。第一个点表示直流分量（即0Hz），而最后一个点N的再下一个点（实际上这个点是不存在的，这里是假设的第N+1个点，也可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后）则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。例如某点n所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析精确到1Hz，如果采样2秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析精确到0.5Hz。如果要提高频率分辨率，则必须增加采样点数，也即采样时间。频率分辨率和采样时间是倒数关系。

下面这幅图更能够清晰地表示这种对应关系：

变换之后的频谱的宽度（Frequency Span）与原始信号也存在一定的对应关系。根据Nyquist采样定理，FFT之后的频谱宽度（Frequency Span）最大只能是原始信号采样率的1/2，如果原始信号采样率是4GS/s，那么FFT之后的频宽最多只能是2GHz。时域信号采样周期（Sample Period）的倒数，即采样率（Sample Rate）乘上一个固定的系数即是变换之后频谱的宽度，即 Frequency Span = K*（1/ΔT），其中ΔT为采样周期，K值取决于我们在进行FFT之前是否对原始信号进行降采样（抽点），因为这样可以降低FFT的运算量。如下图所示：

可见，更高的频谱分辨率要求有更长的采样时间，更宽的频谱分布需要提高对于原始信号的采样率，当然我们希望频谱更宽，分辨率更精确，那么示波器的长存储就是必要的！它能提供您在高采样率下采集更长时间信号的能力！值得强调的是,力科示波器可以支持计算128Mpts的FFT,而其它某品牌则只有3.2Mpts。

四、 在使用测试工具（示波器或者其它软件平台）进行FFT的方法和需要注意的问题？

我们先来看一个简单的例子---
Problem：在示波器上采集一个连续的，周期性的信号，我们希望在示波器上进行FFT计算之后，观察到信号中心频率（Center Frequency）在2.48GHz，频宽（Frequency Span）为5MHz，频谱分辨率（Bandwidth Resolution）为10KHz的频谱图，应该如何设置示波器的采集？

首先，根据频谱分辨率（Bandwidth Resolution）10KHz可以推算出，至少需要采集信号的时间长度为 1/10KHz=100us，因此至少要设置示波器时基为10us/Div；为了尽量保证FFT之后频谱图在各个频点的信号能量精度，测量时需要时域信号幅值占满整个栅格的90%以上；采样率设置应至少满足Nyquist采样率，即至少设置 >首先，根据频谱分辨率（Bandwidth Resolution）10KHz可以推算出，至少