伴随着无线通信行业的快速发展，数字频谱分析仪在信号频谱观测和监视等方面都发挥着越来越重要的作用。为了满足工作在各个领域人们的需求，国内外各大厂商都致力于研究更高性能，更低价格的数字频谱分析仪。而FPGA技术的涌现和发展使得人们纷纷把目光转向基于FPGA实现数字频谱分析仪系统。但是由于种种原因，我国在研制高端频谱分析仪方面还未形成自主知识产权，所以，本文研究的基于FPGA实现数字频谱分析仪具有重要的学术和实践意义。本文通过对比分析频谱分析仪的三种结构，最终选定采用超外差式频谱分析仪结构和全数字中频处理技术相结合的方式来实现数字频谱分析仪系统。根据课题各项技术指标，给出了该系统的设计实现方案，并对包括正交变换、抽取滤波、加窗、FFT变换、平方和与累加平均的各个关键模块的方案选择、设计思路和FPGA实现方法都进行了详细阐述。通过MATLAB和Modelsim联合对比仿真，验证了本文设计搭建的频谱分析仪系统能够满足设计要求。随后，为了进一步提高系统性能，提出了一种适用于高斯分布信号的数字频谱分析仪的性能优化方法。该方法通过高斯分布信号的量化分析推导出量化后高斯分布信号的最大值、高斯信号方差、量化字长和量化误差功率四者之间的关系，然后在此基础之上分别对AD转换器的输入功率和抽取速率可变的CIC抽取滤波器的输出截位讨论具体的优化方案。理论分析与实际仿真结果都表明，本文提出的优化方法能够使数字频谱分析仪系统的输出信噪比达到最优值，这对优化各种数字信号处理系统都具有很高的借鉴价值。