随着技术的进步,现代雷达系统和通信网络都采用诸如脉冲、跳频、码分多址和自适应调制等多种数字射频技术,鉴于当前数字射频信号的行为特点,时间作为一个很重要的因素在现代电子和通信系统测试中不可或缺。因此需要研究新的频谱分析方法实现各种异常信号、瞬态信号和强噪声背景下微弱信号的触发捕获和实时频谱分析。针对设计实现具有强噪声背景下微弱信号检测与非平稳信号实时谱分析功能的实时频谱分析系统,本文主要研究内容如下:(1)、通过分析实时频谱分析系统的基本原理和功能需求,设计了包含信号采集模块、实时触发模块和基带数字信号处理模块的实时频谱分析系统,并对系统各模块的基本实现原理进行研究。(2)、信号采集模块阐述了信号采样理论、模数转换器(ADC,Analog to Digital Converter)性能指标和时间交替并行采样技术。对时间交替并行采样技术中通道失配误差获取和校正方法进行了详细分析,其中包括采用正弦拟合法获取通道失配误差和根据三种误差自身特性采用加法器、乘法器和FARROW结构全通滤波器相结合实现误差校正。(3)、实时触发模块中针对异常信号、瞬态信号和强噪声背景下微弱信号的频谱分析需求,本文设计了功率触发、电平触发、频率模板触发三种触发方式和循环定时DDR2存储机制实现信号的有效实时触发和捕获,并利用重叠帧短步进滑动有效地解决了频谱分析中的窗口效应,避免了信号丢失。(4)、传统实时频谱分析系统中存在全景谱分析与时频分辨率相互制约,同时异常信号与瞬态信号高分辨率谱分析中存在大运算量与实时性之间的矛盾。针对传统实时频谱分析系统的缺陷,本文研究实现了一种新的频谱检测方案。该方案采用窗口长度逼近平稳信号的观察窗采样瞬态信号;然后将该采样信号进行多组缓存,并根据各缓存延时对采样信号与缓存信号进行多相滤波,相加各组滤波结果得到较大的信号集和相同谱信息的重构信号;之后通过加窗线性调频Z变换(CZT,Chirp-Z Transform)实现与时间分辨率无关的频谱细化;最后利用累加平均与阈值分析解决旁瓣误差和噪声误差的影响。(5)、结合工程实践,对本文设计实时频谱分析系统进行了FPGA设计实现。针对FPGA实现中所面临的时序与功耗优化挑战,给出了采用寄存器传输级(RTL,Register Transfer Level)逻辑优化、芯片引脚电器标准设置、综合与时序约束和EDA综合与布局布线软件设置相结合的优化方案,并利用该优化方案对本文设计系统实现时序和功耗优化,通过上述优化本系统最小建立时间裕量由-3.3ns提升至0.759ns且系统功耗降低了45%。通过时序仿真对该系统微弱信号检测、瞬态信号分析和实时模式分析性能进行验证,仿真结果表明针对强噪声背景下的微弱信号检测,在-30dB信噪比条件下本系统最大频率测量误差与相对幅度测量误差分别为70KHz和2.5%;对于持续时长为1.25μs的瞬态信号,本系统最大时间测量误差和频率测量误差分别为0.575μs和38KHz;在实时分析模式时,本系统最大频率测量误差与相对幅度测量误差分别为137KHz和0.72%。本设计除有16.384μs的初始计算延时外,对连续数据处理具有实时性。