傅里叶变换是一种全局变换，对于非平稳信号的处理显得无能为力，为此，通常采用时间频率联合分布对信号进行描述和分析。目前提出的时频分析方法有很多，并在机械、电子、生物、医学等很多领域得到了广泛的应用。随着人们对时频分析方法的进一步研究以及实际工程的需要，使得对时频分析仪器的研制显得十分必要，比较通用的方法是在PC机上用软件实现，或者利用数据采集卡，研制虚拟时频分析仪器。此外，近年来半导体技术特别是DSP和FPGA等高速器件的迅速发展，为复杂信号的实时分析提供了可能。本文在介绍几种典型时频分析方法的同时，结合当前发展迅速的FPGA技术，对信号时频分析的FPGA实现方法进行了研究，并设计了以短时傅里叶变换为基础的信号时频分析系统。主要开展了以下几个方面的工作：找到了一种实现信号分帧加窗的巧妙方法；该方法利用FPGA芯片内部的三端口RAM和双端口ROM设计，能够实现帧偏移和窗函数参数的可调，对于信号时频分析具有很大的灵活性。设计了基4按时间抽取快速傅里叶变换处理器；该处理器可处理数据点数为1024点，定点型，数据宽度为16比特，可对复数进行处理。设计共有串行结构和并行结构两种结构，可以根据不同的信号处理速度要求选用不同的结构。探讨了一种适合于FPGA实现的图像灰度变换；该变换以信号的频谱结构为设计原型，利用曲线逼近的方法得到，不用求解对数即可完成对时频谱图的增强处理，简单易行，占用FPGA资源较少。提出了基于FPGA实现信号时频分析的方案；该方案能够对线性调频、跳频信号、语音信号等非平稳信号进行分析，能够查看不同窗函数、不同帧偏移下的时频谱图；系统的实现为硬件实现时频分析仪器提供了一种可行方案。