FFT分析仪的发展历程

FFT 分析仪的30年历程回顾
这是一个充满了创造激情、成功喜悦与内心挣扎的故事。

当人类被某种灵感深深吸引，他将全然忘我，仿佛拥有超乎寻常的力量，这力量使他积极探索，勇于创新，更在人类发展史写下了光辉的一页。

快速傅立叶变化（FFT）的日臻成熟应证了这一点。

Cooley和Turkey于1965年发表了具有深刻历史意义的论文——应用计算机进行傅立叶变化。

一夜之间，全球各高校及实验室的科学家、工程师们投身于FFT应用软件与电路的研发中。

FFT是快速进行傅立叶变化（离散）的有效方法。

整个表达式的傅立叶变化可以用两次相当于原式一半长度的傅立叶变化实现。

基于这一认识，Cooley和Turkey证明快速傅立叶变化只需进行N*log2(N) 次，显然比直接傅立叶变化的N2次有效，这意味着对于1024项的表达式，运用快速傅立叶变化耗时仅为直接变化的百分之一，而且只占用内存的一半。

这就不难解释快速傅立叶变化对我们的巨大吸引力，尽管人们通常认为科学家、工程师是没有感情的机器，在客观与理性的背后，我们也同样拥有理想的浪漫主义情怀。

在现代生活中，傅立叶变化与我们息息相关，它应用于汽车、航空、电信、链锯、洗衣机等各领域。

Ed Sloan是一位研究录音机的工程师，在位于Palo Alto的Ampex公司工作，他利用Danielson和Lanczos的技术（发表于Fanklin Journal,1942）潜心钻研提高傅立叶变化的速度。

苦于无法获得Ampex公司的认同，Ed在一群私人投资者中募集资金，得以于1966年初创办了自己的Time/Data公司，当时，风险投资尚未成风。

被誉为奇才的Ed Sloan在年轻有为的工程师 Bruce McKeever的协助下发现了比Danielson和Lanczos的卷积技术更有效的计算
方法，遗憾的是Cooley和Turkey早在一年前就发表了这篇论文。

建造一台FFT机的热情取代了被人抢先的不甘。

突破重重技术难关，Ed和Bruce终于在1967年10月推出了命名为Time/Data 100的FFT机。

Time/Data 100的巨大成功在于它能在1秒内完成1024项傅立叶变化。

然而，重大技术创新未能带来相应的经济效益，时值越南战争，有近30位客户无法获得Johnson政府的拨款用于医学研究。

这次的重创是致命的，要拯救Time/Data只能期待奇迹发生了。

命运总在不经意间出现转机：F111战斗机的机翼在飞行中失坠落；空军向通用动力(General Dynamics)发出最后通牒：所有飞机必须经过机翼安全性能检测。

面对大量闲置飞机，通用动力一筹莫展。

Jim Green,年轻的麻省理工（MIT）毕业生，想起了祖父准确探测钢轨裂缝的方法：从当中旋起钢轨，在两头用榔头敲击，辨别声音。

Jim相信这种方法在科学领域中一样可行，他慧眼识珠，发现了Time/Data。

周末, Jim 和Bruce一起分析了飞机机翼检测的磁带机数据，他们发现，飞机断裂处的加速度信号出现特征频率光谱。

通用动力立即起用了这一精准的甄别方法。

美国空军征购了第一批Time/Data 100，公司也因此获得了巨额利润。

不久之后, FFT机又引入了振动分析领域，这一技术在当时的医学界（包括斯坦福大学的睡眠研究）应用广泛。

继Time/Data 100后推出的Time/Data 90是基于通用微机的高速FFT机。

基于PDP11的Time/Data 1923作为改进版于1972年推出。

在私人投资者要求撤资时，通用无线电(General Radio)收购了Time/Date。

可是这位新东家似乎对Time/Data一无所知，显然无法为Ed, Bruce 和同事们提供实现梦想的平台。

Bruce 依然载着他的FFT机游走于美国，时光消磨了他的激情却无法使他忘怀那份最初的热情。

几乎在同一时间，惠普公司(Hewlett-Packard)Santa Clara分部,名不见经传的工程师Ron Potter决心开发用于波形和光谱计算的计算机。

Ron Potter在伊利诺州大学学习电子并自学了基于ENIAC的程序设计，ENIAC没有磁鼓和硬盘存储器但仍有40位1024个字的存储空间，配有CRT显示屏和摄像头。

他能用二阶放大器巧解三次多项式，早期著作发表于《无线电应用》。

Ron Potter绝对是个天才，当所有人困顿于简单物理现象的解释时，他已经让同仁们叹为观止于他的“凌波微步”。

随着抗干扰技术的推进和物理研究的深入，两者的关系也日益明显。

光谱分析需要极其复杂的计算，人们开始质疑这一方法的实用性。

Cooly-Tukey论文令Ron茅塞顿开，新设备的基石就该是FFT。

Ron Potter负责数学计算， Ago Kiss负责硬件配置， Pete Roth则着手于数模转换器（ADC）的研究。

受惠普风格的影响，他们的仿真器也有6个部件：PDP机、捕捉信号的ADC、CRT示波器、磁带机和用于系统交互的电传打字机。

Bill Hewlett 和Dave Packard亲力亲为，完成波形计算器的雏形后，Packard建议把仿真器作为产品单独销售。

当时，HP刚刚进入电脑销售领域，Ron从Cupertino的分部得到了最初期的计算机，迅速取代了竞争对手数字设备公司(Digital Equipment Corporation)的PDP，制造出HP5450傅立叶分析仪。

作为傅立叶分析仪的鼻祖，Ron Potter 却早早离开了公司。

把这项技术革新投放市场的是负责人Pete Roth。

参与软件编程和硬件实现的工程师还有Skip Ross，Steve Cline，Chuck Hershkowitz和Charlie Heisman。

谈起傅立叶分析仪的问世，还有一个人功不可没，他就是Al Bagley，作为时频部门的主管，他是项目的灵魂人物也是Packard的理念的捍卫者。

HP傅立叶分析仪的第一位客户是位于Maryland的Walter Reed医院，当时他们正着手研究猴子的神经反应。

Pete Roth和另一位工程师Dave Snyder一起去东部安装设备、培训用户。

他们未曾想到该产品会最终应用于噪音和振动控制。

勿需讳言，如果没有惠普公司FFT 技术的推广，多领域应用是难以实现的。

Bob Perdriau，作为惠普公司Santa Clara 数字信号分析团队的一员，曾参与研发HP5453电话测试系统。

他仍记得研发第一代傅立叶分析仪衍生品时，整个团队群情激昂。

事与愿违，HP5453成了企业内部权力纷争的殉葬品，一群年青人的梦想也随之破灭。

值得庆幸的是，用于振动测试、结构模态分析和旋转检测的HP5451闭环振动台为企业带来了高速成长。

远在纽约州Harlem的Yonkers，Henry Bickel创办联邦科技公司，和四位哥伦比亚大学教授一起为国防部研发远程导弹监测技术。

联邦科技公司发明了基于时间压缩技术的专利产品”Ubiquitous”实时分析仪，成功地拿到P3 舰队的定单，为其提供水下监测设备。

虽然FFT 商务迅猛发展但直到Nicolet接手公司，联邦科技才推出第一台单输入FFT机，命名为”Mini-Ubiquitous”440A。

FFT分析仪的第二次浪潮推动了440 A的第二代产品——双通道的660的产生。

叱咤一时的通用动力(General Dynamics)在艰难中倒闭，一个年青的职员Laurie Burrows 在San Diego和Hugh Ness等人创立公司，命名”光谱动力（Spectral Dynamics）”。

他们买下了Laurie在通用动力期间研发的跟踪滤波器的专利，用惠普的低价振荡器取代昂贵的高精度振荡器使成本降为对手的十分之一。

光谱动力（Spectral Dynamics）早期生产跟踪滤波器，之后利用时域压缩技术(San Diego船舶实验室Victor Anderson工程师的专利)生产实时分析仪。

尽管光谱动力到1975年引进SD360后才生产了第一台FFT机，他们全力研发了在第二次浪潮中独领风骚的SD380。

曾经只能在计算机中以数字形式捕获的波形如今可以无限制地应用于航空航天，这样的技术突破是另人振奋的。

FFT机的诞生轰动整个世界！当然，没有事情是一蹴而就的，物理过程分析更是如此。

第一代FFT机有六个基件：微机、CRT显示屏、数模转换器、纸带磁带机和电传打字机。

在惠普，FFT机的每一次提速都要面临更高速的计算机的挑战，Dave Snyder设计的5451B 中的微代码FFT机和5471电路盒曾令同类产品望尘莫及。

在通用无线电，Bruce McKeever 完成Time/Data100内部FFT硬件系统的设计后，迅速转向Time/Data1923微机系统的设计。

在惠普，Webb Mckinney发明了选择性带宽傅立叶分析仪，之后被称做变焦转化，提供了有限存量的高频方案，是FFT机发展史上的里程碑。

通用无线电的Norm Rodgers平日沉默寡言，却成为了FFT机发展的关键人物，某天他突然兴趣盎然地向同事们展示了自主研发的编程语言，其革命性突破在于允许用户设置测量值。

时间序列语言(TSL)应孕而生，它也成了模态分析和振动控制等应用的基石。

最初的十年虽然艰辛却充满希望。

开拓市场举步维艰，惠普和通用无线电都看到以往的
经营模式在这里是行不通的。

光谱动力和Nicolet的加入使竞争日趋白热化，战略高地转向仪器应用。

惠普大胆尝试组建专业销售队伍任命从英国分部调至Santa Clara的Dick Watts 为FFT机的销售经理。

改革卓有成效也吸引了大量科技界的有识之士。

惠普却终未摆脱高层争端的厄运，被迫解散这支团队以期达到销售部门间的“平衡”，这又一次打破了科技精英的梦想。

第二次浪潮
艰难度过第一个十年，FFT分析仪的第二次浪潮如约而至。

可视电脑的时代已然过去，重量也降到70lbs左右。

价格也明显降低，过去$50,000至$100,000的产品现在只需$20,000至$50,00 0便可轻松拿下。

HP5420，GR2508，SD360，Nicolet446A和Nicolet 660B各的其所。

Denmark的B&K，声学仪器的龙头企业，曾相当排斥数字化革命，无奈傅立叶分析仪的巨大魅力最终投身这场洪流。

他们推出的2032第一次在前台加入缓冲器，允许客户对重叠数据再分析。

最大的惊喜来自于惠普在Loveland的分部，他们推出了价值$12,000的HP3582双通道FFT分析仪，重量仅为55lbs。

HP3582的横空出世为惠普带来了四倍于对手的利润。

Nicolet 和Rockland意识到竞争的残酷从此无心恋战。

敏感的George Fox Lang在《声和振动》杂志上为我们讲述了Nicolet的故事。

惠普、通用无线电、B&K和光谱动力均分市场的局面被HP3582打破，它成功地用四片硅片实现变焦，尽管在记忆周期上存在不足，HP3582仍然成为产业界的宠儿。

这无疑是电子设备优化进程中的又一块里程碑。

这就是惠普的过人之处，坦率地说，这并非一贴好药，优化只是来源于成本的降低而非技术的突破。

FFT机在科学上的应用价值依旧引导着它第二个十年的发展，FFT机的四大应用浮出水面。

Cincinnati大学的Dave Brown醉心模态分析，他能成功地识别振动摸态并抽取独立模型。

在运动中显示单个模态令工程师们心向往之。

HP5423结构动态分析仪是第一代模态分析仪器中的一种，惠普试图用传统的技术打包方式拓展市场，但由于这项技术本身不具市场潜质不得不以失败告终。

HP5423标志着惠普参与生产模态测试仪器的终结，他们依旧做回了通用FFT机的供应商。

“模态情结”由Mark Richardson延续着，他就是结构测试系统（SMS ）的初创者。

位于Belgium的Leuven大学有一位校友Maurice Mergeay正着手LMS测试系统的研究，面对失业的风险和离经叛道的指责，他醉心于这一必将主导该领域的技术。

Dave Formenti ，SMS
的四位创始人之一对当年不懈的钻研，甜蜜的付出记忆犹新。

十年后，结构测试系统为通用无线电所购买，但通用无线电显然无法为其发展提供平台。

洗净铅华的数字振动控制带来重大革新。

振动过程可以通过振动台精确控制。

汽车行驶中的随机振动、物体跌落冲击或引擎加速时的阶段性振动都可以在实验室中模拟，节省了大量的时间与人力。

第一次的应用是GR1921和HP5451的扩充软件，到1980年，专业振动控制仪便取代了HP5427、GR2511和SD1700主导了日渐壮大的市场。

数字振动控制技术的发展提高了并联滤波器模拟系统的速度和准确性，也使得惠普、通用无线电、光谱动力获益不少。

第一次浪潮之后，光谱动力找到了自己的制高点，公司内的信号分析专才如鱼得水，甘之若饴，但这样的局面在公司被收购后不复存在。

在惠普和光谱动力抽身后，通用无线电继续销售振动控制器并逐渐成为行业资深。

第三类应用是旋转系统的信号特征分析。

三维转速谱图是区分结构共振和转动惯量产生的振动的有效方法，其衍生出的顺序跟踪法用于识别振动引起的调节。

第一代傅立叶分析仪绘制出的引擎瀑布图成为分析仪的标准应用之一。

声音强度检测是1979年出现的新的测量技术。

两个相隔几毫米的传声器能测量声音强度的量级和方向，传声器间基于FFT的交叉光谱可计算出声音强度。

这一技术成功应用于识别内燃机等机械设备的声音辐射分量。

在声学利用领域棋高一招的B&K公司，以其高精度传声器测量著称，成为声音强度检测最积极的推动者。

尽管检测技术的需求不大，它仍是FFT机重要的性能之一。

产业成长的核心是提供用户物超所值的服务，FFT机也不例外。

1969年十月发表于《声和振动》杂志上的一篇社评颇具玩味之处：“只有了解客户需求，熟悉产品性能的人才能接到定单。

”
第三次浪潮
第三个十年把FFT机变成了一块可插入个人电脑的板卡。

IBM公司引入个人电脑（PC），从根本上改变了我们的测量方式。

过去，FFT分析仪只能通过IEEE488和RS232接口电缆
与电脑连接，实现测试与分析软件的互动。

数字信号处理器(DSP)的出现使内置检测设备成为可能。

DSP的卓越性在于优化向量运算，完成快速傅立叶变化。

1986年，第二代DSP芯片在FFT分析仪中广泛应用，它能在10msec中完成1024项傅立叶变化。

小型化和成本的降低触发了第二次飞跃。

单片I/O卡上的双通道傅立叶分析仪价格大约在$10,000至$20,000，即使传统仪器的重量也降为25lbs。

CSI Wavepak，迪飞公司的DP420，基于PC的SD390取代了惠普和B&K传统FFT机。

SIGnology公司将DSP应用在电脑的挂箱上。

基于PC的FFT机不仅具备其原有特性，还能提供更优化的图表软件和用户界面。

随着图表用户界面的日益走俏，惠普和Tektronix也开发了基于PC的分析系统。

PC技术的迅猛发展推动了分析仪的前进，同时改进通用计算机以适应分析仪的要求更促进了PC技术自身的发展。

PC内置FFT处理板卡是振动控制的最佳方案。

1990年，迪飞公司的DP540闪亮登场自此重新定义了振动台的性价比，从$60,000至$100,000的价格范围降低到$20,000至$50,000，使其不再局限于国防领域而在商务应用中开拓新天地。

展望未来
10年后，当我们庆祝《声和振动》杂志创刊30周年时，FFT分析仪正在经历新一轮发展。

迪飞公司开发的新产品重量仅为1.8oz，具有20kHz实时分析带宽，64k传输量和100dB 动态范围，可以插在笔记本电脑的PCMCIA插槽中。

与此同时，FFT分析仪的生产成本也在不断降低。

FFT分析仪和笔记本电脑的重量和仅为6lbs左右，工程师可以轻便地随身携带。

使用过早期笨重的FFT分析仪的老工程师们看到如今信用卡大小FFT分析仪也许会喜极而泣吧。

科技探索之旅真叫人瞠目结舌，叹为观止。

后记
笔者仅代表个人感谢所有帮助我收集资料的师长、学者、同仁。

聆听你们回忆辉煌的过去是我无与伦比的享受，也极大地满足了我那颗感时伤怀的心。

我惊叹于你们在过去的三十年中对事业倾注的无比热情，折服于你们的智慧与博学，更艳羡你们见证了时代的发展，科技的进步。

你们的人格魅力在侃侃而谈中熠熠生辉，再次感谢你们与我分享的一切。

受时间和篇幅的限制，我无法一一罗列重大事件与背景人物，在此深表歉意。

参考文献
Cooley,J.W.和Turkey, J.W. “利用计算机进行复杂的傅立叶变化”《数学计算》1965年第19期
作者简介
Sri Welaratna 从1970年开始研究傅立叶变化分析仪，当时他仍在英国Bradford大学求学。

之后，Sri Welaratna加入惠普公司先后任职于英国和San Clara分部，在SMS短暂停留后，他和惠普公司San Clara分部的同事Dave Snyderh创立迪飞公司，他的一大兴趣就是招贤纳才，尤其是那些在科技发展中暂时迷失的信号分析领域的奇才。