快速滤波器组(Fast Filter Bank,FFB)作为快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的一般形式,具有旁瓣衰减高、复杂度低等特点,并且还具有其他滤波器组所不具备的相邻通道合并特性,因此,FFB在数字信道化、频谱分析、多载波调制等软件无线电技术中有广泛的应用前景。然而,由于缺乏关于FFB硬件实现的研究,阻碍了FFB的实际应用。基于此,本文围绕FFB的设计和高效实现,以及实际应用创新开展了研究。本文的主要工作如下:首先,从滤波器组的角度分析了FFT的结构特点,并针对FFT幅频响应特性较差的缺陷进行了改进,从而得到FFB的结构。根据FFB的结构特点推导了FFB的统一表达式,结合半带滤波器的特性进一步推导了FFB的一般表达式,并对FFB的特性进行了深入分析,同时利用实例对上述推导的正确性进行了证明。其次,从频率响应遮蔽(Frequency Response Masking,FRM)技术的角度对FFB进行了分析,从而推导了FFB的一般性设计准则。以一般性设计准则为基础,在确定各级原型滤波器阻带衰减的前提下,根据FFB的全局约束,提出了针对FFB通道数和过渡带宽度的优化设计方法,以获得具有最小复杂度以及最小群时延的FFB,并通过实验证明了所提出优化设计方法的有效性。随后,采用自下而上的设计方法研究了FFB的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现结构,采用串行和全并行的设计思想分别设计了各级子滤波器和FFB树状结构的硬件实现结构,并对各自的串行和全并行的结构进行了性能比较。在此基础上,考虑到实际硬件限制,提出了一种最佳配置的结构设计方法,从而取得硬件资源消耗和系统数据吞吐率的平衡。最后,基于FFB提出了一种新的非参数频谱分析算法,该算法通过将FFT的一部分蝶形结构替换成多个并行的FFB来提高FFT的频谱分析性能,从而获得一个更高精度的频谱。本文对算法进行了详细的理论分析,并同时给出了该算法的硬件实现结构。实验表明,与现有的其他频谱分析算法相比,基于FFB的频谱分析算法虽然需要更多的采样值,但其抗谱间干扰的性能优于其他的频谱分析算法,并且实现基于FFB的频谱分析算法所需要的乘法器资源与FFT近似相等。