第五章 快速傅里叶变换(FFT)(数字信号处理).ppt

第五章 快速傅里叶变换(FFT) 5.1 引言 DFT是信号分析与处理中的一种重要变换。因直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N较大时，计算量太大，所以在快速傅里叶变换(简称FFT)出现以前，直接用DFT算法进行谱分析和信号的实时处理是不切实际的。直到1965年发现了DFT的一种快速算法以后，情况才发生了根本的变化。 5.2 基2FFT算法 5.2.1 直接计算DFT的特点及减少运算量的基本途径 长度为N的有限长序列x(n)的DFT为 考虑x(n)为复数序列的一般情况，对某一个k值，直接按(5.2.1)式计算X(k)值需要N次复数乘法、(N-1)次复数加法。 如前所述，N点DFT的复乘次数等于N2。显然，把N点DFT分解为几个较短的DFT，可使乘法次数大大减少。另外，旋转因子WmN具有明显的周期性和对称性。其周期性表现为 5.2.2 时域抽取法基2FFT基本原理 FFT算法基本上分为两大类：时域抽取法FFT(Decimation In Time FFT,简称DIT-FFT)和频域抽取法FFT(Decimation In Frequency FFT,简称DIF―FFT)。下面先介绍DIF―FFT算法。 设序列x(n)的长度为N，且满足 则x(n)的DFT为 其中X1(k)和X2(k)分别为x1(r)和x2(r)的N/2点DFT，即 与第一次分解相同，将x1(r)按奇偶分解成两个N/4长的子序列x3(l)和x4(l)，即 用同样的方法可计算出 5.2.3 DIT―FFT算法与直接计算DFT运算量的比较 每一级运算都需要N/2次复数乘和N次复数加(每个蝶形需要两次复数加法)。所以，M级运算总共需要的复数乘次数为 5.2.4 DIT―FFT的运算规律及编程思想 1.原位计算 由图5.2.4可以看出，DIT―FFT的运算过程很有规律。N=2M点的FFT共进行M级运算，每级由N/2个蝶形运算组成。 2.旋转因子的变化规律 如上所述，N点DIT―FFT运算流图中，每级都有N/2个蝶形。每个蝶形都要乘以因子WpN，称其为旋转因子，p称为旋转因子的指数。 观察图5.2.4不难发现，第L级共有2 L-1个不同的旋转因子。N=23=8时的各级旋转因子表示如下： L=1时，WpN=WJ N/4=WJ2L， J=0 L=2时， WpN =WJ N/2=WJ2L， J=0，1 L=3时， WpN =WJN=WJ2L， J=0，1，2，3 对N=2M的一般情况，第L级的旋转因子为 3. 蝶形运算规律 设序列x(n)经时域抽选(倒序)后，存入数组X中。如果蝶形运算的两个输入数据相距B个点，应用原位计算，则蝶形运算可表示成如下形式： X (J) XL-1(J)+X L-1(J+B)WpN XL(J+B) XL-1(J)-X L-1(J+B)WpN ?式中 p=J·2 M-L；J=0,1,…，2 L-1-1；L=1,2,…，M 下标L表示第L级运算，XL(J)则表示第L级运算后数组元素X(J)的值。如果要用实数运算完成上述蝶形运算，可按下面的算法进行。 设 T=X L-1(J+B)WpN=TR+jTI X L-1(J)=X′R(J)+jX′I(J) 式中下标R表示取实部，I表示取虚部， 4. 编程思想及程序框图 5. 序列的倒序 DIT―FFT算法的输入序列的排序看起来似乎很乱，但仔细分析就会发现这种倒序是很有规律的。由于N=2M，所以顺序数可用M位二进制数(nM-1nM-2…n1n0)表示。 5.2.5 频域抽取法FFT(DIF―FFT) 在基2快速算法中，频域抽取法FFT也是一种常用的快速算法，简称DIF―FFT