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第四章快速傅里叶变换(FFT)
4.1 引言
DFT是信号分析与处理中的一种重要变换. 直接计算DFT的计算量与变换区间长度N2成正比,当N较大时,计算量太大.
在快速傅里叶变换(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.
1965年发现了DFT的一种快速算法以后,情况发生了根本的变化.
4.2 直接计算DFT的特点
长度为N的有限长序列x(n)的DFT为:
1、算法原理
设输入序列长为N=2M(M为正整数),将该序列按时间顺序的奇偶分解为越来越短的子序列,称为基2按时间抽取的FFT算法.
若序列长度不满足条件N=2M,可以加零补长使其达到 N=2M .
4.3 时域抽取基2FFT算法
要点:
2、算法步骤
要点:
结论:
只要求出(0~N/2-1)区间内的各个整数k值所对应的X1(k)和X2(k)值,即可求出(0~N-1)整个区间内全部X(k)值,这就是FFT节省计算量的关键.
N=2M→N/2仍为偶数→可以进一步把每个N/2点子序列再按输入n的奇偶分解为两个N/4点的子序列→ 按这种方法不断划分,直到最后剩下2点DFT,两点DFT实际上只是加减运算.
3、蝶形运算符号
求N=23=8点FFT.
(1)将N=8的DFT分解成2个4点DFT
【例题】
N点DFT的一次时域抽取分解图(N=8)
⑵将4点DFT分解成2点的DFT
将N/2(4点)子序列按奇/偶分解成两个N/4点(2点)子序列。即将x1(r)和x2(r)分解成奇/偶两个N/4点(2点) 点的子序列。
N点DFT的第二次时域抽取分解图(N=8)
⑶将2点DFT分解成2个1点DFT
两点DFT可分解成两个1点DFT,而1点DFT就等于输入信号本身,所以两点DFT可用一个蝶形结表示.
N点DIT-FFT运算流图(N=8)
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).
M级运算总共需要的复数乘次数为:
4、DIT―FFT与直接DFT运算量的比较
M级运算总共需要的复数加次数为:
直接计算DFT的复数乘为N2次,复数加为N(N-1)次数。当N1时, N2(N/2)log2N。所以DIT-FFT算法比直接计算DFT的运算次数大大减少。
FFT算法与直接计算DFT所需乘法次数的比较曲线
1、算法原理
设输入序列长度为N=2M(M为正整数),将该序列的频域输出序列X(k)按其频域顺序的奇偶分解为越来越短的子序列,称基2按频率抽取FFT算法.
若序列长度不满足条件N=2M,可以加零补长使其达到 N=2M .
4.4 频域抽取基2FFT算法
2、算法步骤
结论:
3、蝶形运算符号
求N=23=8点FFT.
⑴先将N=8的DIF分解成2个4点DIF
时域上:x(0),x(1),x(2),x(3)为偶子序列;
x(4),x(5),x(6),x(7)为奇子序列。
频域上:X(0),X(2),X(4),X(6)由x1(n)给出.
X(1),X(3),X(5),X(7)由x2(n)给出.
【例题】
其中:
DIF-FFT一次分解运算流图(N=8)
⑵再将N=4的DIF分解成2个2点DIF
DIF-FFT二次分解运算流图(N=8)
⑶再将N=2的DIF分解成2个1点DIF
最后剩下两点DFT,它可分解成两个1点DFT,但1点DFT就等于输入信号本身,所以两点DFT可用一个蝶形结表示.
DIF-FFT运算流图(N=8)
4.5 IDFT的高效算法
DIT-IFFT运算流图
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