[资料分享] FFT算法的完整DSP实现

Jacktang 2017-6-26 09:03 楼主

傅里叶变换或者FFT的理论参考：

[1] http://www.dspguide.com/ch12/2.htm

The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, By Steven W. Smith, Ph.D.

[2] 可当作[1]的中文参考

[3] 任意一本数字信号处理教材，上面都有详细的推导DCT求解转换为FFT求解的过程

[4] TI文档：基于TMS320C64x+DSP的FFT实现。使用baidu/google可以搜索到。

1. 有关FFT理论的一点小小解释
关于FFT这里只想提到两点：

（1）DFT变换对的表达式（必须记住）

\ —— 称旋转因子

（2）FFT用途——目标只有一个，加速DFT的计算效率。

DFT计算X(k)需要N^2次复数乘法和N(N-1)次复数加法；FFT将N^2的计算量降为\。

“FFT其实是很难的东西，即使常年在这个领域下打拼的科学家也未必能很好的写出FFT的算法。”——摘自参考上面提供的参考文献[1]

因此，我们不必太过纠结于细节，当明白FFT理论后，将已有的算法挪过来用就OK了，不必为闭着教材写不出FFT而郁闷不堪。
FFT的DSP实现

下面为本人使用C语言实现的FFT及IFFT算法实例，能计算任意以2为对数底的采样点数的FFT，算法参考上面给的流程图。

[cpp] view plaincopyprint?

/*
* zx_fft.h
*
* Created on: 2013-8-5
* Author: monkeyzx
*/
#ifndef ZX_FFT_H_
#define ZX_FFT_H_
typedef float FFT_TYPE;
#ifndef PI
#define PI (3.14159265f)
#endif
typedef struct complex_st {
FFT_TYPE real;
FFT_TYPE img;
} complex;
int fft(complex *x, int N);
int ifft(complex *x, int N);
void zx_fft(void);
#endif /* ZX_FFT_H_ */

[cpp] view plaincopyprint?

/*
* zx_fft.c
*
* Implementation of Fast Fourier Transform(FFT)
* and reversal Fast Fourier Transform(IFFT)
*
* Created on: 2013-8-5
* Author: monkeyzx
*/
#include "zx_fft.h"
#include
#include
/*
* Bit Reverse
* === Input ===
* x : complex numbers
* n : nodes of FFT. @N should be power of 2, that is 2^(*)
* l : count by bit of binary format, @l=CEIL{log2(n)}
* === Output ===
* r : results after reversed.
* Note: I use a local variable @temp that result @r can be set
* to @x and won't overlap.
*/
static void BitReverse(complex *x, complex *r, int n, int l)
{
int i = 0;
int j = 0;
short stk = 0;
static complex *temp = 0;
temp = (complex *)malloc(sizeof(complex) * n);
if (!temp) {
return;
}
for(i=0; i
stk = 0;
j = 0;
do {
stk |= (i>>(j++)) & 0x01;
if(j
{
stk <<= 1;
}
}while(j
if(stk < n) { /* 满足倒位序输出 */
temp[stk] = x;
}
}
/* copy @temp to @r */
for (i=0; i
r = temp;
}
free(temp);
}
/*
* FFT Algorithm
* === Inputs ===
* x : complex numbers
* N : nodes of FFT. @N should be power of 2, that is 2^(*)
* === Output ===
* the @x contains the result of FFT algorithm, so the original data
* in @x is destroyed, please store them before using FFT.
*/
int fft(complex *x, int N)
{
int i,j,l,ip;
static int M = 0;
static int le,le2;
static FFT_TYPE sR,sI,tR,tI,uR,uI;
M = (int)(log(N) / log(2));
/*
* bit reversal sorting
*/
BitReverse(x,x,N,M);
/*
* For Loops
*/
for (l=1; l<=M; l++) { /* loop for ceil{log2(N)} */
le = (int)pow(2,l);
le2 = (int)(le / 2);
uR = 1;
uI = 0;
sR = cos(PI / le2);
sI = -sin(PI / le2);
for (j=1; j<=le2; j++) { /* loop for each sub DFT */
//jm1 = j - 1;
for (i=j-1; i<=N-1; i+=le) { /* loop for each butterfly */
ip = i + le2;
tR = x[ip].real * uR - x[ip].img * uI;
tI = x[ip].real * uI + x[ip].img * uR;
x[ip].real = x.real - tR;
x[ip].img = x.img - tI;
x.real += tR;
x.img += tI;
} /* Next i */
tR = uR;
uR = tR * sR - uI * sI;
uI = tR * sI + uI *sR;
} /* Next j */
} /* Next l */
return 0;
}
/*
* Inverse FFT Algorithm
* === Inputs ===
* x : complex numbers
* N : nodes of FFT. @N should be power of 2, that is 2^(*)
* === Output ===
* the @x contains the result of FFT algorithm, so the original data
* in @x is destroyed, please store them before using FFT.
*/
int ifft(complex *x, int N)
{
int k = 0;
for (k=0; k<=N-1; k++) {
x[k].img = -x[k].img;
}
fft(x, N); /* using FFT */
for (k=0; k<=N-1; k++) {
x[k].real = x[k].real / N;
x[k].img = -x[k].img / N;
}
return 0;
}
/*
* Code below is an example of using FFT and IFFT.
*/
#define SAMPLE_NODES (128)
complex x[SAMPLE_NODES];
int INPUT[SAMPLE_NODES];
int OUTPUT[SAMPLE_NODES];
static void MakeInput()
{
int i;
for ( i=0;i
{
x.real = sin(PI*2*i/SAMPLE_NODES);
x.img = 0.0f;
INPUT=sin(PI*2*i/SAMPLE_NODES)*1024;
}
}
static void MakeOutput()
{
int i;
for ( i=0;i
{
OUTPUT = sqrt(x.real*x.real + x.img*x.img)*1024;
}
}
void zx_fft(void)
{
MakeInput();
fft(x,128);
MakeOutput();
ifft(x,128);
MakeOutput();
}

程序在TMS320C6713上实验，主函数中调用zx_fft()函数即可。

FFT的采样点数为128，输入信号的实数域为正弦信号，虚数域为0，数据精度定义FFT_TYPE为float类型，MakeInput和MakeOutput函数分别用于产生输入数据INPUT和输出数据OUTPUT的函数，便于使用CCS 的Graph功能绘制波形图。这里调试时使用CCS v5中的Tools -> Graph功能得到下面的波形图（怎么用自己琢磨，不会的使用CCS 的Help）。
输入波形
输入信号的频域幅值表示
FFT运算结果
对FFT运算结果逆变换(IFFT)

如何检验运算结果是否正确呢？有几种方法：
（1）使用matlab验证，下面为相同情况的matlab图形验证代码

[cpp] view plaincopyprint?

SAMPLE_NODES = 128;
i = 1:SAMPLE_NODES;
x = sin(pi*2*i / SAMPLE_NODES);

subplot(2,2,1); plot(x);title('Inputs');
axis([0 128 -1 1]);

y = fft(x, SAMPLE_NODES);
subplot(2,2,2); plot(abs(y));title('FFT');
axis([0 128 0 80]);

z = ifft(y, SAMPLE_NODES);
subplot(2,2,3); plot(abs(z));title('IFFT');
axis([0 128 0 1]);

（2）使用IFFT验证：输入信号的FFT获得的信号再IFFT，则的到的信号与原信号相同
可能大家发现输入信号上面的最后IFFT的信号似乎不同，这是因为FFT和IFFT存在精度截断误差（也叫数据截断噪声，意思就是说，我们使用的float数据类型数据位数有限，没法完全保留原始信号的信息）。因此，IFFT之后是复数（数据截断噪声引入了虚数域，只不过值很小），所以在绘图时使用了计算幅值的方法，
C代码中：
[cpp] view plaincopyprint?

OUTPUT = sqrt(x.real*x.real + x.img*x.img)*1024;

matlab代码中：

[cpp] view plaincopyprint?

subplot(2,2,3); plot(abs(z));title('IFFT');

所以IFFT的结果将sin函数的负y轴数据翻到了正y轴。另外，在CCS v5的图形中我们将显示信号的幅度放大了1024倍便于观察，而matlab中没有放大。

回复评论（1）

沙发 hong7817

感谢分享, 最近也在搞FFT, 不过偏向用TI 的库

点赞 2017-9-15 19:08

[资料分享] FFT算法的完整DSP实现

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沙发 hong7817

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