FFT的实现方法(偏原理)

本文围绕FFT算法展开学习。FFT分为两步,先将完整时间序列分解成基础两点时间序列,再将两点时间序列转为频域序列并组合成完整频域序列。文中详细介绍了每个步骤的操作方法,还解释了FFT算法比直接求DFT计算量小的原因。

关于FFT的学习

笔者又学习了一次FFT,这次终于算是快学懂了。这里推荐https://www.icourse163.org/learn/NJTU-1001950001?tid=1206005212#/learn/content?type=detail&id=1210380985&cid=1212426022
北京交通大学的《数字信号》MOOC,讲得比我的授课老师好多了…话不多说,直接上干货。

两个步骤

FFT分为两个步骤。第一步:将你拥有的一个完整时间序列分解成很多个最基础的两点时间序列;第二步:将这些两点时间序列变成频域序列,并用得到的两点频域序列组合成为完整的频域序列。下面具体说。

第一个步骤

比如你拥有一个34个采样点的时间序列,那么你需要将这个序列拓展成一个采样点数为2^N的时间序列。通过补零的方式,得到你所需要的序列是:X1,X2,X3,X4,X5……X34,0,0,0……0;要补足30个0,从而使得整个序列的采样点数量达到64。

接着,按照单双数按顺序排列的方法,将这64个采样点分成2组。分别是X0,X2,X4…和
X1,X3,X5…

第二个步骤

在说明第二个步骤之前,我先来推导两个结论;

第一个结论:

两点序列的DFT可以这样算:
在这里插入图片描述
推导:
在这里插入图片描述

第二个结论:

两个长度m的DFT序列可以拼接成为一个长度为2m的DFT序列。
在这里插入图片描述推导:
在这里插入图片描述在这里插入图片描述
有了这两个结论之后,我们就可以干这两件事情:第一:我们可以求解任何一个两采样点的DFT;第二,我们可以将任何两个等长度的频域序列X1、X2合并成为一个长度为其两倍的DFT——X,X1对应的时域序列是X对应的时域序列的奇数采样点,X2对应的时域序列则是偶数。

所以第二个步骤读者应该也想出来了:将你分出的两个序列(X0,X2,X4…和
X1,X3,X5…)再次进行细分,直到分成32个采样点数为2的序列:X0,X2;X4,X6;…X62,X64;X1,X3;…X61,X63;
然后通过结论1求出这32个序列的DFT,得到32个长度为2的频域序列。
接着,通过结论2将这32个序列合并成为16个长度为4的长序列,然后再一次类推,16变32,32变64。最后就得到了最终的64点DFT。
在这里插入图片描述
所以,说到底,FFT的算法本质就是,将64个时域采样点全都先做一次两长度DFT,再不断地合并相加,最后得到答案。

同学们可能回问了,FFT算法也需要先求64次DFT啊,求了DFT后还要相加,好麻烦啊,为什么不直接对原序列求DFT呢?

原因就在于,我们假设计算32个2点序列DFT的计算量为A,计算1个64点序列DFT的计算量为B,后者远远大于前者。即使算上合并的计算量C,A+C也小于B。具体关于计算量的论述,大家可以去看看教材,本篇不做讨论。

<think>我们正在讨论C语言实现FFT算法的问题。用户需要代码示例或方法。根据引用[1],有一个开源项目提供了C语言实现FFT算法,项目地址是:https://gitcode.com/open-source-toolkit/d649d2但是,我们无法直接访问外部链接获取代码。因此,我们可以提供一个简单的C语言FFT实现示例,并解释其基本原理。注意:FFT算法通常使用分治策略,特别是Cooley-Tukey算法,用于计算离散傅里叶变换(DFT)及其逆变换。以下代码示例基于Cooley-Tukey算法实现。由于FFT算法较为复杂,这里我们提供一个基2的FFT递归实现示例。在实际应用中,为了效率,通常会使用迭代版本(非递归)并采用位反转置换等方法。以下是一个简单的递归实现示例(仅供学习):</think>### C语言实现快速傅里叶变换(FFT)示例 快速傅里叶变换(FFT)是高效计算离散傅里叶变换(DFT)的算法,在信号处理领域广泛应用[^1]。以下是一个基于Cooley-Tukey算法的C语言实现示例: ```c #include <stdio.h> #include <math.h> #include <complex.h> #define PI 3.14159265358979323846 // 基2-FFT算法实现 void fft(complex double* x, int N) { if (N <= 1) return; // 奇偶分离 complex double even[N/2]; complex double odd[N/2]; for (int i = 0; i < N/2; i++) { even[i] = x[2*i]; odd[i] = x[2*i+1]; } // 递归计算 fft(even, N/2); fft(odd, N/2); // 合并结果 for (int k = 0; k < N/2; k++) { complex double t = cexp(-2 * PI * I * k / N) * odd[k]; x[k] = even[k] + t; x[k + N/2] = even[k] - t; } } int main() { // 示例输入信号(4个采样点) complex double x[] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0}; int N = sizeof(x)/sizeof(x[0]); // 执行FFT fft(x, N); // 打印结果 printf("FFT结果:\n"); for (int i = 0; i < N; i++) { printf("X[%d] = %.2f + %.2fi\n", i, creal(x[i]), cimag(x[i])); } return 0; } ``` #### 关键说明: 1. **算法基础**:使用Cooley-Tukey分治策略,将DFT分解为较小规模的子问题 2. **递归结构**:通过不断将信号分为奇偶两部分实现$O(N\log N)$复杂度 3. **复数运算**:利用C99的`complex.h`库处理复数运算 4. **旋转因子**:`cexp(-2 * PI * I * k / N)`计算旋转因子$W_N^k = e^{-j2\pi k/N}$ #### 应用场景: - 音频/图像信号处理 - 通信系统中的频谱分析 - 数据压缩(如JPEG/MP3) - 微分方程数值解 开源工具包中提供了更优化的实现,包含位反转优化和并行计算[^1]。
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