快速傅里叶变换(FFT)
快速傅里叶变换FFT
本章主要内容
▪ 引言 ▪ 基2FFT算法 ▪ 进一步降低运算量旳措施
4.1 引言
▪ DFT是信号分析与处理中旳一种主要变换。但直接计算DFT旳 计算量与变换区间长度N旳平方成正比，当N较大时，计算量 太大，直接用DFT算法进行谱分析和信号旳实时处理是不切 实际旳。
▪ 1965年发觉了DFT旳一种迅速算法，使DFT旳运算效率提升1－2 个数量级，为数字信号处理技术应用于多种信号旳实时处理 发明了条件，推动了数字处理技术旳发展。
r 0
x2 ( r )WN2 kr
X (k) x(n)WNkn x(n)WNkn
n
n
X(k) x(n)WNkn x(n)WNkn
n
n
X (k )
x(n)WNkn
x(n)WNkn
N / 21
N / 21
N / 21
N / 21
n
n
x(2r)WN2kr
x(2r 1)WNk(2r1) x(2r)WN2kr x(2r1)WNk(2r1)
4.2 基2FFT算法
2.旋转因子旳变化规律
N点DIT―FFT运算流图中，每个蝶形都要乘以旋转因子WpN，p 称为旋转因子旳指数。N＝8 ＝23 时各级旳旋转因子
第一级：L=1， 有1个旋转因子：WNp =WN/4J =W2LJ J=0 第二级：L=2，有2个旋转因子：WNp =WN/2J =W2LJ J=0,1 第三级：L=3，有4个旋转因子：WNp =WNJ =W2LJ J=0,1,2,3 对于N＝2M 旳一般情况，第L级共有2L-1个不同旳旋转因子：
▪ 1984年，提出了分裂基迅速算法，使运算效率进一步提升；
4.2 基2FFT算法
快速傅里叶变换 FFT
因为
，所以：
上式中X1(k)和X2(k)分别为x2(r)和x2(r)的N/2点DFT， 即
由于X1(k)和X2(k)均以N/2为周期，且 X(k)又可表示为：
，以
即将一个N点的DFT分解成为两个N/2点的DFT。 上述运算可用右下图来表示，称为蝶形运算符号。
从右图可知，要完成一 个蝶形运算需要进行一 次复数相乘和两次复数 相加运算。
对于象雷达、通信、声纳等需要实时处理的信号， 因为其运算量更大，所以无法满足信号处理的实时 性要求。迫切需要有新的算法。
二、DFT运算的特点
实际上，DFT运算中包含有大量的重复运算。在WN
矩阵中，虽然其中有N2个元素，但由于WN的周期
性，其中只有N个独立的值，即
，且
这N个值也有一些对称关系。总之，WN因子具有如 下所述周期性及对称性：
N 1
X (k) x(n)WNkn n0
x(n)
1 N
N 1
X (k)WNkn
k 0
k 0,1,2, , N 1 n 0,1,2, , N 1
计算X(k)的运算量：需要N2次复数乘法，N(N－1)
次复数加法。在N较大时计算量很大。
例如：N＝1024时, 需要1,048,576次复数乘法, 即 4,194,304次实数乘法
1.对称性
2.周期性 由上述特性还可得出：
利用上述对称特性，可使DFT运算中有些项可以合 并，这样，可使乘法次数减少大约一半；利用WN 矩阵的对称性及周期性，可以将长序列的DFT分解 为短序列的DFT，N越小，运算量能够减少。 例如，对于四点的DFT，直接计算需要16次复数乘 法，根据上述特性可以有以下形5年，J. W. Cooley和J. W. Tukey巧妙应用DFT中 W因子的周期性及对称性提出了最早的FFT，这是 基于时间抽取的FFT。具有里程碑式的贡献(运算量 缩短两个数量级)
《快速傅里叶变换》课件
FFT的历史背景
01
1960年代，Cooley和Tukey提 出了基于“分治”思想的FFT 算法，为快速傅里叶变换的实 用化奠定了基础。
02
随后，出现了多种FFT算法的 变种和优化，如Radix-2、 Radix-4等。
03
随着计算机技术的发展，FFT 算法在硬件实现上也得到了广 泛应用，如FPGA、GPU等。
《快速傅里叶变换》ppt课件
contents
目录
• FFT简介 • FFT基本原理 • FFT实现 • FFT的应用 • FFT的优化与改进 • FFT的挑战与未来发展
01 FFT简介
FFT的定义
快速傅里叶变换（FFT）：一种高效计算离散傅里叶变换（DFT）及其逆变换的 算法。它将复杂度为$O(N^2)$的DFT计算降低到$O(Nlog N)$，大大提高了计 算效率。
详细描述
混合基数FFT算法结合了基数-2和基数-4算法的特点，利用两者在计算过程中的 互补性，减少了计算量，提高了计算效率。同时，该算法在处理大规模数据时 ，能够保持较高的精度。
分段FFT算法
总结词
分段FFT算法将输入数据分成若干段，对每一段进行快速傅里叶变换，以降低计算复杂度和提高计算效率。
详细描述
02 FFT基本原理
离散傅里叶变换（DFT）
定义
应用
DFT是时间域信号到频域的变换，通 过计算信号中各个频率成分的幅度和 相位，可以分析信号的频谱特性。
DFT在信号处理、图像处理、频谱分 析等领域有广泛应用。
计算量
DFT的计算量随着信号长度N的增加 而呈平方关系增长，因此对于长信号 ，计算量巨大。
第03章-5 快速傅里叶变换(FFT)
令 得到
上面两式所表示的是N/2的DFT。
在实际计算中，首先形成序列g(n)和h(n)，然后计算h(n)WNn，最后分 别计算g(n) 和h(n)WNn的N/2点DFT，便得到偶数输出点和奇数输出点 的DFT。计算流程图如图3. 24所示。
由于N是2的整数幂，所以N/2仍然是偶数。这样，可以将N/2点DFT 的输出再分为偶数组和奇数组，也就是将N/2点的DFT计算进一步分 解为两个N/4点的DFT计算，其推导过程如下。 将g(n)分为前后两组，得到
图中用n表示自然顺序的标号，用l表示码位倒置的标号。当l=n时， x(n)和x(l)不必互相调换。当l≠n时， 必须将x(l)和x(n)互相调换，但只 能调换一次，为此必须规定每当l>n时，要将x(l)和x(n)相互调换，即 把原来存放x(n)的存储单元中的数据调入存储x(l)的存储单元中，而 把原来存储x(l)的存储单元中的数据调入到存储x(n)的存储单元中。 这样，按自然序输入的数据x(n)经过变址计算后变成了码位倒 置的排列顺序，便可进入第一级的蝶形运算。
3. 5. 3 蝶形、同址和变址计算 1. 蝶形计算 任何一个N为2的整数幂(即N=2M)的DFT，都可以通过M次分解，最 后成为2点的 DFT来计算。M次分解构成了从x(n)到X(k)的M级迭代计 算，每级由N/2个蝶形组成。图3.20表示了蝶形的一般形式表示。 其输入和输出之间满足下列关系：
从上式可以看出完成一个蝶形计 算需一次复数乘法和两次复数加法。 因此，完成N点的时间抽选FFT计 算的总运算量为
大多数情况下复数乘法所花的时间最多，因此下面ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ以复数乘 法的计算次数为例来与直接计算进行比较。 直接计算DFT需要的乘法次数为αD=N2，于是有
[2017年整理]详解FFT（快速傅里叶变换FFT
![[2017年整理]详解FFT（快速傅里叶变换FFT](https://img.taocdn.com/s3/m/ecf1a510e97101f69e3143323968011ca300f79a.png)
knNW NN第四章 快速傅里叶变换有限长序列可以通过离散傅里叶变换(DFT)将其频域也离散化成有限长 序列.但其计算量太大,很难实时地处理问题,因此引出了快速傅里叶变换 (FFT). 1965 年，Cooley 和 Tukey 提出了计算离散傅里叶变换（DFT ）的快 速算法，将 DFT 的运算量减少了几个数量级。
从此，对快速傅里叶变换（FFT ） 算法的研究便不断深入，数字信号处理这门新兴学科也随 FFT 的出现和发 展而迅速发展。
根据对序列分解与选取方法的不同而产生了 FFT 的多种算 法，基本算法是基２DIT 和基２DIF 。
FFT 在离散傅里叶反变换、线性卷积 和线性相关等方面也有重要应用。
快速傅里叶变换（FFT ）是计算离散傅里叶变换（DFT ）的快速算法。
DFT 的定义式为N −1X (k ) = ∑ x (n )W NR N (k )n =0在所有复指数值 W kn 的值全部已算好的情况下，要计算一个 X (k ) 需要 N 次复数乘法和 N －1 次复数加法。
算出全部 N 点 X (k ) 共需 N 2次复数乘法和 N ( N − 1) 次复数加法。
即计算量是与 N 2 成正比的。
FFT 的基本思想：将大点数的 DFT 分解为若干个小点数 DFT 的组合， 从而减少运算量。
W N 因子具有以下两个特性，可使 DFT 运算量尽量分解为小点数的 DFT运算：（1） 周期性：( k + N ) nN= W kn= W ( n + N ) k（2） 对称性：W( k + N / 2 )= −WkN N利用这两个性质，可以使 DFT 运算中有些项合并，以减少乘法次数。
例子： 求当 N ＝4 时，X(2)的值4 N N N3∑44444X (2) = n =0x (n )W 2 n = x (0)W 0 + x (1)W 2 + x (2)W 4 + x (3)W 6= [ x (0) + x (2)]W 0 + [ x (1) + x (3)]W 2(周期性)4＝[ x (0) + x (2)]－[ x (1) + x (3)]W 04(对称性)通过合并，使乘法次数由 4 次减少到 1 次，运算量减少。
快速傅里叶变换FFT及其应用
快速傅里叶变换FFT 及其应用摘要: FFT(Fast Fourier transform)技术是快速傅里叶变换,它是离散傅里叶的快速算法,随着大规模集成器件的问世以及计算机技术的迅速发展,FFT 技术已应用于现代科学技术的各个领域。
本文首先简单介绍了FFT 的原理，还介绍了FFT 在数字图像处理、机床噪声分析、数据采集、现代雷达、机车故障检测记录等领域的应用。
关键词:DFT ；FFT ；应用；1. 快速傅里叶变换FFT 简介1.1离散傅里叶变换(DFT)在信号处理中，DFT 的计算具有举足轻重的地位，信号的相关、滤波、谱估计等等都可通过DFT 来实现。
然而，由DFT 的定义式可以看出，求一个N 点的DFF 要N 2次复数乘法和N(N-1)次负数加法。
当N 很大时，其计算量是相当大。
傅立叶变换是信号分析和处理的重要工具。
离散时间信号*(n)的连续傅立叶变换定义为:式中()j X e ω是一个连续函数，不能直接在计算机上做数字运算。
为了在计算机上实现频谱分析，必须对x(n)的频谱作离散近似。
有限长离散信号x(n), n=0, 1, .......,N-1的离散傅立叶变换(DFT)定义为：式中()exp -2/N ,n=0,1,........N-1N W j π=。
其反变换定义为:将DFT 变换的定义式写成矩阵形式，得到X=Ax 。
其中DFT 的变换矩阵A 为1.2快速傅里叶变换(FFT)快速傅里叶变换(FFT)是1965年J. W. Cooley 和J. W Tukey 巧妙地利用造了DFT 的快速算法，即快速离散傅里叶变换(FFT)。
在以后的几十年中，FFT 算法有了进一步的发展，目前较常用的是基2算法和分裂基算法。
在讨论图像的数学变换时，我们把图像看成具有两个变量x, y 的函数。
首先引入二维连续函数的傅里叶变换，设f(x,y)是两个独立变量x ，y 的函数，且满足()++--,<0f x y dxdy ∞∞∞∞⎰⎰, 则定义:()++-2(ux+vy)--(u,v) = ,j F f x y e dxdy π∞∞∞∞⎰⎰为f(x,Y)的傅立叶变换。
fft 快速傅里叶变换 (fast fourier transform)
FFT 快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform) 是一种用于快速计算傅里叶变换的算法，是在傅里叶变换的基础上发展而来的。
FFT 算法被广泛应用于数字信号处理、图像处理、声音处理、卷积操作、解析几何等领域，它的高效性和实时性使得它成为了当今计算机科学领域不可或缺的一部分。
一、傅里叶变换简介傅里叶变换是将一个时域信号转换为频域信号的过程，其公式如下：$F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}dt$其中，$f(t)$ 表示时域信号，$F(\omega)$ 表示频域信号，$\omega$ 表示角频率。
傅里叶变换可以分为连续傅里叶变换和离散傅里叶变换两种。
连续傅里叶变换仅适用于连续信号，而离散傅里叶变换适用于离散信号。
二、离散傅里叶变换离散傅里叶变换是一种将离散信号变换为频域信号的方法，其公式如下：$X_k=\sum_{n=0}^{N-1}x_n e^{-\frac{2\pi i}{N}kn},k=0,1,...,N-1$其中，$x_n(n=0,1,...,N-1)$ 表示原始离散信号，$X_k(k=0,1,...,N-1)$ 表示变换后的频域信号。
但是，使用该公式直接计算离散傅里叶变换的时间复杂度为$O(N^2)$，计算效率低下。
三、FFT 快速傅里叶变换FFT 快速傅里叶变换是一种基于DFT 离散傅里叶变换的高效算法，它的时间复杂度可以达到$O(NlogN)$，较之直接计算DFT 的时间复杂度要低得多。
FFT 算法的基本思想是将 DFT 分治成多个较小的 DFT，并利用其重复性降低运算次数。
1.蝴蝶运算蝴蝶运算是 FFT 算法的基本运算，通过它可以将 DFT 的计算复杂度降低为 $O(N)$。
蝴蝶运算的实质是将两个相邻点之间的信号进行乘法和加法运算，其公式如下：$X_k=X_{k1}+W_{N}^kX_{k2},X_{k+N/2}=X_{k1}-W_{N}^kX_{k2}$其中，$X_{k1}$ 表示 $X_k$ 中偶数项，$X_{k2}$ 表示 $X_k$ 中奇数项，$W_N$ 是DFT 的核函数。
【知识总结】快速傅里叶变换（FFT）
【知识总结】快速傅⾥叶变换（FFT ）这可能是我第五次学FFT 了……菜哭qwq 先给出⼀些个⼈认为⾮常优秀的参考资料：快速傅⾥叶变换（FFT ）⽤于计算两个n 次多项式相乘，能把复杂度从朴素的O (n 2)优化到O (nlog 2n )。
⼀个常见的应⽤是计算⼤整数相乘。
本⽂中所有多项式默认x 为变量，其他字母均为常数。
所有⾓均为弧度制。
⼀、多项式的两种表⽰⽅法我们平时常⽤的表⽰⽅法称为“系数表⽰法”，即A (x )=n∑i =0a i x i上⾯那个式⼦也可以看作⼀个以x 为⾃变量的n 次函数。
⽤n +1个点可以确定⼀个n 次函数（⾃⾏脑补初中学习的⼆次函数）。
所以，给定n +1组x 和对应的A (x )，就可以求出原多项式。
⽤n +1个点表⽰⼀个n 次多项式的⽅式称为“点值表⽰法”。
在“点值表⽰法”中，两个多项式相乘是O (n )的。
因为对于同⼀个x ，把它代⼊A 和B 求值的结果之积就是把它带⼊多项式A ×B 求值的结果（这是多项式乘法的意义）。
所以把点值表⽰法下的两个多项式的n +1个点的值相乘即可求出两多项式之积的点值表⽰。
线性复杂度点值表⽰好哇好但是，把系数表⽰法转换成点值表⽰法需要对n +1个点求值，⽽每次求值是O (n )的，所以复杂度是O (n 2)。
把点值表⽰法转换成系数表⽰法据说也是O (n 2)的（然⽽我只会O (n 3)的⾼斯消元qwq ）。
所以暴⼒取点然后算还不如直接朴素算法相乘……但是有⼀种神奇的算法，通过取⼀些具有特殊性质的点可以把复杂度降到O (nlog 2n )。
⼆、单位根从现在开始，所有n 都默认是2的⾮负整数次幂，多项式次数为n −1。
应⽤时如果多项式次数不是2的⾮负整数次幂减1，可以加系数为0的项补齐。
先看⼀些预备知识：复数a +bi 可以看作平⾯直⾓坐标系上的点(a ,b )。
这个点到原点的距离称为模长，即√a 2+b 2；原点与(a ,b )所连的直线与实轴正半轴的夹⾓称为辐⾓，即sin −1ba 。
快速傅立叶变换(fft)
快速傅立叶变换(fft)快速傅里叶变换(FFT)是一种广泛应用于信号处理、图像处理、音频处理、科学数据处理等领域的数学算法。
它可以将时域信号（即时序信号）转换成频域信号，便于对信号进行分析和处理，以便更好地理解和应用信号的特征。
FFT算法的提出的历史非常悠久。
早在1809年，法国数学家Poisson和Laplace就提出了一些有关傅里叶级数的理论。
1965年，J.W. Cooley和J.W. Tukey等人发布了经典的Cooley-Tukey FFT算法，从而大幅提升了FFT的效率，使其利于实际应用。
FFT的原理是将一个离散的、周期性的时域信号，通过离散傅里叶变换（DFT，或称为“离散频谱分析”）、快速卷积公式等方法，转换成一个频域的信息序列，包含了原信号在复平面上的所有幅度、相位信息。
通过FFT转换后的频域信息，可以较容易地对信号进行频谱分析、滤波、变换和还原等处理过程。
FFT算法具有众多的优势。
首先，FFT算法可以将时间复杂度从O(N*N)大幅降低为O(N log N)，大大提高了数据处理的速度。
其次，FFT算法在数字信号处理领域中拥有广泛的应用，如用于信号重构、信号滤波、降噪、音频处理等等。
此外，由于FFT所得到的频域信号表达了各个频率波形的信息，因此可以在多个领域中运用，例如图像的快速变换、高质量视频文件传输等等。
不过，FFT算法也存在不少的局限性，其中最常见的就是其对时间步骤的依赖，并且对于非周期信号的处理效果可能不够理想。
此外，FFT算法对于像素点的数量是有要求的，不能过少或过多，过少的话会导致数据量太少，过多的话会导致计算机内存爆炸，计算时间也会变得非常长。
综上所述，虽然FFT算法存在着一定的局限性，但是其作为一种广泛应用于信号处理、图像处理、音频处理、科学数据处理等领域的数学算法，其高速、准确、可靠等优点，还是使其得到了广泛的应用。
如果在使用FFT算法时能充分了解其原理和应用场景，遵循其设计规范，就可以更好地发挥出其优势，提高数据处理的效率，为人们生产生活带来更多便利。
快速傅里叶变换
第四章 快速傅里叶变换（FFT ）快速傅里叶变换并不是一种新的变换，而是离散傅里叶变换的一种快速算法。
DFT 的计算在数字信号处理中非常有用，但是由于DFT 的计算量较大，即使采用计算机也很难对问题进行实时处理，通过引入其快速算法FFT ，使DFT 的计算大大简化，运算时间一般可缩短一、二个数量级。
4.1 FFT 算法的基本思想一、直接计算DFT 的问题设)(n x 为N 点有限长序列，其DFT 为：10)()]([)(10-≤≤==∑-=N k W n x n x DFT k X N n knNIDFT 为：10)(1)]([)(10-≤≤==∑-=-N n W k X N k X IDFT n x N k knN二式的差别仅在于N W 的指数符号不同，以及相差一个常数因子N /1，所以，我们只对DFT 正变换的算法进行讨论。
将)(k X 可以展开如下：)1()2()1()0()1()1()2()1()0()2()1()2()1()0()1()1()2()1()0()0()1)(1()2)(1()1)(1()0)(1()1(2)2(2)1(2)0(2)1(1)2(1)1(1)0(1)1(0)2(0)1(0)0(0-++++=--++++=-++++=-++++=--------N x W x W x W x W N X N x W x W x W x W X N x W x W x W x W X N x W x W x W x W X N N NN N N NN NN NNNNN NNNN N N N N N一般来说，)(n x 和knN W 都是复数，因此，完成每一个频率分量的计算需要作N 次复数乘法和1-N 次复数加法，完成)(k X 的N 个频率分量的计算需要作2N 次复数乘法和)1(-N N 次复数加法。
我们知道，复数运算实际上是由实数运算来完成的。
一次复数乘法包括四次实数乘法和二次实数加法，即：)()())((ad bc j bd ac jd c jb a ++-=++一次复数加法包括二次实数加法，即：)()()()(d b j c a jd c jb a +++=+++因此，完成一个)(k X 需要N 4次实数乘法和)12(2)1(22-=-+N N N 次实数加法，整个DFT （N 点)(k X ）运算需要24N 次实数乘法和)12(2-N N 次实数加法。
快速付里叶变换FFTFastFourietTransformer
其中：
N / 21
N / 21
X1(k)
x1(r)WNrk/ 2
x(2r)WNrk/ 2
r 0
r 0
N / 21
N / 21
X
2
(k
)
r 0
x2 (r)WNrk/ 2
x(2r 1)WNrk/ 2
r 0
k 0,, N / 2 1
4.结论1
• 一种N点旳DFT被分解为两个N/2点DFT。 X1(k),X2(k)这两个N/2点旳DFT按照：
二、FFT产生故事
当初加文(Garwin)在自已旳研究中极需要一种计算 付里叶变换旳迅速措施。他注意到图基(J.W.Turkey)正 在写有关付里叶变换旳文章，所以详细问询了图基有 关计算付里叶变换旳技术知识。图基概括地对加文简 介了一种措施，它实质上就是后来旳著名旳库利 (Cooley J.W)图基算法。在加文旳迫切要求下，库利不 久设计出一种计算机程序。1965年库利--图基在<计算 数学>、Mathematic of Computation 杂志上刊登了著名 旳“机器计算付里级数旳一种算法”文章，提出一种 迅速计算DFT旳措施和计算机程序--揭开了FFT发展史 上旳第一页，促使FFT算法产生原因还有1967年至1968 年间FFT旳数字硬件制成，电子数字计算机旳条件， 使DFT旳运算大简化了。
x(n)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
n
二、算法环节
1.分组，变量置换 N 1
DFT变换： X (k) x(n)WNkn k 0,, N 1 n0
先将x(n)按n旳奇偶分为两 组，作变量置换:
当n=偶数时，令n=2r;
快速傅里叶变换（FFT）详解
⽂中内容均为个⼈理解，如有错误请指出，不胜感激前⾔先解释⼏个⽐较容易混淆的缩写吧FMT 快速莫⽐乌斯变化—>感谢stump提供多项式复数在介绍复数之前，⾸先介绍⼀些可能会⽤到的东西(好像画的不是很标准。
)设$a,b$为实数，$i^2=-1$，形如$a+bi$的数叫复数，其中$i$被称为虚数单位，复数域是⽬前已知最⼤的域在复平⾯中，$x$代表实数，$y$轴（除原点外的点）代表虚数，从原点$(0,0)$到$(a,b)$的向量表⽰复数$a+bi$模长：从原点$(0,0)$到点$(a,b)$的距离，即$\sqrt{a^2+b^2}$幅⾓：假设以逆时针为正⽅向，从$x$轴正半轴到已知向量的转⾓的有向⾓叫做幅⾓运算法则加法：因为在复平⾯中，复数可以被表⽰为向量，因此复数的加法与向量的加法相同，都满⾜平⾏四边形定则（就是上⾯那个）乘法：⼏何定义：复数相乘，模长相乘，幅⾓相加代数定义：$$(a+bi)*(c+di)$$$$=ac+adi+bci+bdi^2$$$$=ac+adi+bci-bd$$$$=(ac-bd)+(bc+ad)i$$单位根下⽂中，默认$n$为$2$的正整数次幂在复平⾯上，以原点为圆⼼，$1$为半径作圆，所得的圆叫单位圆。
以圆点为起点，圆的$n$等分点为终点，做$n$个向量，设幅⾓为正且最⼩的向量对应的复数为$\omega_n$，称为$n$次单位根。
根据复数乘法的运算法则，其余$n-1$个复数为$\omega_n^2,\omega_n^3,\ldots,\omega_n^n$注意$\omega_n^0=\omega_n^n=1$（对应复平⾯上以$x$轴为正⽅向的向量）那么如何计算它们的值呢？这个问题可以由欧拉公式解决$$\omega_{n}^{k}=\cos\ k *\frac{2\pi}{n}+i\sin k*\frac{2\pi}{n}$$例如图中向量$AB$表⽰的复数为$8$次单位根单位根的幅⾓为周⾓的$\frac{1}{n}$在代数中，若$z^n=1$，我们把$z$称为$n$次单位根单位根的性质$\omega _{n}^{k}=\cos k\dfrac{2\pi}{n}+i\sin k\dfrac {2\pi }{n}$（即上⾯的公式）$\omega _{2n}^{2k}=\omega _{n}^{k}$证明：$$\omega _{2n}^{2k}=\cos 2k*\frac{2\pi}{2n}+i\sin2k*\frac{2\pi}{2n}$$$$=\omega _{n}^{k}$$$\omega _{n}^{k+\frac{n}{2}}=-\omega _{n}^{k}$$$\omega _{n}^{\frac{n}{2}}=\cos\frac{n}{2}*\frac{2\pi}{n}+i\sin\frac{n}{2}*\frac{2\pi}{n}$$$$=\cos \pi+i\sin\pi$$$$=-1$$$\omega _{n}^{0}=\omega _{n}^{n}=1$讲了这么多，貌似跟我们的正题没啥关系啊。
实验四 快速傅里叶变换 FFT
实验四 快速傅里叶变换（FFT ）4.1实验目的1）加深对快速傅里叶变换（FFT ）基本理论的理解；2）了解使用快速傅里叶变换（FFT ）计算有限长序列和无限长序列信号频谱的方法；3）掌握用MATLAB 语言进行快速傅里叶变换时常用的子函数。
4.2实验原理1）用MATLAB 提供的子函数进行快速傅里叶变换从理论学习可知，DFT 是唯一在时域和频域均为离散序列的变换方法，它适用于有限长序列。
尽管这种变换方法是可以用于数值计算的，但如果只是简单的按照定义进行数据处理，当序列长度很大时，则将占用很大的内存空间，运算时间将很长。
快速傅里叶变换是用于DFT 运算的高效运算方法的统称，FFT 只是其中的一种。
FFT 主要有时域抽取算法和频域抽取算法，基本思想是将一个长度为N 的序列分解成多个短序列，如基2算法、基4算法等，大大缩短了运算的时间。
MATLAB 中提供了进行快速傅里叶变换（FFT ）的子函数，用fft 计算DFT ，用ifft 计算IDFT 。
2）用FFT 计算有限长序列的频谱基本概念：一个序号从1n 到2n 的时域有限长序列()x n ，它的频谱()j X e ω定义为它的离散时间傅里叶变换，且在奈奎斯特（Nyquist ）频率范围内有界并连续。
序列的长度为N ，则211N n n =−+。
计算()x n 的离散傅里叶变换（DFT ）得到的是()j X e ω的N 个样本点()k j X e ω。
其中数字频率为k 2πω()d ωk k N== 式中：d ω为数字频率的分辨率；k 取对应－(N －1)/2到(N －1)/2区间的整数。
在实际使用中，往往要求计算出信号以模拟频率为横坐标的频谱，此时对应的模拟频率为s s 2π2πΩω/T ()()T k k k k kD N L==== 式中：D 为模拟频率的分辨率或频率间隔；T s 为采样信号的周期，Ts ＝1/Fs ；定义信号时域长度L ＝N T s 。
第03章-5快速傅里叶变换(FFT)PPT课件
(3.68)
(3.69)
(3.70) 这样，用式(3.67)～(3.70)4个公式就可计算图3.15中的两组N/2点 DFT。图3.16所示的是其中一组G(k)的计算。
将图3.16与图3.15所示的信号流程图合并，便得到图3.17所示的信 号流程图。
因为N=8，所以上图中N/4点的DFT就是2点的DFT，不能再分解了。
前面两种算法特别适用于N等于2的幂的情况。 对于N为合数的情况，本章也将介绍两种处理方法。
3. 5. 2 时间抽选基2FFT算法(库里—图基算法) 这种算法简称为时间抽选FFT算法，其基本出发点是，利用旋 转因子WNk的对称性和周期性，将一个大的DFT分解成一些逐次 变小的DFT来计算。 分解过程遵循两条规则：
大多数情况下复数乘法所花的时间最多，因此下面仅以复数乘 法的计算次数为例来与直接计算进行比较。
直接计算DFT需要的乘法次数为αD=N2，于是有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
例如，当N=1024时，则：
205，即直接计算DFT所需复数乘法
次数约为FFT的205倍。显然，N越大，FFT的速度优势越大。
在导出FFT算法之前，首先来估计一下直接计算DFT所需的计算量。 DFT的定义
其中
将DFT定义式展开成方程组 将方程组写成矩阵形式 用向量表示
用复数表示：
从矩阵形式表示可以看出，由于计算一个X(k)值需要N次复乘法和 (N-1)次复数加法，因而计算N个X(k)值，共需N2次复乘法和N(N-1)次 复加法。每次复乘法包括4次实数乘法和2次实数加法，每次复加 法包括2次实数加法，因此计算N点的DFT共需要4N2次实数乘法和 (2N2+2N·(N-1))次实数加法。当N很大时，这是一个非常大的计算量。
快速傅里叶变换fft变换
快速傅里叶变换FFT的C语言算法彻底研究LED音乐频谱显示的核心算法就是快速傅里叶变换，FFT的理解和编程还是比较难的，特地撰写此文分享一下研究成果。
一、彻底理解傅里叶变换快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform)是离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT，通过FFT可以将一个信号从时域变换到频域。
模拟信号经过A/D转换变为数字信号的过程称为采样。
为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成分的2倍，这称之为采样定理。
假设采样频率为fs，采样点数为N，那么FFT结果就是一个N点的复数，每一个点就对应着一个频率点，某一点n(n 从1开始)表示的频率为：fn=(n-1)*fs/N。
举例说明：用1kHz的采样频率采样128点，则FFT结果的128个数据即对应的频率点分别是0，1k/128，2k/128，3k/128，…，127k/128 Hz。
这个频率点的幅值为：该点复数的模值除以N/2（n=1时是直流分量，其幅值是该点的模值除以N）。
二、傅里叶变换的C语言编程1、对于快速傅里叶变换FFT，第一个要解决的问题就是码位倒序。
假设一个N 点的输入序列，那么它的序号二进制数位数就是t=log2N.码位倒序要解决两个问题：①将t位二进制数倒序；②将倒序后的两个存储单元进行交换。
如果输入序列的自然顺序号i用二进制数表示，例如若最大序号为15，即用4位就可表示n3n2n1n0，则其倒序后j对应的二进制数就是n0n1n2n3，那么怎样才能实现倒序呢？利用C语言的移位功能！程序如下，我不多说，看不懂者智商一定在180以下！复数类型定义及其运算#define N 64 //64点#define log2N 6 //log2N=6/*复数类型*/typedef struct{float real;float img;}complex;complex xdata x[N]; //输入序列/*复数加法*/complex add(complex a,complex b){complex c;c.real=a.real+b.real;c.img=a.img+b.img;return c;}/*复数减法*/complex sub(complex a,complex b){complex c;c.real=a.real-b.real;c.img=a.img-b.img;return c;}/*复数乘法*/complex mul(complex a,complex b){complex c;c.real=a.real*b.real - a.img*b.img;c.img=a.real*b.img + a.img*b.real;return c;}/***码位倒序函数***/void Reverse(void){unsigned int i,j,k;unsigned int t;complex temp;//临时交换变量for(i=0;i<N;i++)//从第0个序号到第N-1个序号{k=i;//当前第i个序号j=0;//存储倒序后的序号，先初始化为0for(t=0;t<log2N;t++)//共移位t次，其中log2N是事先宏定义算好的{j<<=1;j|=(k&1);//j左移一位然后加上k的最低位k>>=1;//k右移一位，次低位变为最低位}if(j>i)//如果倒序后大于原序数，就将两个存储单元进行交换（判断j>i是为了防止重复交换）{temp=x[i];x[i]=x[j];x[j]=temp;}}}2、第二个要解决的问题就是蝶形运算①第1级（第1列）每个蝶形的两节点“距离”为1，第2级每个蝶形的两节点“距离”为2，第3级每个蝶形的两节点“距离”为4，第4级每个蝶形的两节点“距离”为8。
快速傅里叶变换fft mathmatica
快速傅里叶变换（FFT）是一种非常重要的数学工具，它在信号处理、图像处理、计算机视觉等领域有着广泛的应用。
快速傅里叶变换算法的发明有利于对信号频谱的快速计算，从而加快了信号处理的速度。
在本文中，我们将从多个角度来探讨快速傅里叶变换，并深入理解它的原理和应用。
1. 什么是傅里叶变换？傅里叶变换是一种数学工具，它可以将一个函数从时间或空间域转换到频率域。
通过傅里叶变换，我们可以将一个信号拆分成不同频率的成分，从而更好地理解信号的特性。
在信号处理领域，傅里叶变换被广泛应用于声音、图像等数据的分析和处理中。
2. 快速傅里叶变换的原理快速傅里叶变换是一种高效的傅里叶变换算法，它可以在对数时间内完成信号频谱的计算。
其原理是基于分治法和递归思想的，通过将信号分解成子问题，并利用对称性质和周期性质，从而快速计算出频谱信息。
快速傅里叶变换算法的发明极大地加速了信号处理的速度，使得实时处理成为可能。
3. 快速傅里叶变换的应用快速傅里叶变换在信号处理、图像处理、通信等领域有着广泛的应用。
在音频处理中，通过快速傅里叶变换，我们可以快速计算出音频信号的频谱信息，从而进行音频分析、音频合成等操作。
在图像处理中，快速傅里叶变换可以用于图像的频域滤波、图像压缩等操作。
在通信领域，快速傅里叶变换也被应用于调制解调、信道估计等方面。
4. 我对快速傅里叶变换的个人观点和理解作为一种重要的数学工具，快速傅里叶变换在现代科学技术中扮演着不可或缺的角色。
它的高效性和广泛应用性使得它成为了信号处理领域中的核心算法之一。
虽然快速傅里叶变换算法本身较为复杂，但通过对其原理和应用的深入理解，我们可以更好地利用这一工具，为实际问题提供更好的解决方案。
总结在本文中，我们对快速傅里叶变换进行了全面的探讨，从傅里叶变换的基本概念到快速傅里叶变换算法的原理和应用，希望读者能更全面、深刻和灵活地理解这一重要的数学工具。
通过对快速傅里叶变换的研究，我们可以更好地处理和分析信号数据，为实际问题的解决提供更好的方法和工具。
快速傅里叶变换法(FFT)
FFT 程序设计报告快速傅里叶变换法（FFT ）是离散傅立叶变换的一种快速计算方法，它能使N 点DFT 的乘法计算量由N 2次降为N N2log 2次。
下图是采样点数为8点FFT 时间抽取算法信号流图，本程序也是以这种形式设计的。
程序设计的基本思路是在程序开始时刻要求输入采样点数，如果采样点数是2的整数次方（不包括0次方），则要求输入采样点的数值，并根据采样点数分配响应的数组大小，计算迭代次数。
然后对采样点进行逆二进制排序，再按上图所示的算法进行计算，程序流程图如下图所示：本程序运用VC 语言对程序进行设计，下面分别对程序设计中复数类的应用，判断和求迭代次数，逆二进制排序，蝶形运算进行具体说明。
1． 复数类的应用C 语言本身并不包含复数数据类型，但C 语言可以根据需要定义自己的数据类型，本程序定义了一个复数结构体complex ，包括实部real 和虚部img 两部分，代码如下： typedef struct { double real; double img; }complex;在FFT 程序设计中，复数类主要被用来计算两复数的加法和乘法以及旋转因子Wk N，其中Nj NW/2π-=，式中N=2的m+1次方，m 代表计算流图的第m 级，而k 代表第k 次蝶形运算，由于C 中的math.h 函数库中没有带参数的复数运算函数，所以本程序编写了带参数的复数运算cw(double x,double y)，用于计算Nj NW/2π-=，设计的基本思路，首先把e 的次幂用欧拉公式化成三角函数，然后化复数乘法和除法运算为几个复数基本单元的加法运算和除法运算，其中运算的次数由函数输入参量double x 决定。
函数mul(complex x1, complex x2)用于计算复数的乘运算。
2． 判断和求迭代次数本程序编写iternumb(int numb)函数对采样点数进行判断，如果采样点数不符合2的整数次方或采样点数为1或0，则跳出程序，程序设计基本思路是对输入采样点数的十进制形式进行模2运算和除法运算，在除法运算结果大于1之前，一旦模2运算的结果等于1，则说明输入采样点数不符合要求，而如果符合要求，则把出发结果存入数组当中，函数代码如下：int iternumb(int numb) {int iternumb1=0;if((numb==0)||(numb==1)) {printf("numb error!\n"); exit(0); }while ((numb!=0)&&(numb!=1)) {if (numb%2) {printf("numb error!\n"); exit(0); }numb=numb/2;iternumb1=iternumb1+1; }return iternumb1; }3． 码位倒置在逆二进制排序程序中，设置for 循环分别将输入数据数组input[i]的索引号i 进行模2运算，所得的结果按逆序存入inverse[ ]数组（存入inverse[ ]数组的顺序是从数组尾部开始）。
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4.2 基2FFT算法
直接计算DFT DFT的特点及减少运算量的基本途径 4.2.1 直接计算DFT的特点及减少运算量的基本途径 1.直接计算DFT 1.直接计算DFT 直接计算 长度为N的有限长序列x(n)的DFT为 长度为N的有限长序列x(n)的DFT为： x(n) 考虑x(n)为复数序列 考虑x(n)为复数序列 x(n) 的一般情况， 的一般情况，对某一 个k值，直接按上式 计算X(k)值需要N次 计算X(k)值需要N X(k)值需要 复数乘法、(N-1)次复 复数乘法、(N-1)次复 数加法。 数加法。
r=0 n=r=0
∑
x(2r)W2kr + N
r=0
N /2−1
r=0 n= r=0
∑
x(2r +1)Wk(2r+1) N
r=0
Wx(2reW2kr N= e WN = WN kr =r) 1 Wk(2r 1) 2kr e 2 / 2 = = ∑ x(2r)W r) +W x (r)W ( + N) + ∑ ∑ = x∑ )+W ∑∑ x 1(r x (
k N
4.2 基2FFT算法
(3)第二次分解： 第二次分解： (r)按 取奇、偶可分解成2个长度为N/ N/4 将x1(r)按r取奇、偶可分解成2个长度为N/4的子序列 l)、 x3(l)= x1(2l)、 l=0,1,…，N/4-1； (2l+1)， x4(l) = x1(2l+1)， (k)， k=0,1,…,N/2 ,N/2根据上面推导可得： 根据上面推导可得：X1 (k)= X3(k)+ WN/2k⋅X4(k)， k=0,1, ,N/2-1 X1 (k)=X3(k)+WN/2k⋅X4(k)， k=0,1,…,N/4-1； X1 (k+N/2)=X3(k)−WN/2k⋅X4(k)， k=0,1,…,N/4-1； (r)按 取奇、偶可分解成2个长N/4 N/4的子序列 将x2(r)按r取奇、偶可分解成2个长N/4的子序列 l=0,1,…， x5(l)= x2(2l) ， l=0,1, ，N/4 x6(l) = x2(2l+1) ； 同理得 X2(k) = X5(k)+ WN/2k⋅X6(k)， k=0,1,…,N/4-1 ； X2(k+N/2) = X5(k)− WN/2k⋅X6(k), k=0,1,…,N/4-1；
第4章 快速傅里叶变换(FFT)
本章主要内容
引言 基2FFT算法 2FFT算法 进一步减少运算量的措施
4.1 引言
DFT是信号分析与处理中的一种重要变换。但直接计算DFT的 DFT是信号分析与处理中的一种重要变换。 直接计算DFT的 是信号分析与处理中的一种重要变换 DFT 较大时， 计算量与变换区间长度N的平方成正比， 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，直接用DFT DFT算法进行谱分析和信号的实时处理是不切 太大 ， 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。 实际的。 的一种快速算法， 1965年发现了DFT的一种快速算法，使DFT的运算效率提高1－2 个数量级， 个数量级 ，为数字信号处理技术应用于各种信号的实时处理 创造了条件，推动了数字处理技术的发展。 创造了条件，推动了数字处理技术的发展。 1984年 提出了分裂基快速算法，使运算效率进一步提高； 1984年，提出了分裂基快速算法，使运算效率进一步提高； 分裂基快速算法
4.2 基2FFT算法
(2)用N/2点 (k)和 (k)表示序列x(n)的 表示序列x(n) (2)用N/2点X1(k)和X2(k)表示序列x(n)的N点DFT X(k)
kn kn X ( k ) = ∑ x ( n )WN + ∑ x ( n )WN n = 偶数 n= n = 奇数 n=
=
N /2−1
完成一个蝶形运算需要 一次复数乘和两次复数 加法运算， 加法运算，经过一次分 解后， 解后，共需要复数乘和 复数加的次数为 2(N/2)2+N/2和N2/2
对上式的运算用下图所示的流图符号来表示 对上式的运算用下图所示的流图符号来表示 流图符号
X1(k) X2(k) WNk X1(k)+ WNk⋅X2(k) X1(k)−WNk⋅X2(k)
m = −WN
不断地把长序列的DFT分解成几个短序列的DFT， 分解成几个短序列 不断地把长序列的DFT分解成几个短序列的DFT，并利用旋转 长序列 因子的周期性和对称性来减少DFT的运算次数。 因子的周期性和对称性来减少DFT的运算次数。 周期性 来减少DFT的运算次数
4.2 基2FFT算法
时域抽取法基2FFT基本原理 4.2.2 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(简称DIT FFT)和 FFT(简称DITFFT算法基本上分为两大类：时域抽取法FFT(简称DIT-FFT)和 算法基本上分为两大类 频域抽取法FFT(简称DIF―FFT)。 频域抽取法FFT(简称DIF―FFT)。 FFT(简称DIF 1、时域抽取法FFT的算法思想： 时域抽取法FFT的算法思想： FFT的算法思想 将序列x(n)按 n 为奇 、 偶数分为 x1(n) 、 x2(n) 两组序列 ； 用 2 两组序列； 将序列 x(n)按 为奇、偶数分为x (n)、 (n)两组序列 x(n)
N/2 的计算。 个N/2点DFT来完成一个N点DFT的计算。
设序列x(n)的长度为N 且满足： 设序列x(n)的长度为N，且满足： N = 2M , x(n)的长度为 的奇偶把x(n) x(n)分解为两个 (1) 按n的奇偶把x(n)分解为两个N/2点的子序列
M 为自然数
｛
x1(r) = x(2r), r = 0,1 ⋅⋅⋅ N−1 , x (r) = x(2r +1), r = 0,1 ⋅⋅⋅ −1 , x2(r) = x(2r +1), r = 0,1 ⋅⋅⋅ 2 −1 ,
m =周期性： WNlN = e WN +lN e WN m =m 周期性：
e
e e =
[W W
N Nm m∗ ∗ −− NN
= WN em
] == W W
mm NN
m WN
对称性：W == W 对称性： W W 3、FFT算法思想 FFT算法思想
− mm − NN
N Nm m −− NN
WN
m+
N 2
X (0) X (1) X (2) X (3) X (4) X (5) X (6) X (7)
N/2 点DFT
N=8点的DIT-2FFT(时域抽取图)一次分解图
｛
N X(k) = X1(k) +W X2(k) k = 0,1 ⋅⋅⋅ −1 , 2 N N k X(k + ) = X1(k) −W X2(k) k = 0,1 ⋅⋅⋅ −1 , N 2 2
1
X1(0) X1(1) X1(2) X1(3) X2(0) X2(1) X2(2) X2(3) WN 0 WN1 WN2 WN3
X (0) X (1) X (2) X (3) X (4) X (5) X (6) X (7)
N=8点DFT的二次时域抽取分解图
X1 (k)=X3(k)+WN/2k⋅X4(k) X1 (k+N/2)=X3(k)−WN/2k⋅X4(k) X2(k) = X5(k)+ WN/2k⋅X6(k) X2(k+N/2) = X5(k)− WN/2k⋅X6(k)
k=0,1,…,N/4-1 ；
4.2 基2FFT算法
再次分解，对N=8点，可分解三次。
x(0) x(4) x(2) x(6) x(1) x(5) x(3) x(7) WN0 WN0 WN0 WN0 X3(0) X3(1) X4(0) X4(1) X5(0) X5(1) X6(0) X6(1) WN/20 WN/21 WN/20 WN/2
X(k) = ∑ x(n)Wkn, k = 0,1,⋅⋅⋅, N −1 N
n=0
N−1
2、减少运算量的思路和方法
思路：N 点 DFT的复乘次数等于N2 。 把 N 点 DFT分解为几个 思路 ： DFT的复乘次数等于N DFT分解为几个 的复乘次数等于
较短的DFT， 可使乘法次数大大减少。另外，旋转因子W 较短的 DFT， 可使乘法次数大大减少 。 另外 ， 旋转因子 WmN DFT 具有周期性和对称性。 具有周期性和对称性。
图：蝶形运算符号
4.2 基2FFT算法
A
A ＋ BC
B
C
A － BC
蝶形运算符号
4.2 基2FFT算法
x(0) x(2) x(4) x(6) x(1) x(3) x(5) x(7)
N/2 点DFT
X1(0) X1(1) X1(2) X1(3) X2(0) X2(1) X2(2) X2(3) WN0 WN1 WN2 WN3
4.2 基2FFT算法
x(0) x(4) x(2) x(6) x(1) x(5) x(3) x(7) X3(0) N/4 点 X3(1) DFT X4(0) N/4 点 0 X4(1) WN/2 DFT WN/2 X5(0) 1 N/4 点 X5(1) DFT X6(0) N/4 点 WN/20 X6(1) DFT WN/2
｛
X(k) = X1(k) +Wk X2(k) k = 0,1 ⋅⋅⋅ −1这样将N点DFT分 , 这样将N DFT分 N N 解为两个N/2 N/2点的 X(k) = X (k) +W X (k) k = 0,1 ⋅⋅⋅ −1 解为两个N/2点的 , 2 N DFT N k X(k + ) = X1(k) −W X2(k) k = 0,1 ⋅⋅⋅ −1 , N 2 2
4.2 基2FFT算法 方法： 方法：