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
FFT-快速傅里叶变换
p=6.283185306/n;
pr[1]=cos(p);
pi[1]=-sin(p);
if (l)
pi[1]=-pi[1];
for(i=2;i<=n-1;i++){
p=pr[i-1]*pr[1];
q=pi[i-1]*pi[1];
s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);
注：亲测，这个版本无法运行，作者删改了重要内容[1] 请参考源码（2）
//快速傅立叶变换
// 入口参数：
// l: l=0, 傅立叶变换;l=1, 逆傅立叶变换
// il: il=0,不计算傅立叶变换或逆变换模和幅角；il=1,计算模和幅角
// n: 输入的点数，为偶数，一般为32，64，128，...,1024等
wi = wi*wpr + wtemp*wpi + wi;
}
mmax = istep;
}
}
在C++环境下的源码
bool FFT(complex<double> * TD, complex<double> * FD, int r)
{
//一维快速Fourier变换。
//complex<double> * TD ——指向时域数组的指针; complex<double> * FD ——指向频域数组的指针; r ——2的幂数，即迭代次数
// fr[]: l=0, 返回傅立叶变换的实部
// l=1, 返回逆傅立叶变换的实部
// fi[]: l=0, 返回傅立叶变换的虚部
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)
快速傅里叶变换作用
快速傅里叶变换作用
快速傅里叶变换（FFT）是一种重要的数学工具，它被广泛应用于信号处理、图像处理、通信等领域。
FFT可以将一个信号从时域转换到频域，并且可以在计算效率上有大幅度的
提升，因此被称为“快速”。
FFT的作用可以用以下几个方面来描述：
1. 信号频域分析
FFT可以将一个信号从时域转换到频域，得到信号的频谱图。
在频谱图上，可以直观
地观察信号中不同频率成分的大小和性质。
因此，在信号处理领域，FFT被广泛应用于信
号的频域分析。
例如，在音频信号处理中，可以通过FFT找到音频信号的频率成分，从而
实现声音的去噪、滤波、均衡等效果。
2. 信号降噪
FFT可以将一个信号从时域转换到频域，并将频谱图中小于某个阈值的频率部分过滤掉，从而实现信号的降噪。
这种方法被称为频域降噪。
频域降噪比时域降噪的效果更好，
因为在频域上可以更精确地过滤掉噪声。
3. 图像处理
在图像处理领域，FFT可以将一个图像从空间域转换到频域，并在频域上对图像进行
处理。
例如，可以对图像的高频部分进行滤波，从而实现图像的锐化。
同时，FFT也可以
将多个图像叠加在一起，得到一个合成图像。
这种方法被广泛应用于合成图像、匹配图像
等领域。
《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。
fft与傅里叶变换的区别
fft与傅里叶变换的区别FFT（快速傅里叶变换）与傅里叶变换是数字信号处理领域中常用的两种信号变换方法。
它们在频域分析和信号处理中起着重要作用。
虽然它们都基于傅里叶分析理论，但在实际应用中存在一些区别。
傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法。
它将一个连续时间域的信号分解成一系列正弦和余弦函数的和，得到信号的频谱信息。
傅里叶变换可以用于分析信号的频率成分、频谱特性等，适用于连续时间和连续频率的信号。
而FFT是一种快速计算傅里叶变换的算法。
它通过对离散时间域信号进行有限点数的离散傅里叶变换来实现。
FFT算法利用了信号的周期性和对称性质，将复杂度为O(n^2)的计算简化为O(nlogn)，提高了计算速度。
因此，FFT广泛应用于数字信号处理、频谱分析、图像处理等领域。
傅里叶变换是一种精确的信号分析方法，能够得到信号的精确频谱信息。
但是，傅里叶变换需要进行大量的运算，计算复杂度较高，对于大规模数据处理可能会耗费较长的时间。
而FFT通过采用分治的思想，将大规模的傅里叶变换问题分解为多个小规模的傅里叶变换问题，从而提高了计算效率。
傅里叶变换和FFT在数据处理和实现方式上也存在一些差异。
傅里叶变换通常应用于连续时间和连续频率的信号，需要对信号进行采样和插值处理，以满足变换的要求。
而FFT适用于离散时间和离散频率的信号，可以直接对离散数据进行变换，无需额外处理。
在实际应用中，由于FFT算法的高效性和优势，它被广泛应用于信号处理、图像处理、音频处理等领域。
例如，在音频压缩和解码中，FFT算法可以用于将音频信号从时域转换为频域，提取信号的频谱信息，并进行压缩和解码操作。
而傅里叶变换由于计算复杂度较高，通常在对信号进行精确频谱分析时使用。
FFT是一种快速计算傅里叶变换的算法，相比于傅里叶变换具有计算效率高的优势。
傅里叶变换是一种精确的信号分析方法，适用于连续时间和连续频率的信号。
两者在理论基础和实际应用上有所差异，但都在数字信号处理中起着重要作用。
快速傅里叶变换推导
快速傅里叶变换推导摘要：1.快速傅里叶变换的概念与意义2.傅里叶变换的定义与性质3.快速傅里叶变换的算法原理4.快速傅里叶变换的实际应用正文：一、快速傅里叶变换的概念与意义快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是一种高效的计算离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）及其逆变换的算法。
DFT 是一种将时间域信号转换到频率域的方法，常用于信号处理、图像处理等领域。
然而，当信号长度很长时，DFT 的计算复杂度较高，因此，为了加速计算，提出了快速傅里叶变换算法。
二、傅里叶变换的定义与性质傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法。
对于一个信号f(t)，其傅里叶变换结果为频谱F(ω)，可以通过以下公式计算：F(ω) = ∫[f(t) * e^(-jωt) dt]，其中积分范围为-∞到∞。
傅里叶变换具有以下性质：1.傅里叶变换是线性的，即满足线性性质的信号可以通过傅里叶变换分开。
2.傅里叶变换是可逆的，即频域信号可以通过傅里叶逆变换转换回时域信号。
3.傅里叶变换具有时域与频域之间的帕斯卡三角关系，即频谱的幅度与相位分别对应时域信号的幅度与相位。
三、快速傅里叶变换的算法原理快速傅里叶变换算法的原理是将DFT 分解成更小的子问题，并重复利用子问题的计算结果。
具体来说，如果将信号长度为N 的DFT 表示为：X_k = ∑[x_n * e^(-j2πnk/N)]，其中n 为时域索引，k 为频域索引。
那么，如果将信号长度分解为2 的幂次方形式（如N = 2^m），则可以将DFT 分解为两个较短的DFT 的加权和，即：X_k = ∑[x_n * e^(-j2πnk/N)] = ∑[x_n * e^(-j2πn(k-m)/2^m)] + e^(-j2πkm/2^m) * ∑[x_n * e^(-j2πn(k+m)/2^m)]其中，第一个和式计算偶数项的DFT，第二个和式计算奇数项的DFT。
快速傅里叶变换
快速傅⾥叶变换快速傅⾥叶变换快速傅⾥叶变换（FFT ）是根据计算量的最⼩化原理来设计和实施离散傅⾥叶变换(DFT)计算的⽅法。
1965年，库利（T.W.Cooley ）和图基（J.W.tukey ）发表了著名的《计算机计算傅⾥叶级数的⼀种算法》论⽂。
从此掀起了快速傅⾥叶变换计算⽅法研究的热潮。
快速傅⾥叶变换（FFT ）的出现，实现了快速、⾼效的信号分析和信号处理，为离散傅⾥叶变换(DFT)的⼴泛应⽤奠定了基础。
1.1离散傅⾥叶变换(DFT)的计算设x(n)是⼀个长度为M 的有限长序列，则定义x(n)的N 点离散傅⾥叶变换为∑-===10)()]([)(N n kn NW n x n x DFT k X 其中由于计算⼀个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。
1.2减少DFT 计算量的⽅法减少DFT 的计算量的主要途径是利⽤k N W 的性质和计算表达式的组合使⽤，其本质是减少DFT 计算的点数N 以便减少DFT 的计算量。
k N W 的性质：（1）对称性： (2)周期性： (3) 可约性： (4) 特殊点：选择其中⼀个证明N N j k N j N k N j N k N e e e W 222)2(22πππ--+-+==ππj k N j e e --=2k N j e π2--=k N W -=FFT 算法是基于可以将⼀个长度为N 的序列的离散傅⾥叶变换逐次分解为较短的离散傅⾥叶变换来计算这⼀基本原理的。
这⼀原理产⽣了许多不同的算法，但它们在计算速度上均取得了⼤致相当的改善。
0,1,,1k N =-()*nk nk N N W W -=()()nk N n k n N k N N NW W W ++==nk mnk N mN W W =//nk nk m N N mW W =01N W =/21N N W =-(/2)k N k N NW W +=-在这⾥讨论两类基本的FFT 算法。
快速傅里叶变换优缺点
快速傅里叶变换优缺点快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）是一种重要的信号处理算法，具有许多优点和一些缺点。
本文旨在探讨快速傅里叶变换的优缺点，帮助读者更好地理解该算法。
优点：1. 高效性：快速傅里叶变换是一种高效的算法，能够在较短的时间内对信号进行频谱分析。
与传统的傅里叶变换相比，FFT算法的复杂度较低，能够在O(NlogN)的时间复杂度内完成计算，极大地提高了计算效率。
2. 广泛应用：由于快速傅里叶变换具有高效性和稳定性，被广泛应用于信号处理领域。
无论是音频、图像、视频还是通信系统等，都可以利用FFT算法对信号进行分析和处理。
3. 频域分析：快速傅里叶变换能够将信号从时域转换到频域，将信号表示为频谱分量的集合。
通过对信号的频谱分析，可以更好地理解信号的特性和结构，为后续的信号处理工作提供有力支持。
4. 抗噪能力强：由于快速傅里叶变换能够将信号从时域转换到频域，通过滤波等处理手段，可以有效地去除信号中的噪声。
这使得FFT 算法在噪声较大的环境中具有出色的抗干扰能力。
缺点：1. 数据长度限制：快速傅里叶变换要求输入信号的长度为2的幂次方。
如果输入信号的长度不满足此要求，需要进行补零或截断等额外处理，这可能导致计算结果的不准确性。
2. 频率分辨率有限：快速傅里叶变换的频率分辨率与信号长度相关，信号长度越长，频率分辨率越高。
但对于短时信号或频率较高的信号，由于信号长度限制，可能无法获得较高的频率分辨率。
3. 窗函数影响：在应用快速傅里叶变换时，常常需要对输入信号进行加窗处理，以提高计算结果的准确性。
然而，窗函数的选择和参数设置可能会对分析结果产生一定的影响，需要合理选取窗函数以及优化窗函数的参数。
4. 非周期信号处理困难：快速傅里叶变换适用于周期信号的频谱分析，但对于非周期信号的处理较为困难。
非周期信号的频谱分析需要考虑其边界效应和截断误差等问题，对算法的要求较高。
五种傅里叶变换
五种傅里叶变换傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的数学工具，它在信号处理、图像处理、通信等领域都有广泛的应用。
傅里叶变换可以分为五种：离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、连续时间傅里叶变换（CTFT）、离散时间傅里叶变换（DTFT）和希尔伯特-黄变换（HHT）。
一、离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换是指将一个有限长的离散序列，通过一定的算法转化成一个同样长度的复数序列。
它是一种计算量较大的方法，但在某些情况下精度更高。
DFT 的公式如下：$$F(k)=\sum_{n=0}^{N-1}f(n)e^{-i2\pi kn/N}$$其中 $f(n)$ 是原始信号，$F(k)$ 是频域表示。
二、快速傅里叶变换（FFT）快速傅里叶变换是一种计算 DFT 的高效算法，它可以减少计算量从而加快计算速度。
FFT 的实现方法有多种，其中最常用的是蝴蝶运算法。
FFT 的公式与 DFT 相同，但计算方法不同。
三、连续时间傅里叶变换（CTFT）连续时间傅里叶变换是指将一个连续的时间信号，通过一定的算法转化成一个连续的频域函数。
CTFT 的公式如下：$$F(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}f(t)e^{-i\omega t}dt$$其中 $f(t)$ 是原始信号，$F(\omega)$ 是频域表示。
四、离散时间傅里叶变换（DTFT）离散时间傅里叶变换是指将一个无限长的离散序列，通过一定的算法转化成一个同样长度的周期性复数序列。
DTFT 的公式如下：$$F(e^{j\omega})=\sum_{n=-\infty}^{\infty}f(n)e^{-j\omegan}$$其中 $f(n)$ 是原始信号，$F(e^{j\omega})$ 是频域表示。
五、希尔伯特-黄变换（HHT）希尔伯特-黄变换是一种基于经验模态分解（EMD）和 Hilbert 变换的非线性时频分析方法。
它可以对非平稳信号进行时频分析，并提取出信号中的本征模态函数（IMF）。
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。
快速傅里叶变换FFT算法及其应用_————
快速傅里叶变换FFT算法及其应用_————快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT）是一种高效的计算傅里叶变换的算法，广泛应用于信号处理、图像处理、语音识别、音频压缩等领域。
它的优点是能够大幅度减少计算量，提高算法的运行速度。
FFT算法的核心思想是将复杂度为O(n^2)的DFT（离散傅里叶变换）转化为复杂度为O(nlogn)的运算。
它通过利用分治的思想，将一个规模为n的DFT分解为多个规模为n/2的子问题，然后再将子问题进一步分解，最终得到一系列规模为1的问题，即基本DFT。
然后通过计算每个基本DFT的结果，再经过一系列合并操作，得到最终的DFT结果。
FFT算法的步骤如下：1.将输入的序列进行位逆序排列。
通过位逆序排列可以将基本DFT的计算顺序优化成一定的规律，方便后续的计算。
2.对序列进行迭代式的分解和合并操作。
首先将序列拆分成两个长度为n/2的子序列，然后对子序列进行递归的FFT计算，再将两个子序列合并为一个序列的DFT结果。
3.重复以上步骤，直到计算得到最终的DFT结果。
FFT算法的应用非常广泛。
以下是一些常见的应用场景：1.信号处理：FFT算法在信号处理中广泛应用于频谱分析、滤波器设计、波形合成等方面。
它可以将信号从时间域转化到频域，方便分析信号的频谱特性。
2.图像处理：在图像处理中，FFT算法常用于图像增强、去噪、边缘检测等方面。
通过将图像转换到频域，可以更好地处理图像中的频域信息。
3.音频压缩：FFT算法在音频压缩中起到了至关重要的作用。
通过将音频信号转换到频域，可以将音频信号中的冗余信息去除，以达到音频压缩的目的。
4.语音识别：在语音识别中，FFT算法用于提取语音信号的频谱特征，以便进行语音识别算法的进一步处理。
5.通信系统：FFT算法在OFDM（正交频分复用）通信系统中得到了广泛的应用。
通过将信号转换到频域，可以减小不同子载波之间的干扰，提高通信系统的容量和可靠性。
快速傅里叶变换的原理
快速傅里叶变换的原理一、前言快速傅里叶变换（FFT）是一种高效的计算傅里叶变换的方法，它的应用广泛，如信号处理、图像处理、数值分析等领域。
本文将详细介绍快速傅里叶变换的原理。
二、傅里叶变换在介绍快速傅里叶变换之前，我们需要先了解傅里叶变换。
傅里叶变换是将一个信号在时域上的函数转化为在频域上的函数，它可以将信号分解成不同频率的正弦波和余弦波组成的谱。
具体来说，对于一个连续时间函数f(t)，它的傅里叶变换F(ω)定义为：F(ω) = ∫f(t)e^(-jωt)dt其中，j为虚数单位，ω为角频率。
对于一个离散时间函数f(n)，它的傅里叶变换F(k)定义为：F(k) = Σf(n)e^(-j2πkn/N)其中，N为采样点数。
三、暴力计算傅里叶变换直接使用定义式计算离散时间信号的傅里叶变换需要进行N^2次复杂度的计算，这种方法被称为暴力计算。
当N很大时，计算量会非常大，因此需要寻找更高效的算法。
四、快速傅里叶变换快速傅里叶变换是一种高效的计算离散时间信号的傅里叶变换的方法。
它的基本思想是将一个长度为N的离散时间信号分解成两个长度为N/2的子信号，然后递归地对子信号进行FFT计算，最终将两个子信号合并成一个长度为N的信号。
具体来说，假设我们要计算一个长度为N的离散时间信号f(n)的FFT变换F(k)，其中k=0,1,2,...,N-1。
我们可以将f(n)分解成两个长度为N/2的子信号：f_even(n) = f(2n)f_odd(n) = f(2n+1)然后对f_even(n)和f_odd(n)分别进行FFT计算：F_even(k) = FFT(f_even(n))F_odd(k) = FFT(f_odd(n))最后将F_even(k)和F_odd(k)合并成F(k)，其中：F(k) = F_even(k) + e^(-j2πk/N)*F_odd(k)F((k+N/2)%N) = F_even(k) - e^(-j2πk/N)*F_odd(k)其中，e^(-j2πk/N)*F_odd(k)被称为旋转因子。
fft计算公式
快速傅里叶变换（FFT）是一种计算离散傅里叶变换（DFT）及其逆变换的高效算法。
FFT的计算公式如下：
X[k] = ∑(n=0 to N-1) x[n] * W[k*n]
其中，X[k]表示离散傅里叶变换的输出，x[n]表示输入的时域信号，N表示输入信号的采样点数，W[k*n]表示复数单位元，即W[k*n] = e^(-2πikn/N)。
对于逆变换，可以使用以下公式：
x[n] = ∑(k=0 to N-1) X[k] * W[-k*n] / N
其中，x[n]表示输入的时域信号，X[k]表示离散傅里叶变换的输出，N表示输入信号的采样点数，W[-k*n]表示复数单位元的逆变换。
这些公式可以根据实际需求进行适当的修改和扩展，例如对于实数信号可以省略虚部，对于对称性可以优化计算等。
详解FFT(快速傅里叶变换FFT
knN W N N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 )= −W kNN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 NNN3∑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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————第四章———— 快速傅里叶变换FFT所谓的快速算法，就是根据原始变换定义算法的运算规律及其中的某些算子的特殊性质，找出减少乘法和加法运算次数的有效途径，实现原始变换的各种高效算法。
一种好的快速算法可使变换速度提高几个数量级。
由于快速算法很多，而且还在不断研究和发展。
较成熟的算法都有现成的程序。
所以，通过教材中介绍的四种快速算法，主要学习研究快速算法的基本思想和减少运算量的途径，熟悉各种快速算法的特点、运算效率和适用情况。
为今后研究新的快速算法和合理选用快速算法打好基础。
4.1 学 习 要 点4.1.1 直接计算N 点DFT 的运算量 对于()(),10∑-==N n knN W n x k X 1,,1,0-=N k复数乘法次数：2N M c =复数加法次数：()1-=N N A c当1>>N 时，复数乘法和加法次数都接近为2N 次，随着N 增大非线性增大。
4.1.2 减少运算量的基本途径DFT 定义式中只有两种运算：()n x 与knN W 的乘法相加。
所以，knN W 的特性对乘法运算量必有影响。
（1）根据的对称性、周期性和特殊值减少乘法运算次数。
①对称性：kN N k N W W -=+2，()k k NNW 12-=，()kNk N N W W =*- ②周期性：kN lNk NW W =+。
③knN W 的特殊值(无关紧要旋转因子)：1;;124-===±N NNNN Wj W W 。
对这些因子不能进行乘法运算。
（2）将较大数N 点DFT 分解为若干个小数点DFT 的组合，减少运算量。
这正是FFT 能大量节省运算量的关键。
4.1.3 四种快速算法的基本思想及特点 根据上述减少运算量的途径，巧妙地在时域或频域进行不同的抽取分解与组合，得到不同的快速算法。
下面简要归纳四种快速算法的基本思想和特点。
1. 基2 DFT-FFT 算法（1）算法思想：时域M 级奇偶抽取，并利用kNN k N W W -=+2，将N 点DFT 变成M 级蝶形运算。
（2）运算量：复数乘法次数： N NM N M c 2log 22=⋅=复数加法次数： N N M N A c 2log =⋅=（3）特点：运算流图结构规则，可原位计算，程序简短，应用广泛。
2. 基2 DIF-FFT 算法（1）算法思想：频域对()k X 进行M 级奇偶抽取，并利用()kk NNW 12-=，将N 点DFT变成M 级DIF-FFT 蝶形运算。
（2）运算量及特点与基2 DIF-FFT 相同3. 分裂基快速算法（1）算法思想：基2 FFT 算法简单，基4FFT 算法效率较高。
分裂基是将基2分解和基4分解糅合在一起形成的高效新算法。
具体是对每次的频域奇偶抽取的偶数输出使用基2算法（按二进制抽取），而奇数输出使用基4算法（按四进制抽取）。
（2）运算量：复数乘法次数： ()92192log 312m c N N N M -+-=复数加法次数： N N A c 2log = （3）特点：①在MN 2=的快速算法中，分裂基算法的乘法次数最少，接近理论最小值。
比基2 FFT 减少33%，比基4减少11%。
②运算流图结构规则，可同址计算，程序简短，便于DSP 实现。
4.2 教材第四章习题解答1. 如果通用计算机的速度为平均每次复数乘需要5s μ，每次复数加需要1s μ，用来计算N=1024点DFT ，问直接计算需要多少时间。
用FFT 计算呢？照这样计算，用FFT 进行快速卷积对信号进行处理时，估算可实现时处理的信号最高频率。
解：当N=1024=210时，直接计算DFT 的复数运算次数为N 2=10242次复数加法计算次数为104755210231024)1(=⨯=-N N 次直接计算所用计算时间T D 为s T D 290432.61010475521024105626=⨯+⨯⨯=--用FFT 计算1024点DFT 所需计算时间为ms N N N NT D 84.3510log log 21056226=⨯+⨯⨯=-- 快速卷积时，要计算一次N 点FFT （考虑到)]([)(n h DFT k H =已计算好存入内存），一次N 点IFFT 和N 次频率复数乘法。
所以，计算1024点快速卷积的计算时间约为s s s T T F c μμμ76800102457168010242=⨯+=+=次复数乘计算时间所以，每秒钟处理的采样点数（即采样频率）次3.13333107680010246=⨯<-s f /秒。
由采样定理知，可实时处理的信号最高频率为HZ f f s 7.666623.133332max ==<应当说明，实际实现时，m ax f 还要你小一些。
这是由于采样频率高于奈奎斯特速率，而且在采用重叠相加法时，重叠部分还要计算两次。
重叠部分长度与()n h 长度有关，而且还有存取数据指令周期等。
3. 已知()X k 和()Y k 是两个N 点实序列()x n 和()y n 的DFT ，若要从()X k 和()Y k 求()x n 和()y n ，为提高运算效率，试设计用一次N 点IFFT 来完成。
解：因为()x n 和()y n 均为实序列，所以，()X k 和()Y k 为共轭对称序列，j ()Y k 为共轭反对称序列。
可令()X k 和j ()Y k 分别作为复序列)(k F 的共轭对称分量和共轭反对称分量， 即)()()()()(k F k F k jY k X k F op ep +=+=计算一次N 点IFFT 得到)](Im[)](Re[)]([)(n f j n f k F IFFT n f +==由DFT 的共轭对称性可知，)()]([)]([)](Im[)()]([)]([)](Re[n jy k jY IDFT k F IDFT n f j n x k X IDFT k F IDFT n f op ep ======故)]()([21)()]()([21)(n f n f jn y n f n f n x **-=+=4. 设()x n 是长度()X k 为2N 的有限长实序列，()X k 为()x n 的确N 点DFT 。
（1）试设计用一次N 点FFT 完成计算()X k 的高效算法。
（2）若已知()X k ，试设计用一次N 点IFFT 实现求()x n 的2N 点IDFT 运算。
解：（1）在时域分别抽取偶书点和奇数点()x n 得到两个N 点实序列)(1n x 和)(2n x ：1,,1,0),12()(1,,1,0),2()(21-=+=-==N n n x n x N n n x n x根据DIT-FFT 的思想，只要求得)(1n x 和)(2n x 的N 点DFT,再经过简单的一级蝶形运算就得到()x n 的2N 点DFT 。
因为)(1n x 和)(2n x 均为实序列，所以根据DFT 的共轭对称性，可用一次N 点FFT 求得)(1k X 和)(2k X 。
具体方法如下： 令 )()()(21n jx n x n y +=1,1,0)],([)(-==N k n y DFT k Y则 )]()([21)()]([)(11k N Y k Y k Y n x DFT k X ep -+===* )]()([21)()]([)(22k N Y k Y k Y n jx DFT k jX op --===*2N 点)()]([k X n X DFT =可由)(1k X 和)(2k X 得到)()()(1,,1,0),()()(221221k X W k X N k X N k k X W k X k X k Nk N -=+-=+=这样，通过一次N 点IFFT 计算就完成了计算2N 点DFT 。
当然还要进行运算量相对很少的，由)(k Y 求)(1k X ，)(2k X 和)(k X 的运算。
（2）和（1）相同，设1,,1,0),12()(1,,1,0),2()(21-=+=-==N n n x n x N n n x n x1,1,0)],([)(1,1,0)],([)(2211-==-==N k n x DFT k X N k n x DFT k X则应满足关系式)()()(1,,1,0),()()(221221k X W k X N k X N k k X W k X k X kNk N -=+-=+=由上式可解出kN W N k X k X k X N k X k X k X -+-=++=221)]()([21)()]()([21)(由以上分析可得到运算过程如下： ① 由)(k X 计算出)(1k X 和)(2k XkN W N k X k X k X N k X k X k X -+-=++=221)]()([21)()]()([21)(② 由)(1k X 和)(2k X 构成N 点频域序列)(k Y)()()()()(21k Y k Y k jX k X k Y op ep +=+=其中)()(1k X k Y ep =，)()(2k jX k Y op =，进行N 点IFFT 得到1,,1,0)],(Im[)](Re[)]([)(-=+==N n n y j n y k Y IFFT n y由DFT 的共轭对称性知)()]([)]()([21)](Im[)()]([)]()([21)](Re[21n jx k Y DFT n y n y n y j n x k Y DFT n y n y n y op ep ==-===+=**③ 由)(1n x 和)(2n x 合成()x n120,)21(),2()(21-≤≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-==N n n n x n nx n x 奇数，偶数在便成实现时，只要将存放)(1n x 和)(2n x 的两个数组的元素分别依次存放()x n 的数组的偶数和奇数数组元素中即可。
5. 按照下面的IDFT 算法：1()[()][[()]]x n IDFT X k DFT X k N**==编写IFFT 程序，其中的FFT 部分不用写出清单，可调用FFT 子程序。
解：通过调用FFT 子程序实现题中所给IFFT 算法程序框图如题5图解所示。
数组X[N]用于存放输入X（k）、中间结果及最终结果x(n)。
用matlab语言编写的IFFT程序清单如下：％题4.6计算IFFT的程序％Xk:被变换数据X（k）％XN:IFFT[X(k)]结果x(n)%N:x(n),X(k)长度Xk＝[X(0) X(1) …X(N-1)];n=size(Xk);N=n(2); %取得X（k）的长度Xk＝conj(Xk); %取复共轭XN=fft(Xk); ％计算FFT[X(k)]XN=conj(XN)/N;Stem(real(XN)); %绘制x(n)序列波形图说明：数据向量Xk也可以通过键盘，数据文件或函数计算等多种方法建立，本程序使用最简单的方法，在程序中直接赋值Xk向量。