FFT 在單片機(jī)C8051中的實(shí)現(xiàn)

0 引言
    由于單片機(jī)的性價比高，因此在數(shù)據(jù)采集及頻譜分析系統(tǒng)中往往取代DSP芯片而被廣泛使用。在數(shù)字信號處理中，離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)是常用的變換方法，它在各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)中扮演著重要的角色?？焖俑道锶~變換(Fast Fourier Transfonn，FFT)并不是與離散傅里葉變換不同的另一種變換，而是為了減少DFT計(jì)算次數(shù)的一種快速有效的算法，且它們都是為了將信號變換到頻域并進(jìn)行相應(yīng)的頻譜分析。雖然FFT是一種快速的運(yùn)算方法，但是為了計(jì)算N點(diǎn)的FFT依然需要Nlog2N次加法和0．5Nlog2N次乘法。當(dāng)N比較大時，其運(yùn)算復(fù)雜度對RAM的需求也是很大的。在本文中，我們將探討如何優(yōu)化FFT算法，并將其在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。
    雖然在實(shí)現(xiàn)FFT方面已有很好的芯片來解決其運(yùn)算速度及RAM容量的問題，但由于單片機(jī)的成本相對比較低。因此討論在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)FFT算法具有現(xiàn)實(shí)意義。最后本文還給出了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)FFT在雷達(dá)檢測中的應(yīng)用。

1 基數(shù)為2的FFT算法
    FFT的輸出與DFT的輸出是一致的，但冗余的計(jì)算在FFT中已被減去，使得其計(jì)算速度比較快。對于N-點(diǎn)的傅里葉變換，DFT需要的計(jì)算復(fù)雜度是N2，而FFT需要的計(jì)算復(fù)雜度是N/2log2N。因此當(dāng)N比較大時，使用FFT做傅里葉變換將會大大減少計(jì)算量。比如做64點(diǎn)的DFT需要4096的計(jì)算復(fù)雜度，而使用FFT只需要192的計(jì)算復(fù)雜度。在單片機(jī)中，當(dāng)使用別的優(yōu)化方法時，F(xiàn)FT的計(jì)算需要更少的時間。
    在本文中，使用FFT時，我們關(guān)心的是如何減少為了存儲中間數(shù)據(jù)所需要的臨時內(nèi)存空間。在執(zhí)行FFT時，輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)將以比特倒序的方式存儲。在順序與倒序之間改變時，每一數(shù)據(jù)點(diǎn)與數(shù)據(jù)集里的另一數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置相換是由將樣本系列的順序倒置決定的。例如，在16點(diǎn)的FFT變換，樣本存儲的地址是001 b將與存儲在100 b位置上的樣本互換。具有倒序字節(jié)的位置是和沒有倒序字節(jié)的位置是相等的，比如0110 b是不互換位置的。計(jì)算FFT的順序是由FFT的輸入或輸出是否需要以倒序保存決定的。

2 對輸入數(shù)據(jù)加窗
    FFT變換可以作用在具有有限時間長度的數(shù)據(jù)，但是對此數(shù)據(jù)集進(jìn)行一個假設(shè)：就是周期的，且無限次重復(fù)。當(dāng)樣本數(shù)據(jù)以這種方式重復(fù)時，最后一個樣本(下標(biāo)[N-1])是緊接著下一周期中的第一個樣本([0])的。如圖1所示，當(dāng)數(shù)據(jù)在整個樣本集中不是周期性的，則當(dāng)對整個樣本做FFT時會導(dǎo)致不連續(xù)性。正因?yàn)檫@樣，數(shù)據(jù)在進(jìn)行FFT變換前通常需要加窗。加窗使得樣本集變成周期性且去掉在第一個樣本與最后一個樣本之間的不連續(xù)。由于加窗改變了輸入數(shù)據(jù)，在頻域上它將產(chǎn)生一些噪聲。加窗會將信號的能量伸展到幾個點(diǎn)上。能量分布會削弱信號的峰值。大部分信號的原始內(nèi)容存儲在主要部分里，當(dāng)一部分發(fā)生旁瓣泄漏(如圖2所示)，主要部分的寬度和旁瓣的高度由應(yīng)用在信號的加窗算法決定。一些窗函數(shù)及其性能如表1所示。為計(jì)算N點(diǎn)FFT的加窗函數(shù)的系數(shù)的一些方程如表2所示。更多關(guān)于加窗算法與他們的參數(shù)參見文獻(xiàn)[2]。

3 FFT優(yōu)化
    已經(jīng)出現(xiàn)了很多優(yōu)化FFT的方法。而這些優(yōu)化方法的目的都是為了使得計(jì)算速度增快且盡可能的減少存儲數(shù)據(jù)所需要的RAM。
    我們都知道，計(jì)算FFT的一個重要方法是蝶式方法。但是蝶式計(jì)算的每一次迭代都需要一個復(fù)雜的乘法(總共是四次的長整數(shù)乘法)。長整數(shù)乘法需要很多處理內(nèi)存來完成。但是我們仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)其中一些乘法是不需要的，并且是可以省去的。特別是，當(dāng)乘數(shù)為零時，結(jié)果將為零和當(dāng)乘數(shù)為1時，相乘的結(jié)果將不變。對那些正弦和余弦函數(shù)是否為0或1進(jìn)行查詢的代碼可以利用這些優(yōu)點(diǎn)來減少計(jì)算量。這種優(yōu)化方法能節(jié)省的計(jì)算量為：其中N為FFT的點(diǎn)數(shù)。

4 程序總體設(shè)計(jì)
    首長分成三個模塊集合而成。即數(shù)據(jù)采集模塊，A／D轉(zhuǎn)換模塊及FFT運(yùn)算模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過定時器來控制A／D轉(zhuǎn)換器的采樣周期，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有符號數(shù)，并且可以以復(fù)數(shù)形式存貯。FFT的運(yùn)算模塊是在8051單片機(jī)的數(shù)據(jù)存貯器上運(yùn)行256點(diǎn)的FFT，并經(jīng)一快速平方根或快速對數(shù)運(yùn)算，計(jì)算出對應(yīng)128個頻率點(diǎn)的幅值或分貝表示值。具體流程如圖3。

5 在電話視頻中的應(yīng)用
    在一個會議中，當(dāng)說話人變換時。我們需要攝像頭能自動跟蹤并檢測出說話人的位置，這就需要用到FFT及其反變換來計(jì)算角度。

6 結(jié)論
    本文主要介紹了一種在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)FFT算法的優(yōu)化方法，由于這可大大減少FFT的計(jì)算量及減少存儲數(shù)據(jù)所需要的RAM。因此其可應(yīng)用在電話視頻會議中。