一文快速教會你傅立葉算法

[導(dǎo)讀]今天來聊聊如何實(shí)現(xiàn)快速傅立葉變換FFT及其應(yīng)用，希望大家喜歡。直接談FFT，可能沒這方面基礎(chǔ)的同學(xué)，不太能明白，先看看它的相近較容易理解的幾個概念吧。

啥是傅立葉級數(shù)？

在數(shù)學(xué)中，傅里葉級數(shù)（Fourier series）是把類似波的函數(shù)表示成簡單正弦波的方式。更正式地說法是，它能將任何周期性函數(shù)或周期信號分解成一個（可能由無窮個元素組成的）簡單振蕩函數(shù)的集合，即正弦函數(shù)和余弦函數(shù)（或者，等價(jià)地使用復(fù)指數(shù)），從數(shù)學(xué)的定義來看，是這樣地：

設(shè)x(t)是一周期信號,其周期為T。若x(t)在一個周期的能量是有限的，有即

則，可以將x(t)展開為傅立葉級數(shù)。怎么展開呢？計(jì)算如下：

公式中的k表示第k次諧波，這是個什么概念呢？不容易理解，看下對于一個方波的前4次諧波合成動圖就比較好理解了。這里的合成的概念是時(shí)域上的疊加的概念，圖片來源wikipedia

啥是傅里葉變換？

在數(shù)學(xué)中，傅里葉變換(Fourier transform FT)是一種數(shù)學(xué)變換，它將一個函數(shù)(通常是一個時(shí)間的函數(shù)，或一個信號)分解成它的組成頻率，例如用組成音符的音量和頻率表示一個音樂和弦。傅里葉變換指的是頻域表示和將頻域表示與時(shí)間函數(shù)相關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。其本質(zhì)是一種線性積分變換，用于信號在時(shí)域（或空域）和頻域之間的變換，在物理學(xué)和工程學(xué)中有許多應(yīng)用。因其基本思想首先由法國學(xué)者約瑟夫·傅里葉系統(tǒng)地提出，所以以其名字來命名以示紀(jì)念。實(shí)際上傅里葉變換就像化學(xué)分析，確定物質(zhì)的基本成分；信號來自自然界，也可對其進(jìn)行分析，確定其基本頻率成分。其數(shù)學(xué)定義為：

對于連續(xù)時(shí)間信號x(t)，若x(t)在時(shí)間維度上可積分，（實(shí)際上并不一定是時(shí)間t維度，這里可以是任意維度，只需在對應(yīng)維度空間可積分即可），即：

那么，x(t)的傅立葉變換存在，且其計(jì)算式為：

其反變換為：

上面這兩個公式是啥意思呢？在度量空間可積可以理解成其在度量空間能量有限，也即對其自變量積分（相當(dāng)于求面積)是一個確定值，那么這樣的函數(shù)或者信號就可以進(jìn)行傅立葉變換展開，展開得到的就變成是頻域的函數(shù)了，如果對頻率將函數(shù)值繪制出曲線就是我們所說的頻譜圖，而其反變換就比較好理解了，如果我們知道一個信號或者函數(shù)譜密度函數(shù)，就可以對應(yīng)還原出其時(shí)域的函數(shù)，也能繪制出時(shí)域的波形圖。

當(dāng)然，本文限定討論時(shí)域信號是因?yàn)槲覀?a target="_blank">電子系統(tǒng)中的應(yīng)用最為普遍的就是一個時(shí)域信號，當(dāng)然推而廣之，其他的多維度信號也能利用上面定義進(jìn)行推廣，同樣在多維空間信號也非常有應(yīng)用價(jià)值，比如2維圖像處理等等。

上面兩個概念是一個東東么？

傅立葉級數(shù)對應(yīng)的是周期信號，而傅立葉變換則對應(yīng)的是一個時(shí)間連續(xù)可積信號（不一定是周期信號）

傅立葉級數(shù)要求信號在一個周期內(nèi)能量有限，而后者則要求在整個區(qū)間能量有限

傅立葉級數(shù)的對應(yīng)是離散的，而傅立葉變換則對應(yīng)是連續(xù)的。

故而，兩者的物理含義不同，且其量綱也是不同的，代表周期信號的第k次諧波幅度的大小，而則是頻譜密度的概念。所以答案是這兩者從本質(zhì)上不是一個概念，傅立葉級數(shù)是周期信號的另一種時(shí)域的表達(dá)方式,也就是正交級數(shù),它是不同的頻率的波形的時(shí)域疊加。而傅立葉變換則是完全的頻域分析，傅里葉級數(shù)適用于對周期性現(xiàn)象做數(shù)學(xué)上的分析，傅里葉變換可以看作傅里葉級數(shù)的極限形式，也可以看作是對周期現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析，同時(shí)也適用于非周期性現(xiàn)象的分析。傅里葉級數(shù)適用于對周期性現(xiàn)象做數(shù)學(xué)上的分析，傅里葉變換可以看作傅里葉級數(shù)的極限形式，也可以看作是對周期現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析，同時(shí)也適用于非周期性現(xiàn)象的分析。

啥是離散傅立葉變換？

離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，縮寫為DFT），是傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都呈離散的形式，將信號的時(shí)域采樣變換為其DTFT的頻域采樣。

在形式上，變換兩端（時(shí)域和頻域上）的序列是有限長的，而實(shí)際上這兩組序列都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是離散周期信號的主值序列。即使對有限長的離散信號作DFT，也應(yīng)當(dāng)將其看作其周期延拓的變換。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用快速傅里葉變換計(jì)算DFT。

對于N點(diǎn)序列

它的離散傅立葉變換為(DFT)為：

其中k=0,1,....,N-1,上面的式子展開一下：

啥是快速傅立葉變換？

快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform：FFT）是一種計(jì)算數(shù)字信號序列的離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transform：DFT）或其逆變換（IDFT）的算法。傅里葉分析將信號從其原始域(通常是時(shí)間或空間)轉(zhuǎn)換為頻域的表示，反之亦然。DFT是通過將一系列值分解成不同頻率的分量來獲得的。這個操作在很多領(lǐng)域中都很有用，但是直接從定義中計(jì)算它通常太慢而不實(shí)際。FFT通過將DFT矩陣分解成稀疏(大部分為零)因子的乘積來快速計(jì)算這種轉(zhuǎn)換。所以其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換的一種優(yōu)化算法，將時(shí)間復(fù)雜度從降低為,其中N為待計(jì)算序列的長度。當(dāng)N非常大時(shí)，這種優(yōu)化在時(shí)間維度上提升是非常顯著的。尤其在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，由于受限于采用的芯片算力往往不強(qiáng)，所以FFT算法較之于DFT的效果是非常有應(yīng)用價(jià)值的。

1994年，Gilbert Strang將FFT描述為“我們一生中最重要的數(shù)值算法”，并被IEEE雜志《計(jì)算科學(xué)與工程》列入20世紀(jì)十大算法之一，它深遠(yuǎn)的影響了我們世界與日常生活。說這個算法改變了世界也不為過。在我們?nèi)粘Ｉ钪泻芏嘣O(shè)備里面都有它的影子，比如手機(jī)、比如photoshop，比如數(shù)字音響等等。

快速傅立葉算法的最核心思想就是計(jì)算機(jī)科學(xué)里面常見的分治思想，即把一個復(fù)雜的問題，分解為一個小的類似問題進(jìn)行求解。

FFT基本上可分為兩類，時(shí)間抽取法和頻率抽取法，而一般的時(shí)間抽取法和頻率抽取法只能處理長度N=2M的情況，另外還有組合數(shù)基四FFT來處理一般長度的FFT。所謂抽取，就是把長序列分為短序列的過程，可在時(shí)域也可在頻域進(jìn)行。最常用的時(shí)域抽選方法是按奇偶將長序列不斷地變?yōu)槎绦蛄?，結(jié)果使輸入序列為倒序，輸出序列為順序排列，這就是Coolly—Tukey算法。

假定待變換離散時(shí)間序列信號長度為，將x(n)按照奇偶分組：

上式可變換為：

令

其中，k取0，1，...，N/2-1

從而，

由于A(k),B(k)都是點(diǎn)的DFT，X(k)為N點(diǎn)的DFT。那么這一分治思想還可以進(jìn)一步做下去，這里就不贅述了。

下圖就是一個時(shí)間抽取的基2FFT算法的示意圖：

對于頻率抽取基2的示意圖其原理類似，這里放個圖：

不同點(diǎn)：

DIT2 FFT是在時(shí)域先進(jìn)行奇歐倒序，頻域輸出為正序

DIF2 FFT其輸入序列在時(shí)域是正序，而頻域輸出為奇偶分開的倒序。

代碼實(shí)踐

好了，前面碼了這么多字，還是不夠直觀，為了更好說明前面的分治思想，這里放了個遞歸實(shí)現(xiàn)代碼測一下看看療效：

#include
#include
#include
#include

#defineq8/*2^q點(diǎn)，256*/
#defineN(1<1){/*N如小于1，直接返回*/
intk,m;complexz,w,*vo,*ve;
ve=tmp;vo=tmp+n/2;
for(k=0;k1){
intk,m;complexz,w,*vo,*ve;
ve=tmp;vo=tmp+n/2;
for(k=0;k

	

	代碼來源：https://www.math.wustl.edu/~victor/mfmm/fourier/fft.c

	為華盛頓大學(xué)的教學(xué)代碼，上面代碼僅測試了正變換，對于逆變換有興趣的可以試試。

	

	總結(jié)一下

	本文目的為了方便理解快速傅立葉的算法思想，如果需要將算法實(shí)際應(yīng)用到單片機(jī)或者DSP中，還需要做進(jìn)一步的優(yōu)化，實(shí)際使用時(shí)，一般會將蝶形算子做成一個表，另外也會做定點(diǎn)優(yōu)化。對于ARM芯片而言，其CMSIS庫有現(xiàn)成的實(shí)現(xiàn)例子可以直接使用，對于TI系列DSP而言，也內(nèi)置了FFT代碼庫，可直接使用。

	審核編輯：湯梓紅