一、理论分析
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）。
下面先来简要分析下封装好的FFT的C程序包
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快速福利叶变换C程序包
函数简介：此程序包是通用的快速傅里叶变换C语言函数，移植性强，以下部分不依
赖硬件。此程序包采用联合体的形式表示一个复数，输入为自然顺序的复
数（输入实数是可令复数虚部为0），输出为经过FFT变换的自然顺序的
复数.此程序包可在初始化时调用create_sin_tab()函数创建正弦函数表，
以后的可采用查表法计算耗时较多的sin和cos运算，加快可计算速度.与
Ver1.1版相比较，Ver1.2版在创建正弦表时只建立了1/4个正弦波的采样值，
相比之下节省了FFT_N/4个存储空间
使用说明：使用此函数只需更改宏定义FFT_N的值即可实现点数的改变，FFT_N的
应该为2的N次方，不满足此条件时应在后面补0。若使用查表法计算sin值和
cos值，应在调用FFT函数前调用create_sin_tab()函数创建正弦表
函数调用：FFT(s);
作 者：吉帅虎
时 间：2010-2-20
版 本：Ver1.2
参考文献：
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#include <math.h>
#include "fft.h"
float *SIN_TAB;//定义正弦表的存放空间
int FFT_N = 1024;//定义采样点大小
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函数原型：struct compx EE(struct compx b1,struct compx b2)
函数功能：对两个复数进行乘法运算
输入参数：两个以联合体定义的复数a,b
输出参数：a和b的乘积，以联合体的形式输出
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struct compx EE(struct compx a,struct compx b)
{
struct compx c;
c.real=a.real*b.real-a.imag*b.imag;
c.imag=a.real*b.imag+a.imag*b.real;
return(c);
}
/******************************************************************
函数原型：void create_sin_tab(float *sin_t，int PointNum)
函数功能：创建一个正弦采样表，采样点数与福利叶变换点数相同
输入参数：*sin_t存放正弦表的数组指针,PointNum采样点数
输出参数：无
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void create_sin_tab(float *sin_t,int PointNum)
{
int i;
SIN_TAB=sin_t;
FFT_N=PointNum;
for(i=0;i<=FFT_N/4;i++)
SIN_TAB[i]=sin(2*PI*i/FFT_N);
}
/******************************************************************
函数原型：void sin_tab(float pi)
函数功能：采用查表的方法计算一个数的正弦值
输入参数：pi 所要计算正弦值弧度值，范围0--2*PI，不满足时需要转换
输出参数：输入值pi的正弦值
******************************************************************/
float sin_tab(float pi)
{
int n=0;
float a=0;
n=(int)(pi*FFT_N/2/PI);
if(n>=0&&n<=FFT_N/4)
a=SIN_TAB[n];
else if(n>FFT_N/4&&n<FFT_N/2)
{
n-=FFT_N/4;
a=SIN_TAB[FFT_N/4-n];
}
else if(n>=FFT_N/2&&n<3*FFT_N/4)
{
n-=FFT_N/2;
a=-SIN_TAB[n];
}
else if(n>=3*FFT_N/4&&n<3*FFT_N)
{
n=FFT_N-n;
a=-SIN_TAB[n];
}
return a;
}
/******************************************************************
函数原型：void cos_tab(float pi)
函数功能：采用查表的方法计算一个数的余弦值
输入参数：pi 所要计算余弦值弧度值，范围0--2*PI，不满足时需要转换
输出参数：输入值pi的余弦值
******************************************************************/
float cos_tab(float pi)
{
float a,pi2;
pi2=pi+PI/2;
if(pi2>2*PI)
pi2-=2*PI;
a=sin_tab(pi2);
return a;
}
/*****************************************************************
函数原型：void FFT(struct compx *xin)
函数功能：对输入的复数组进行快速傅里叶变换（FFT）
输入参数：*xin复数结构体组的首地址指针，struct型
输出参数：无
*****************************************************************/
void FFT(struct compx *xin)
{
int f,m,i,k,l,j=0;
register int nv2,nm1;
struct compx u,w,t;
nv2=FFT_N/2; //变址运算，即把自然顺序变成倒位序，采用雷德算法
nm1=FFT_N-1;
for(i=0;i<nm1;i++)
{
if(i<j) //如果i<j,即进行变址
{
t=xin[j];
xin[j]=xin[i];
xin[i]=t;
}
k=nv2; //求j的下一个倒位序
while(k<=j) //如果k<=j,表示j的最高位为1
{
j=j-k; //把最高位变成0
k=k/2; //k/2，比较次高位，依次类推，逐个比较，直到某个位为0
}
j=j+k; //把0改为1
}
{
int le,lei,ip; //FFT运算核，使用蝶形运算完成FFT运算
f=FFT_N;
for(l=1;(f=f/2)!=1;l++) //计算l的值，即计算蝶形级数
;
for(m=1;m<=l;m++) // 控制蝶形结级数
{ //m表示第m级蝶形，l为蝶形级总数l=log（2）N
le=2<<(m-1); //le蝶形结距离，即第m级蝶形的蝶形结相距le点
lei=le/2; //同一蝶形结中参加运算的两点的距离
u.real=1.0; //u为蝶形结运算系数，初始值为1
u.imag=0.0;
//w.real=cos(PI/lei); //不适用查表法计算sin值和cos值
// w.imag=-sin(PI/lei);
w.real=cos_tab(PI/lei); //w为系数商，即当前系数与前一个系数的商
w.imag=-sin_tab(PI/lei);
for(j=0;j<=lei-1;j++) //控制计算不同种蝶形结，即计算系数不同的蝶形结
{
for(i=j;i<=FFT_N-1;i=i+le) //控制同一蝶形结运算，即计算系数相同蝶形结
{
ip=i+lei; //i，ip分别表示参加蝶形运算的两个节点
t=EE(xin[ip],u); //蝶形运算，详见公式
xin[ip].real=xin[i].real-t.real;
xin[ip].imag=xin[i].imag-t.imag;
xin[i].real=xin[i].real+t.real;
xin[i].imag=xin[i].imag+t.imag;
}
u=EE(u,w); //改变系数，进行下一个蝶形运算
}
}
}
}
fft.c
#ifndef FFT_H
#define FFT_H
//定义福利叶变换的点数
#define PI 3.1415926535897932384626433832795028841971 //定义圆周率值
struct compx {float real,imag;}; //定义一个复数结构
extern void create_sin_tab(float *sin_t,int PointNum);
extern void FFT(struct compx *xin);
#endif // FFT_H
fft.h
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