C语言实现fft理论基础与工程应用的实例分析

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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);

}



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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);

}

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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

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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;

}

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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;

}

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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

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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