Реализации алгоритмов/Быстрое преобразование Фурье
Быстрое преобразование Фурье (БПФ, FFT) — алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ). То есть, алгоритм вычисления за количество действий, меньшее чем , требуемых для прямого (по формуле) вычисления ДПФ. Иногда под БПФ понимается один из быстрых алгоритмов, называемый алгоритмом прореживания по частоте/времени или алгоритмом по основанию 2, имеющий сложность .
C
[править]Ниже приведен пример расчета комплексного БПФ, написанный на С:
//_________________________________________________________________________________________
//_________________________________________________________________________________________
//
// NAME: FFT.
// PURPOSE: Быстрое преобразование Фурье: Комплексный сигнал в комплексный спектр и обратно.
// В случае действительного сигнала в мнимую часть (Idat) записываются нули.
// Количество отсчетов - кратно 2**К - т.е. 2, 4, 8, 16, ... (см. комментарии ниже).
//
//
// PARAMETERS:
//
// float *Rdat [in, out] - Real part of Input and Output Data (Signal or Spectrum)
// float *Idat [in, out] - Imaginary part of Input and Output Data (Signal or Spectrum)
// int N [in] - Input and Output Data length (Number of samples in arrays)
// int LogN [in] - Logarithm2(N)
// int Ft_Flag [in] - Ft_Flag = FT_ERR_DIRECT (i.e. -1) - Direct FFT (Signal to Spectrum)
// Ft_Flag = FT_ERR_INVERSE (i.e. 1) - Inverse FFT (Spectrum to Signal)
//
// RETURN VALUE: false on parameter error
//_________________________________________________________________________________________
//
// NOTE: In this algorithm N and LogN can be only:
// N = 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384;
// LogN = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14;
//_________________________________________________________________________________________
//_________________________________________________________________________________________
#define NUMBER_IS_2_POW_K(x) ((!((x)&((x)-1)))&&((x)>1)) // x is pow(2, k), k=1,2, ...
#define FT_DIRECT -1 // Direct transform.
#define FT_INVERSE 1 // Inverse transform.
bool FFT(float *Rdat, float *Idat, int N, int LogN, int Ft_Flag)
{
// parameters error check:
if((Rdat == NULL) || (Idat == NULL)) return false;
if((N > 16384) || (N < 1)) return false;
if(!NUMBER_IS_2_POW_K(N)) return false;
if((LogN < 2) || (LogN > 14)) return false;
if((Ft_Flag != FT_DIRECT) && (Ft_Flag != FT_INVERSE)) return false;
register int i, j, n, k, io, ie, in, nn;
float ru, iu, rtp, itp, rtq, itq, rw, iw, sr;
static const float Rcoef[14] =
{ -1.0000000000000000F, 0.0000000000000000F, 0.7071067811865475F,
0.9238795325112867F, 0.9807852804032304F, 0.9951847266721969F,
0.9987954562051724F, 0.9996988186962042F, 0.9999247018391445F,
0.9999811752826011F, 0.9999952938095761F, 0.9999988234517018F,
0.9999997058628822F, 0.9999999264657178F
};
static const float Icoef[14] =
{ 0.0000000000000000F, -1.0000000000000000F, -0.7071067811865474F,
-0.3826834323650897F, -0.1950903220161282F, -0.0980171403295606F,
-0.0490676743274180F, -0.0245412285229122F, -0.0122715382857199F,
-0.0061358846491544F, -0.0030679567629659F, -0.0015339801862847F,
-0.0007669903187427F, -0.0003834951875714F
};
nn = N >> 1;
ie = N;
for(n=1; n<=LogN; n++)
{
rw = Rcoef[LogN - n];
iw = Icoef[LogN - n];
if(Ft_Flag == FT_INVERSE) iw = -iw;
in = ie >> 1;
ru = 1.0F;
iu = 0.0F;
for(j=0; j<in; j++)
{
for(i=j; i<N; i+=ie)
{
io = i + in;
rtp = Rdat[i] + Rdat[io];
itp = Idat[i] + Idat[io];
rtq = Rdat[i] - Rdat[io];
itq = Idat[i] - Idat[io];
Rdat[io] = rtq * ru - itq * iu;
Idat[io] = itq * ru + rtq * iu;
Rdat[i] = rtp;
Idat[i] = itp;
}
sr = ru;
ru = ru * rw - iu * iw;
iu = iu * rw + sr * iw;
}
ie >>= 1;
}
for(j=i=1; i<N; i++)
{
if(i < j)
{
io = i - 1;
in = j - 1;
rtp = Rdat[in];
itp = Idat[in];
Rdat[in] = Rdat[io];
Idat[in] = Idat[io];
Rdat[io] = rtp;
Idat[io] = itp;
}
k = nn;
while(k < j)
{
j = j - k;
k >>= 1;
}
j = j + k;
}
if(Ft_Flag == FT_DIRECT) return true;
rw = 1.0F / N;
for(i=0; i<N; i++)
{
Rdat[i] *= rw;
Idat[i] *= rw;
}
return true;
}
// Пример вычисления БПФ от одного периода косинусного
// действительного сигнала
void Test_FFT()
{
static float Re[8];
static float Im[8];
float p = 2 * 3.141592653589 / 8; // будет 8 отсчетов на период
int i;
// формируем сигнал
for(i=0; i<8; i++)
{
Re[i] = cos(p * i); // заполняем действительную часть сигнала
Im[i] = 0.0; // заполняем мнимую часть сигнала
}
FFT(Re, Im, 8, 3, FT_DIRECT); // вычисляем прямое БПФ
// выводим действительную и мнимую части спектра и спектр мощности
FILE *f = fopen("spectrum.txt", "w");
for(i=0; i<8; i++)
{
fprintf(f, "%10.6f %10.6f %10.6f\n", Re[i], Im[i], Re[i]*Re[i]+Im[i]*Im[i]);
}
fclose(f);
}
C++
[править]Ниже приведен пример вычисления модуля спектра действительного массива чисел на основе реализации быстрого преобразования Фурье, написанный на C++:
// AVal - массив анализируемых данных, Nvl - длина массива должна быть кратна степени 2.
// FTvl - массив полученных значений, Nft - длина массива должна быть равна Nvl.
const double TwoPi = 6.283185307179586;
void FFTAnalysis(double *AVal, double *FTvl, int Nvl, int Nft) {
int i, j, n, m, Mmax, Istp;
double Tmpr, Tmpi, Wtmp, Theta;
double Wpr, Wpi, Wr, Wi;
double *Tmvl;
n = Nvl * 2; Tmvl = new double[n];
for (i = 0; i < n; i+=2) {
Tmvl[i] = 0;
Tmvl[i+1] = AVal[i/2];
}
i = 1; j = 1;
while (i < n) {
if (j > i) {
Tmpr = Tmvl[i]; Tmvl[i] = Tmvl[j]; Tmvl[j] = Tmpr;
Tmpr = Tmvl[i+1]; Tmvl[i+1] = Tmvl[j+1]; Tmvl[j+1] = Tmpr;
}
i = i + 2; m = Nvl;
while ((m >= 2) && (j > m)) {
j = j - m; m = m >> 1;
}
j = j + m;
}
Mmax = 2;
while (n > Mmax) {
Theta = -TwoPi / Mmax; Wpi = sin(Theta);
Wtmp = sin(Theta / 2); Wpr = Wtmp * Wtmp * 2;
Istp = Mmax * 2; Wr = 1; Wi = 0; m = 1;
while (m < Mmax) {
i = m; m = m + 2; Tmpr = Wr; Tmpi = Wi;
Wr = Wr - Tmpr * Wpr - Tmpi * Wpi;
Wi = Wi + Tmpr * Wpi - Tmpi * Wpr;
while (i < n) {
j = i + Mmax;
Tmpr = Wr * Tmvl[j] - Wi * Tmvl[j-1];
Tmpi = Wi * Tmvl[j] + Wr * Tmvl[j-1];
Tmvl[j] = Tmvl[i] - Tmpr; Tmvl[j-1] = Tmvl[i-1] - Tmpi;
Tmvl[i] = Tmvl[i] + Tmpr; Tmvl[i-1] = Tmvl[i-1] + Tmpi;
i = i + Istp;
}
}
Mmax = Istp;
}
for (i = 0; i < Nft; i++) {
j = i * 2; FTvl[i] = 2*sqrt(pow(Tmvl[j],2) + pow(Tmvl[j+1],2))/Nvl;
}
delete []Tmvl;
}
Delphi
[править]// AVal - массив анализируемых данных, Nvl - длина массива, должна быть кратна степени 2.
// FTvl - массив полученных значений, Nft - длина массива, должна быть равна Nvl / 2 или меньше.
type
TArrayValues = array of Double;
const
TwoPi = 6.283185307179586;
procedure FFTAnalysis(var AVal, FTvl: TArrayValues; Nvl, Nft: Integer);
var
i, j, n, m, Mmax, Istp: Integer;
Tmpr, Tmpi, Wtmp, Theta: Double;
Wpr, Wpi, Wr, Wi: Double;
Tmvl: TArrayValues;
begin
n:= Nvl * 2; SetLength(Tmvl, n);
for i:= 0 to Nvl-1 do begin
j:= i * 2; Tmvl[j]:= 0; Tmvl[j+1]:= AVal[i];
end;
i:= 1; j:= 1;
while i < n do begin
if j > i then begin
Tmpr:= Tmvl[i]; Tmvl[i]:= Tmvl[j]; Tmvl[j]:= Tmpr;
Tmpr:= Tmvl[i+1]; Tmvl[i+1]:= Tmvl[j+1]; Tmvl[j+1]:= Tmpr;
end;
i:= i + 2; m:= Nvl;
while (m >= 2) and (j > m) do begin
j:= j - m; m:= m div 2;
end;
j:= j + m;
end;
Mmax:= 2;
while n > Mmax do begin
Theta:= -TwoPi / Mmax; Wpi:= Sin(Theta);
Wtmp:= Sin(Theta / 2); Wpr:= Wtmp * Wtmp * 2;
Istp:= Mmax * 2; Wr:= 1; Wi:= 0; m:= 1;
while m < Mmax do begin
i:= m; m:= m + 2; Tmpr:= Wr; Tmpi:= Wi;
Wr:= Wr - Tmpr * Wpr - Tmpi * Wpi;
Wi:= Wi + Tmpr * Wpi - Tmpi * Wpr;
while i < n do begin
j:= i + Mmax;
Tmpr:= Wr * Tmvl[j] - Wi * Tmvl[j-1];
Tmpi:= Wi * Tmvl[j] + Wr * Tmvl[j-1];
Tmvl[j]:= Tmvl[i] - Tmpr; Tmvl[j-1]:= Tmvl[i-1] - Tmpi;
Tmvl[i]:= Tmvl[i] + Tmpr; Tmvl[i-1]:= Tmvl[i-1] + Tmpi;
i:= i + Istp;
end;
end;
Mmax:= Istp;
end;
for i:= 0 to Nft-1 do begin
j:= i * 2; FTvl[ i ]:= 2*Sqrt(Sqr(Tmvl[j]) + Sqr(Tmvl[j+1]))/Nvl;
end;
SetLength(Tmvl, 0);
end;
C#
[править]using System;
using System.Numerics;
namespace FFT
{
public class FFT
{
/// <summary>
/// Вычисление поворачивающего модуля e^(-i*2*PI*k/N)
/// </summary>
/// <param name="k"></param>
/// <param name="N"></param>
/// <returns></returns>
private static Complex w(int k, int N)
{
if (k % N == 0) return 1;
double arg = -2 * Math.PI * k / N;
return new Complex(Math.Cos(arg), Math.Sin(arg));
}
/// <summary>
/// Возвращает спектр сигнала
/// </summary>
/// <param name="x">Массив значений сигнала. Количество значений должно быть степенью 2</param>
/// <returns>Массив со значениями спектра сигнала</returns>
public static Complex[] fft(Complex[] x)
{
Complex[] X;
int N = x.Length;
if (N == 2)
{
X = new Complex[2];
X[0] = x[0] + x[1];
X[1] = x[0] - x[1];
}
else
{
Complex[] x_even = new Complex[N / 2];
Complex[] x_odd = new Complex[N / 2];
for (int i = 0; i < N / 2; i++)
{
x_even[i] = x[2 * i];
x_odd[i] = x[2 * i + 1];
}
Complex[] X_even = fft(x_even);
Complex[] X_odd = fft(x_odd);
X = new Complex[N];
for (int i = 0; i < N / 2; i++)
{
X[i] = X_even[i] + w(i, N) * X_odd[i];
X[i + N / 2] = X_even[i] - w(i, N) * X_odd[i];
}
}
return X;
}
/// <summary>
/// Центровка массива значений полученных в fft (спектральная составляющая при нулевой частоте будет в центре массива)
/// </summary>
/// <param name="X">Массив значений полученный в fft</param>
/// <returns></returns>
public static Complex[] nfft(Complex[] X)
{
int N = X.Length;
Complex[] X_n = new Complex[N];
for (int i = 0; i < N / 2; i++)
{
X_n[i] = X[N / 2 + i];
X_n[N / 2 + i] = X[i];
}
return X_n;
}
}
}
Ссылки
[править]- Быстрое преобразование Фурье и его приложения — Описан сам метод, его основные свойства. Приведены реализации алгоритма для проведения этого преобразования на языках программирования C#, C++, Delphi, Visual Basic 6, Zonnon.
- Преобразование Фурье — Суть метода, теоремы, физические эффекты при преобразовании реальных сигналов, примеры оптимизированных программ на C++.
- Описание и реализация Быстрого преобразования Фурье на сайте e-maxx.ru
- Класс FFT для C++. Примеры с исходниками
- Класс FFT для С# ( Cooley–Tukey и классический алгоритм Быстрого преобразования Фурье)