fft算法的应用（FFT运算，在信号处理中是怎样运用的啊）

本文目录

• FFT运算，在信号处理中是怎样运用的啊
• 实序列的FFT算法
• 如何应用matlab进行fft分析
• 示波器的FFT运算有什么作用

FFT运算，在信号处理中是怎样运用的啊

FFT算法实现因为PIC16F877片内有高达368×8位（相当于184×16位）的数据存储器（RAM），故用片内RAM最多可以完成64点FFT（16位实部和虚部数据）。现在仅实现16点FFT，主要是起抛砖引玉的作用。这里的FFT是按频率抽取的。在调用FFT子程序前，输入数据按正常次序输入，而输出数据是经FFT变换整序处理后输出。原始数据被变换后的数据覆盖存放在RAM中，这是通过分解序列实现的；然而分解序列将引起DFT的项序混乱，所以在变换结束，所有的数据需要进行“整序”,以恢复DFT的正常次序。某些应用可以不进行整序；因而整序程序编成子程序形式，当需要时随时可以调用。输入数据为32位，前为16位实部，后为16位虚部，中间结果为32位；输出数据也是前为实部，后为虚部。这样计算的结果具有相当高的精度。

实序列的FFT算法

在以上讨论FFT算法中，均假定序列x(l)为复的，但实际问题中的序列大多为实的。当然，我们可以把实序列处理成虚部为零的复序列。因此，就要引进许多零参加运算。这样一来，在机器运算时间和存储单元方面都将造成很大的浪费。在本段中，我们介绍对实序列x(l)应用FFT算法的一个有效方法。

1.同时计算两个实序列的FFT算法

设有N=4的两个实序列x₁(l)与x₂(l)。为了求得它们的谱X₁(m)与X₂(m)，我们用此二实序列构造成如下复序列

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利用上一段的方法，可以求得复序列x(l)的谱X(m)。根据(7-3-1)得到

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上式中的m用N-m代替，则得

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将上式两端取共轭，根据对称性有

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根据DFT的复共轭性质，对于实序列x₁(l)与x₂(l)，有

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于是从(7-3-4)得到

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联立求解(7-3-2)和(7-3-6)便得到

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例如设有两个N=4点的实序列，

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我们用它们构造一个N=4点的复序列

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利用FFT算法求X(m)，m=0，1，2，3(图7-3-1)，

图7-3-1 N=4点的FFT算法流程图

于是得到

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因此从式(7-3-7)得到

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2.实序列的FFT算法

设有N点的实序列x(l)，l=0，1，2，…，N-1。按照点的奇偶编号，将它们分成N/2个点的两个子序列

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设x₁(l)的谱与x₂(l)的谱分别为X₁(m)与X₂(m)

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其中

于是可以将实序列x(l)的谱X(m)，用两个子序列x₁(l)，x₂(l)的谱X₁(m)，X₂(m)来表示

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其中

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注意，x₁(l)，x₂(l)与X₁(m)，X₂(m)均以N/2为周期，

利用x₁(l)、x₂(l)构成如下复序列

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利用FFT算法可以求得复序列 的谱 。根据(7-3-7)就求得两个实子序列的谱X₁(m)与X₂(m)

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有了X₁(m)，X₂(m)，根据(7-3-10)就可求得X(m)。以上就是用FFT算法求实序列x(l)的谱X(m)的方法。必须指出，用公式(7-3-10)求X(m)时，第一，两个实子序列的谱X₁(m)，X₂(m)及复序列x珓(l)的谱珘X(m)均是以N/2为周期的周期序列;第二，由于x

(l)是实序列，根据DFT的复共轭性质有X(m)=X*(N-m)，m=0，1，…，N/2，故只需求得前(N/2)+1个点的X(m)，就得到全部N个点的X(m)了

例如，有N=8点的实序列，

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首先，按点的奇偶编号分成两个实子序列，

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其次用它们构造如下复序列，

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用FFT算法求此复序列的谱 (图7-3-2)

图7-3-2 N=4点的FFT算法流程图

于是得到:

根据周期性，有

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根据(7-3-12)式，

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根据周期性，有

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故最终由(7-3-10)得到

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如何应用matlab进行fft分析

　　FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换
到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如
果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号
分析采用FFT变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱
提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。
虽然很多人都知道FFT是什么，可以用来做什么，怎么去
做，但是却不知道FFT之后的结果是什意思、如何决定要使用
多少点来做FFT。

现在圈圈就根据实际经验来说说FFT结果的具体物理意义。
一个模拟信号，经过ADC采样之后，就变成了数字信号。采样
定理告诉我们，采样频率要大于信号频率的两倍，这些我就
不在此罗嗦了。

采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了。N个采样点，
经过FFT之后，就可以得到N个点的FFT结果。为了方便进行FFT
运算，通常N取2的整数次方。

假设采样频率为Fs，信号频率F，采样点数为N。那么FFT
之后结果就是一个为N点的复数。每一个点就对应着一个频率
点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始
信号的幅度有什么关系呢？假设原始信号的峰值为A，那么FFT
的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是A
的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量
的N倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。
第一个点表示直流分量（即0Hz），而最后一个点N的再下一个
点（实际上这个点是不存在的，这里是假设的第N+1个点，也
可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后）则表示
采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率
依次增加。例如某点n所表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N。
由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果
采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。
1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒
时间的信号并做FFT，则结果可以分析到1Hz，如果采样2秒时
间的信号并做FFT，则结果可以分析到0.5Hz。如果要提高频率
分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。频率分辨率和
采样时间是倒数关系。
假设FFT之后某点n用复数a+bi表示，那么这个复数的模就是
An=根号a*a+b*b，相位就是Pn=atan2(b,a)。根据以上的结果，
就可以计算出n点（n≠1，且n《=N/2）对应的信号的表达式为：
An/(N/2)*cos(2*pi*Fn*t+Pn)，即2*An/N*cos(2*pi*Fn*t+Pn)。
对于n=1点的信号，是直流分量，幅度即为A1/N。
由于FFT结果的对称性，通常我们只使用前半部分的结果，
即小于采样频率一半的结果。

好了，说了半天，看着公式也晕，下面圈圈以一个实际的
信号来做说明。

假设我们有一个信号，它含有2V的直流分量，频率为50Hz、
相位为-30度、幅度为3V的交流信号，以及一个频率为75Hz、
相位为90度、幅度为1.5V的交流信号。用数学表达式就是如下：

S=2+3*cos(2*pi*50*t-pi*30/180)+1.5*cos(2*pi*75*t+pi*90/180)

式中cos参数为弧度，所以-30度和90度要分别换算成弧度。
我们以256Hz的采样率对这个信号进行采样，总共采样256点。
按照我们上面的分析，Fn=(n-1)*Fs/N，我们可以知道，每两个
点之间的间距就是1Hz，第n个点的频率就是n-1。我们的信号
有3个频率：0Hz、50Hz、75Hz，应该分别在第1个点、第51个点、
第76个点上出现峰值，其它各点应该接近0。实际情况如何呢？
我们来看看FFT的结果的模值如图所示。

图1 FFT结果
从图中我们可以看到，在第1点、第51点、和第76点附近有
比较大的值。我们分别将这三个点附近的数据拿上来细看：
1点： 512+0i
2点： -2.6195E-14 - 1.4162E-13i
3点： -2.8586E-14 - 1.1898E-13i

50点：-6.2076E-13 - 2.1713E-12i
51点：332.55 - 192i
52点：-1.6707E-12 - 1.5241E-12i

75点：-2.2199E-13 -1.0076E-12i
76点：3.4315E-12 + 192i
77点：-3.0263E-14 +7.5609E-13i

很明显，1点、51点、76点的值都比较大，它附近的点值
都很小，可以认为是0，即在那些频率点上的信号幅度为0。
接着，我们来计算各点的幅度值。分别计算这三个点的模值，
结果如下：
1点： 512
51点：384
76点：192
按照公式，可以计算出直流分量为：512/N=512/256=2；
50Hz信号的幅度为：384/(N/2)=384/(256/2)=3；75Hz信号的
幅度为192/(N/2)=192/(256/2)=1.5。可见，从频谱分析出来
的幅度是正确的。
然后再来计算相位信息。直流信号没有相位可言，不用管
它。先计算50Hz信号的相位，atan2(-192, 332.55)=-0.5236,
结果是弧度，换算为角度就是180*(-0.5236)/pi=-30.0001。再
计算75Hz信号的相位，atan2(192, 3.4315E-12)=1.5708弧度，
换算成角度就是180*1.5708/pi=90.0002。可见，相位也是对的。
根据FFT结果以及上面的分析计算，我们就可以写出信号的表达
式了，它就是我们开始提供的信号。

总结：假设采样频率为Fs，采样点数为N，做FFT之后，某
一点n（n从1开始）表示的频率为：Fn=(n-1)*Fs/N；该点的模值
除以N/2就是对应该频率下的信号的幅度（对于直流信号是除以
N）；该点的相位即是对应该频率下的信号的相位。相位的计算
可用函数atan2(b,a)计算。atan2(b,a)是求坐标为(a,b)点的角
度值，范围从-pi到pi。要精确到xHz，则需要采样长度为1/x秒
的信号，并做FFT。要提高频率分辨率，就需要增加采样点数，
这在一些实际的应用中是不现实的，需要在较短的时间内完成
分析。解决这个问题的方法有频率细分法，比较简单的方法是
采样比较短时间的信号，然后在后面补充一定数量的0，使其长度
达到需要的点数，再做FFT，这在一定程度上能够提高频率分辨力。
具体的频率细分法可参考相关文献。

[附录：本测试数据使用的matlab程序]
close all; %先关闭所有图片
Adc=2; %直流分量幅度
A1=3; %频率F1信号的幅度
A2=1.5; %频率F2信号的幅度
F1=50; %信号1频率(Hz)
F2=75; %信号2频率(Hz)
Fs=256; %采样频率(Hz)
P1=-30; %信号1相位(度)
P2=90; %信号相位(度)
N=256; %采样点数
t=[0:1/Fs:N/Fs]; %采样时刻

%信号
S=Adc+A1*cos(2*pi*F1*t+pi*P1/180)+A2*cos(2*pi*F2*t+pi*P2/180);
%显示原始信号
plot(S);
title(’原始信号’);

figure;
Y = fft(S,N); %做FFT变换
Ayy = (abs(Y)); %取模
plot(Ayy(1:N)); %显示原始的FFT模值结果
title(’FFT 模值’);

figure;
Ayy=Ayy/(N/2); %换算成实际的幅度
Ayy(1)=Ayy(1)/2;
F=([1:N]-1)*Fs/N; %换算成实际的频率值
plot(F(1:N/2),Ayy(1:N/2)); %显示换算后的FFT模值结果
title(’幅度-频率曲线图’);

figure;
Pyy=[1:N/2];
for i=“1:N/2“
Pyy(i)=phase(Y(i)); %计算相位
Pyy(i)=Pyy(i)*180/pi; %换算为角度
end;
plot(F(1:N/2),Pyy(1:N/2)); %显示相位图
title(’相位-频率曲线图’);

看完这个你就明白谐波分析了。

示波器的FFT运算有什么作用

示波器的FFT运算就是快速傅里叶变换，通过傅里叶变换可实现实现时域信号和频域信号的转换，展示出时域信号的频率构成。每一个波形都可以被分解成不同频率、幅值正弦波叠加，FFT运算得到的频率点都是方波分出的谐波分量的频率。

FFT运算功能的作用就是测试滤波器和系统的脉冲响应；分辨和定位噪声干扰源，确定乱真辐射；分析抖动、谐波功率、EMI；由于FFT运算需进行大量的数据处理，所以很多示波器在进行FFT运算的时容易出现卡的现象。