第三节变换.ppt
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1、第三节变换现在学习的是第1页,共69页2.2 利用DFT进行连续信号的频谱分析 1、混叠 2、泄漏 3、栏栅效应 4、DFT的分辨率 5、周期信号的谱分析数字信号处理数字信号处理现在学习的是第2页,共69页数字信号处理数字信号处理现在学习的是第3页,共69页3.3 快速傅里叶变换快速傅里叶变换 有限长序列通过离散傅里叶变换(DFT)将其频 域离散化成有限长序列。但其计算量太大(与N的平方成正比),很难 实时地处理问题,因 此 引 出 了 快 速傅 里 叶 变 换(FFT)。FFT并 不是 一 种 新 的 变 换 形 式,它 只 是 DFT 的一 种 快 速 算 法,并 且 根 据 对 序 列
2、分 解 与 选 取 方 法 的 不 同 而 产 生 了 FFT 的 多 种 算 法。FFT 在 离 散 傅 里 叶 反 变 换、线 性 卷 积 和 线 性 相 关 等 方 面 也 有 重 要 应 用。数字信号处理数字信号处理现在学习的是第4页,共69页直接计算直接计算DFT算法存在的问题算法存在的问题及改进途径及改进途径问题提出:问题提出:设有限长序列设有限长序列x(n),非零值长度为非零值长度为N,计算对计算对x(n)进行一次进行一次DFT运算,共运算,共需多大的运算工作量需多大的运算工作量?数字信号处理数字信号处理现在学习的是第5页,共69页1.1.比较比较DFTDFT与与IDFTIDFT
3、的运算量的运算量10)()()(NnknNDFTWnxkXnx101()()()NIDFTknNkX kx nX k WN 其中x(n)为复数,也为复数所以DFT与IDFT二者计算量相同。knNjknNeW2数字信号处理数字信号处理现在学习的是第6页,共69页2.2.以以DFTDFT为例复数运算量为例复数运算量计算一个X(k)(一个频率成分)值,运算量为例k=1则要进行:N次复数乘法 +(N-1)次复数加法所以,要完成整个DFT运算,其计算量为:N*N次复数相乘和次复数相乘和N*(N-1)次复数加法次复数加法1210)1()2()1()0()1(NNNNNWNxWxWxWxX数字信号处理数字信
4、号处理现在学习的是第7页,共69页3.一次复数乘法换算成实数运算量一个复数乘法包括4个实数乘法和个实数乘法和2个实数相法个实数相法。(a+jb)(c+jd)=(ac-bd)+j(bc+ad)所以所有X(k)就要4N2次实数乘法运算,2N22N(N-1)N(4N-2)次实数加法运算.当N很大时,运算量将是惊人的,这样,难以做到实时处理。4次实数乘法2次实数加法数字信号处理数字信号处理现在学习的是第8页,共69页例子例1:当N=1024点时,直接计算DFT需要:N2=220=1048576次,即一百多万次的复乘运算这对实时性很强的信号处理(如雷达信号处理)来讲,它对计算速度有十分苛刻的要求-迫切需
5、要改进DFT的计算方法,以减少总的运算次数。例2:石油勘探,24通道记录,每通道波形记录长度5秒,若每秒抽样500点/秒,每通道道总抽样点数=500*5=2500点24通道总抽样点数=24*2500=6万点DFT运算时间=N2=(60000)2=36*108次数字信号处理数字信号处理现在学习的是第9页,共69页5、FFT的计算工作量FFT算法对于N点DFT,仅需(N/2)log2N 次复数乘法运算和Nlog2N 次复数加法。数字信号处理数字信号处理现在学习的是第10页,共69页如果计算机的速度为平均每次复数乘需要510-6秒,每次复加需要110-6秒,用来计算N=1024点DFT,问1)直接计
6、算需要多少时间?2)用FFT算法计算需要多少时间?msNNTsNNNTNN84.35log10log2105FFT)229.610231024101024105)1(10105)12626626626计算需要时间为多少?用直接计算所需时间为:例例数字信号处理数字信号处理现在学习的是第11页,共69页6.FFT算法分类:算法分类:1.按抽取方法分:时间抽取法(DIT Decimation-In-Time);频率抽取法(DIF Decimation-In-Frequency)2.按“基数”分:基-2FFT算法;基-4FFT算法;混合基FFT算法;分裂基FFT算法3.其它方法:线性调频Z变换(Chr
7、ip-z法)数字信号处理数字信号处理现在学习的是第12页,共69页3.3.1 按时间抽取的DFT 1、的特性nkNWkNNkNNNNmnkmNnkNmnkmNnkNNknNknNNnkNknNNnkNnkNnkNjnkNWWWWWWWWWWWWWWeW)2(20/)()(-2,11)4,)3)2)1,特殊点:可约性:周期性:)对称性:(数字信号处理数字信号处理现在学习的是第13页,共69页例子1454)54(494WWWW1898178258WWWW利用以上特性,得到改进DFT直接算法的方法.数字信号处理数字信号处理现在学习的是第14页,共69页2、DFT的基本思想快速傅里叶变换(FFT)就是
8、在此特性基础上发展起来的:因合并与分解方法的不同产生了多种DFT的快速算法。数字信号处理数字信号处理现在学习的是第15页,共69页3.3.1 时域抽取法基时域抽取法基2FFT基本原理基本原理Decimation-in-Time(DIT)1、时域抽取算法原理 设输入序列长度为N=2M(M为正整数,将该序列按时间顺序的奇偶分解为越来越短的子序列,称为基2按时间抽取的FFT算法。也称为Coolkey-Tukey算法。其中基数2-N=2M,M为整数.若不满足这个条件,可以人为地加上若干零值(加零补长)使其达到 N=2M数字信号处理数字信号处理现在学习的是第16页,共69页设一序列设一序列x(n)的长度
9、为的长度为L=9,应加零补长为应加零补长为N=24=16 应补应补7个零值。个零值。0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 nx(n)例子数字信号处理数字信号处理现在学习的是第17页,共69页2.算法步骤算法步骤设序列点数 N=2M,M为整数。若不满足,则补零1,1,0 ),()12(1,1,0 ),()2(DFT)()()(DFT)(222110NNNnknNrrxrxnrrxrxnnnxWnxkXnx为奇数时:为偶数时:,的奇偶分为两组作按将为:数字信号处理数字信号处理现在学习的是第18页,共69页)()()12()2()12()2()12()2()()
10、()(21101010210210)12(102101022222222kXWkXWrxWWrxWrxWWrxWrxWrxWnxWnxkXkNrrkkNrrkrrkNkNrrkNrkrNrrkNNnnNnnkNnnkNNNNNNNNN奇数偶数1021012222)12()()2()(NNNNrrkrrkWrxkXWrxkX其中:12,.1,0Nk现在学习的是第19页,共69页注)()()2()2()2(1212,.1,0),()()(120DFT2DFT,2)(),(2)(),(212)2(1212121kXWkXNkXWNkXNkXNNkNkkXWkXkXNkNNNrxrxNkXkXkNNk
11、NkN后半部分前半部分来计算点的可以用两个点的所以的长度也为,而的长度为数字信号处理数字信号处理kNNkNWW)2(其中现在学习的是第20页,共69页4.蝶形运算)1,1,0()()()2()1,1,0()()()(221221NkNNkNkkXWkXNkXkkXWkXkX,1 1 11-1-1)()()(21kXWkXkXkN)()()2(21kXWkXkNXkN)(1kX)(2kXkNW数字信号处理数字信号处理1 1 11-1-1)()()(21kXWkXkXkN)()()2(21kXWkXkNXkN)(1kX)(2kXkNW现在学习的是第21页,共69页(1)N/2点的DFT运算量:复乘
12、次数:复加次数:(2)两个N/2点的DFT运算量:复乘次数:复加次数:(3)N/2个蝶形运算的运算量:复乘次数:复加次数:复乘:复加:4)2(22NN)12(2NN22N)12(NN2NNN222)12(2NNNN22222NNN总共运算量:*但是,N N点DFTDFT的复乘为N N2 2;复加N(N-1);N(N-1);与分解后相比可知,计算工作点差不多减少 一半。数字信号处理数字信号处理现在学习的是第22页,共69页例 8点FFT的算法首先可以分解为两个N/2=4N/2=4点的DFTDFT.具体方法如下:)7()3(),5()2(),3()1(),1()0()()();6()3(),4()
13、2(),2()1(),0()0()()()()()2()()()(3,2,1,0,)12()2()(22222111112121302/302/xxxxxxxxnxrxxxxxxxxxnxrxkXWkXNkXkXWkXkXkWrxWWrxkXkNkNrrkNkNrrkN分别对应的值分别对应现在学习的是第23页,共69页3821282118210821)3()3(3)2()2(2)1()1(1)0()0(0WXXXWXXXWXXXWXXX)()()()(如:(1)N=8点分解成2个4点的DFT的信号流图 x(0)(0)x(2)(2)N/2N/2点点 x(4)(4)DFT DFT x(6)(6)x
14、(1)(1)x(3)(3)N/2N/2点点 x(5)(5)DFT DFT x(7)(7)X X1(0)(0)X X1(1)(1)X X1(2)(2)X X1(3)(3)X X2(0)(0)X X2(1)(1)X X2(2)(2)X X2(3)(3)WN2NW1NW0-1-1-1X(0)X(0)X(1)X(1)X(2)X(2)X(3)X(3)X(4)X(4)X(5)X(5)X(6)X(6)X(7)X(7)WN3现在学习的是第24页,共69页(2)N/2(4点)-N/4(2点)FFT由于N=2N=2 L,所以 N/2N/2仍为偶数,可以进一步把每个N/2N/2点的序列再按其奇偶部分分解为两个N/4
15、N/4的子序列。奇序列、偶序列、)3()6()1()2()2()4()0()0(:)(11111xxxxxxxxrx奇序列、偶序列、同理:)3()7()1()3()2()5()0()1(:)(22222xxxxxxxxrx现在学习的是第25页,共69页14,.1,0)()()()()4()()()()()()()()()()4()()()()()()()(,)()()()()()(42662/5252562/5242342/3142342/3122/104422/1033)12(2/104140243120411444NkkXWkXkXWkXNkXkXWkXkXWkXkXkXWkXkXWkXN
16、kXkXWkXkXWkXkXWlxkXWlxkXWlxWlxWrxkXkNkNkNkNkNkNkNkNlkNllkNlklNlNllkNrrkNNN3,2,1,0),()()4()()()(2121kkXWkXkXkXWkXkXkNkN现在学习的是第26页,共69页02NN02NN-1-1-1-1-1-1WWWWX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7)xN/4DFTN/4DFTN/4DFTN/4DFTX(0)X(2)X(6)X(1)X(5)X(3)X(7)X(4)WN0WN1WN2WN3X1(0)X1(1)X1(2)X1(3)X2(0)X2(1)X2(2)X2(3)X3
17、(0)X3(1)X4(0)X4(1)X5(0)X5(1)X6(0)X6(1)1()1()3()0()0()2()1()1()1()0()0()0(42831408314283140831XWXXXWXXXWXXXWXX其中)1()1()1()0()0()2()1()1()1()0()0()0(62852608526285260852XWXXXWXXXWXXXWXX其中现在学习的是第27页,共69页(3)N/4(2点)-2个1点DFT,这里用到对称性这是一蝶形结代入上面流图可知:nkNnkNnnkWWWxWxWxWxXWxWxWxWxXWnxkXN2080812023080802023102)4
18、()0()4()0()1()4()0()4()0()0()()(最后剩下两点DFT,它可分解成两个一点DFT,但一点DFT就等于输入信号本身,所以两点DFT可用一个蝶形结表示。取x(0)、x(4)为例。现在学习的是第28页,共69页1点DFTx(0)1点DFTx(4)X3(0)X3(1)08W)4()0()4()0()1()4()0()4()0()0(083083xxxWxXxxxWxX其中:2个1点的DFT蝶形流图-1现在学习的是第29页,共69页一个完整的按时间抽取的一个完整的按时间抽取的8点点FFT现在学习的是第30页,共69页6、对 N=2L点FFT流程图画法 1)输入倒位序,输出自然
19、序自然顺序n n 二进制n n n n n n 倒位序二进制n n n n n n 倒位顺序n n2 1 0 0 1 2 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 0 1 11 1 0 0 0 4 0 4 2 02 0 1 1 0 00 0 1 1 0 2 0 2 3 03 0 1 1 1 11 1 1 1 0 6 0 6 4 14 1 0 0 0 00 0 0 0 1 1 1 1 5 15 1 0 0 1 11 1 0 0 1 5 1 5 6 16 1 1 1 0 00 0 1 1 1 3 1 3 7 17 1 1 1 1 11 1 1 1 1 7 1 7
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