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FFT C语言实现

工程师
2014-08-15 14:09:23     打赏
最近在做传感信号处理遇到了循环相关问题,快速循环相关算法,先将两组信号FFT变换到频域,进行复数乘积,再IFFT逆变回来即可。傅立叶变换是信号处理的基本模块,这里将这段代码拿出来分享一下,希望对同行有所用。

Dit2FFT.c文件 
/********************************************************************************

*File name        : dit2fft.c     
*Deion    : FFT calculation. Decimation in time FFT, radix-2. 

*

*Current version: v2.3 -- get a simple version, remove unnecessary code

*History version: 

*                 v2.2 -- modify the sin/cos table data, and the static 

*                 v2.1 -- modify the  name

*                 v2.0 -- separate the bit-reverse block

*                  v1.9 -- rewrite the bit-reverse block

*                 v1.8 -- rewrite the twiddle factor generation, and test fft,ifft

*                  v1.7 -- fix the twiddle factor bug, and test the four 

*                          combinations

*                  v1.6 -- adjust the DIT2_FLOAT to DIT2_FLOAT32

*                 v1.5 -- change DIT2_UINT16 to DIT2_UINT, and extend its scope

*                 v1.4 -- change the name of s

*                 v1.3 -- add the sin/cos table

*                   v1.2 -- add ifft

*                  v1.1 -- add bit-reverse in-place

*                  v1.0 -- achieve the basic  of FFT

*Author            : Wiracle

*Date            :2008-10-23

********************************************************************************/

 
/*inlcude the head file*/

/* the NULL define needed*/

//#include <stdlib.h>

/*

* caculate the magnitude and phase

* -- sqrt()

* -- atan()

*/

#include <math.h>

#include "Alg_Dit2FFT.h"

 
/*the sin(x)/cos(x) table*/

DIT2_FLOAT sin_table[21] = {

0.0,                   // sin(-2*pi/(2^0))     
0.0,                   // sin(-2*pi/(2^1)) 

-1.0,                   // sin(-2*pi/(2^2)) 

-0.70710678118655,       // sin(-2*pi/(2^3)) 

-0.38268343236509,       // sin(-2*pi/(2^4))     
-0.19509032201613,       // sin(-2*pi/(2^5))     
-0.09801714032956,       // sin(-2*pi/(2^6))     
-0.04906767432742,       // sin(-2*pi/(2^7))     
-0.02454122852291,       // sin(-2*pi/(2^8))     
-0.01227153828572,       // sin(-2*pi/(2^9))     
-0.00613588464915,       // sin(-2*pi/(2^10))

-0.00306795676297,       // sin(-2*pi/(2^11))

-0.00153398018628,       // sin(-2*pi/(2^12))

-0.00076699031874,       // sin(-2*pi/(2^13))

-0.00038349518757,       // sin(-2*pi/(2^14))

-0.00019174759731,       // sin(-2*pi/(2^15))

-0.00009587379910,       // sin(-2*pi/(2^16))

-0.00004793689960,       // sin(-2*pi/(2^17))

-0.00002396844981,       // sin(-2*pi/(2^18))

-0.00001198422491,       // sin(-2*pi/(2^19))

-0.00000599211245       // sin(-2*pi/(2^20))

};

 
DIT2_FLOAT cos_table[21] = {

1.0,                   //cos(-2*pi/(2^0))     
-1.0,                   //cos(-2*pi/(2^1))

0.0,                   //cos(-2*pi/(2^2))

0.70710678118655,       //cos(-2*pi/(2^3))

0.92387953251129,       //cos(-2*pi/(2^4))     
0.98078528040323,       //cos(-2*pi/(2^5))     
0.99518472667220,       //cos(-2*pi/(2^6))     
0.99879545620517,       //cos(-2*pi/(2^7))     
0.99969881869620,       //cos(-2*pi/(2^8))     
0.99992470183914,       //cos(-2*pi/(2^9))     
0.99998117528260,       //cos(-2*pi/(2^10))     
0.99999529380958,       //cos(-2*pi/(2^11))     
0.99999882345170,       //cos(-2*pi/(2^12))     
0.99999970586288,       //cos(-2*pi/(2^13))     
0.99999992646572,       //cos(-2*pi/(2^14))     
0.99999998161643,       //cos(-2*pi/(2^15))     
0.99999999540411,       //cos(-2*pi/(2^16))     
0.99999999885103,       //cos(-2*pi/(2^17))     
0.99999999971276,       //cos(-2*pi/(2^18))     
0.99999999992819,       //cos(-2*pi/(2^19))     
0.99999999998205       //cos(-2*pi/(2^20))     
};

static DIT2_UINT DIT2_Idx(DIT2_UINT in);

/********************************************************************************

* name  : DIT2_Rvs

*Input          : DIT2_FFT pointer

*Deion    : Bitreverse the input data, including real and imag part

*    typedef  struct DIT2_FFT_STRUCT

*    {

*        DIT2_FLOAT *real_in;    --input and output buffer

*        DIT2_FLOAT *imag_in;    --input and output buffer(can be NULL)

*        DIT2_FLOAT *real_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *imag_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *mag;           --unused

*        DIT2_FLOAT *phase;         --unused

*        DIT2_UINT size;         --the FFT size, must be 2^N

*        DIT2_UINT stage;           --unused

*        DIT2_UINT transform;       --unused

*    }DIT2_FFT;

********************************************************************************/

#pragma CODE_SECTION(DIT2_Rvs,"ramfuncs");

void DIT2_Rvs(DIT2_FFT *fft)

{

    DIT2_UINT i,j,k,n;

    DIT2_FLOAT tw_real,tw_imag;

 
    /*para check*/

    /*

    if ((fft->real_in == NULL) || (fft->imag_in == NULL))

    {

        while (1);

    }

    */

/*

* 1.loop along the array -- i

* 2.find the bit-reversed index -- k

* 3.check if i < k, if so, swap the X and X[k]

*/

    for (i = 0; i < fft->size; i++)

    {

        k = 0;

        n = i;

        for (j = 0; j < fft->stage; j++)

        {

            k = (k<<1) | (n&1);

            n >>= 1;

        }

 
        if (i < k)

        {

            tw_real = fft->real_in;

            tw_imag = fft->imag_in;

            fft->real_in = fft->real_in[k];

            fft->imag_in = fft->imag_in[k];

            fft->real_in[k] = tw_real;

            fft->imag_in[k] = tw_imag;

        }

    }

}

 
 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Fft

*Input          : DIT2_FFT *fft

*Deion    : used when uncommenting DIT2_BIT_INVERSE_IN_PLACE which achives 

*                 the bit-reversed in-place. As the following, the real part of 

*                 the inputsequence buffer is pointed by real_in, where the 

*                 output--magnitude info is also in. The imaginary part of the 

*                 input sequence buffer is pointed by image_in, where the output--

*                 phase info is alse in.

*    typedef  struct DIT2_FFT_STRUCT

*    {

*        DIT2_FLOAT *real_in;    --input and output buffer

*        DIT2_FLOAT *imag_in;    --input and output buffer

*        DIT2_FLOAT *real_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *imag_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *mag;           --unused

*        DIT2_FLOAT *phase;         --unused

*        DIT2_UINT size;      --the FFT size, must be 2^N

*        DIT2_UINT stage;     --N

*        DIT2_UINT transform; --DIT2_FORWARD_TRANSFORM or DIT2_INVERSE_TRANSFORM

*    }DIT2_FFT;

********************************************************************************/

#pragma CODE_SECTION(DIT2_Fft,"ramfuncs");

void DIT2_Fft(DIT2_FFT *fft)

{

    DIT2_UINT i,j,k,n;

    DIT2_UINT block_size,block_end;

    DIT2_FLOAT cos1,sin1,cos2,sin2;

    DIT2_FLOAT tw_real,tw_imag;    //temperary t-w

    DIT2_INT16 ang_factor;

 
    /*para check*/

    /*

    if ((fft->imag_in == NULL) || (fft->real_in == NULL))

    {

        while (1);

    }

    */

 
    /*transform direction*/

    switch (fft->transform)

    {

        case DIT2_FORWARD_TRANSFORM:

            ang_factor = DIT2_FORWARD_TRANSFORM;

            break;

 
        case DIT2_INVERSE_TRANSFORM:

            ang_factor = DIT2_INVERSE_TRANSFORM;

            break;

 
        default:

            break;

    }

 
    /*fft*/

    block_end = 1;

/*

* The external loop:

*    find the cos(t-w)/sin(t-w) -- t-w = -2*pi/N

*/

    for (block_size = 2; block_size <= fft->size; block_size <<= 1)

    {

 
        i = DIT2_Idx(block_size);

        cos1 = cos_table;

        sin1 = sin_table;

 
        if (ang_factor == DIT2_INVERSE_TRANSFORM)

        {

            sin1 = -sin1;

        }

         
 
/*

* prepare the first t-w

*/

        for (i = 0; i < fft->size; i += block_size)

        {

            cos2 = 1;//cos(0)

            sin2 = 0;//sin(0)

 
            for (j = i, n = 0; n < block_end; j++, n++)

            {

                k = j + block_end;

                tw_real = fft->real_in[k]*cos2 - fft->imag_in[k]*sin2;

                tw_imag = fft->real_in[k]*sin2 + fft->imag_in[k]*cos2;

 
                /*lower elem*/

                fft->real_in[k] = fft->real_in[j] - tw_real;

                fft->imag_in[k] = fft->imag_in[j] - tw_imag;

 
                /*uper elem*/

                fft->real_in[j] = fft->real_in[j] + tw_real;

                fft->imag_in[j] = fft->imag_in[j] + tw_imag;

 
                /*adjust cos(t-w)/sin(t-w)*/

                tw_real = cos2*cos1 - sin2*sin1;//cos(n+1) = cos(n)cos(1) - sin(n)sin(1)

                tw_imag = cos2*sin1 + sin2*cos1;//sin(n+1) = sin(n)cos(1) + sin(1)cos(n)

 
                cos2 = tw_real;//cos2 = cos(n+1)

                sin2 = tw_imag;//sin2 = sin(n+1)

            }

        }

        block_end  = block_size;

    }

 
    /*inverse transform*/

    if (fft->transform == DIT2_INVERSE_TRANSFORM)

    {

        for (i = 0; i < fft->size; i++)

        {

            fft->real_in /= fft->size;

            fft->imag_in /= fft->size;

        }

    }

 
    return;

}

 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Mag

*Input          : DIT2_FFT pointer

*Deion    : calculate the magnitude and phase info of the output sequence,

*                 used when uncommenting the MACROA--

*                #define DIT2_BIT_INVERSE_IN_PLACE

*

*    typedef  struct DIT2_FFT_STRUCT

*    {

*        DIT2_FLOAT *real_in;   --output magnitude info 

*        DIT2_FLOAT *imag_in;   --output phase info

*        DIT2_FLOAT *real_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *imag_out;      --unused

*        DIT2_FLOAT *mag;           --unused

*        DIT2_FLOAT *phase;         --unused

*        DIT2_UINT size;      --the FFT size, must be 2^N

*        DIT2_UINT stage;         --unused

*        DIT2_UINT transform;     --unused

*    }DIT2_FFT;

********************************************************************************/

#pragma CODE_SECTION(DIT2_Mag,"ramfuncs");

void DIT2_Mag(DIT2_FFT *fft)

{

    DIT2_UINT i;

    DIT2_FLOAT  mag,rad;

 
    /*para check*/

    /*

    if ((fft->real_in == NULL) ||(fft->imag_in == NULL))

    {

        while (1);

    }*/

 
    for (i = 0; i < fft->size; i++)

    {

        mag = sqrt(fft->real_in * fft->real_in + fft->imag_in * fft->imag_in);

        rad = atan2(fft->imag_in,fft->real_in);

        fft->real_in = mag*2.0/fft->size;

        fft->imag_in = rad;

    }

 
    fft->real_in[0] /= 2.0;

 
    return;

}

 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Idx

*Input          : DIT2_UINT in -- the blocksize value

*Output         : the index in sin_table/cos_table

*Deion    : calculate the index in sin_table/cos_table to lookup the table

*                 according the current blocksize. Only used when uncomment the

*                 MACRO--#define DIT2_SIN_COS_TABALE

********************************************************************************/

#pragma CODE_SECTION(DIT2_Idx,"ramfuncs");

static DIT2_UINT DIT2_Idx(DIT2_UINT in)

{

    DIT2_UINT i;

 
    for (i=0; ; i++)

    {

        if (in & (1 << i))

        {

            return(i);

        }

    }

}


Dit2FFT.h文件 
/********************************************************************************

*File name        : Alg_Dit2FFT.h     
*Deion    : FFT calculation. Decimation in time FFT, radix-2. 

*

*Current version: v2.3 -- get a simple version, remove unnecessary code

*History version: 

*                 v2.2 -- modify the sin/cos table data, and the static 

*                 v2.1 -- modify the  name

*                 v2.0 -- separate the bit-reverse block

*                  v1.9 -- rewrite the bit-reverse block

*                 v1.8 -- rewrite the twiddle factor generation, and test fft,ifft

*                  v1.7 -- fix the twiddle factor bug, and test the four 

*                          combinations

*                  v1.6 -- adjust the DIT2_FLOAT to DIT2_FLOAT32

*                 v1.5 -- change DIT2_UINT16 to DIT2_UINT, and extend its scope

*                 v1.4 -- change the name of s

*                 v1.3 -- add the sin/cos table

*                   v1.2 -- add ifft

*                  v1.1 -- add bit-reverse in-place

*                  v1.0 -- achieve the basic  of FFT

*Author            : Wiracle

*Date            :2008-10-23

********************************************************************************/

 
#ifndef _ALG_DIT2FFT_H_

#define _ALG_DIT2FFT_H_

 
//#include "App_TypeDefDataStruct.h"

typedef  unsigned int       DIT2_UINT16;

typedef  int                DIT2_INT16;

typedef  unsigned long      DIT2_UINT32;

typedef  long               DIT2_INT32;

typedef  long long          DIT2_INT64;

typedef  unsigned long long DIT2_UINT64;

typedef  float              DIT2_FLOAT32;

typedef  long double        DIT2_FLOAT64;

/*config the type used */

typedef  DIT2_FLOAT32       DIT2_FLOAT;

typedef  DIT2_UINT32        DIT2_UINT;

typedef  DIT2_INT32         DIT2_INT;

 
//FFT运算数据结构

typedef struct st_DIT2_FFT

{

    DIT2_FLOAT32 *real_in;    //input and output buffer

    DIT2_FLOAT32 *imag_in;    //input and output buffer

    DIT2_UINT16 size;    //FFT size ,must be 2^N

    DIT2_UINT16 stage;    //蝶形次数

    DIT2_UINT16 transform; //0: FFT运算  1:IFFT运算

}DIT2_FFT;

 
 
 
/*choose the FFT direction*/

#define DIT2_FORWARD_TRANSFORM 0U

#define DIT2_INVERSE_TRANSFORM 1U

//#include "..\Sources_Application\App_TypeDefDataStruct.h"

 
extern DIT2_FLOAT sin_table[];

extern DIT2_FLOAT cos_table[];

 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Rvs

*Input          : DIT2_FFT pointer

*Deion    : Bitreverse the input data, including real and imag part

********************************************************************************/

extern void DIT2_Rvs(DIT2_FFT *fft);

 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Fft

*Input          : DIT2_FFT *fft

*Deion    : Calculate the FFT or IFFT

********************************************************************************/

extern void DIT2_Fft(DIT2_FFT *fft);

 
/********************************************************************************

* name  : DIT2_Mag

*Input          : DIT2_FFT pointer

*Deion    : calculate the magnitude and phase info of the output sequence,

********************************************************************************/

extern void DIT2_Mag(DIT2_FFT *fft);

 
#endif // end of #ifndef _ALG_DIT2FFT_H_


app_main.c  文件
// TI File $Revision: /main/14 $

// Checkin $Date: April 21, 2008   15:41:07 $

//###########################################################################

#include "DSP28x_Project.h"     // Device Headerfile and Examples Include File

#include "SoftTimer.h"

#include "Alg_Dit2FFT.h"

#include "stdlib.h"

 
#define PI 3.1415926

// Prototype statements for s found within this file.

interrupt void cpu_timer1_isr(void);

 
SOFT_TIMER_LINK timer_1;

SOFT_TIMER_LINK timer_2;

 
#pragma DATA_SECTION(sig_real,"ZONE7DATA");

float sig_real[8192];

#pragma DATA_SECTION(sig_imag,"ZONE7DATA");

float sig_imag[8192];

 
DIT2_FFT dit2_fft;

 
 
void init_fft(void);

void init_ifft(void);

 
void main(void)

{

    init_fft();

    DIT2_Rvs(&dit2_fft);

    DIT2_Fft(&dit2_fft);

    //DIT2_Mag(&dit2_fft);

    init_ifft();     
    DIT2_Rvs(&dit2_fft);

    DIT2_Fft(&dit2_fft);

    for(;;)

    {

 
    }

}

 
 
void init_fft(void)

{

    int i;

    float omg_o;

 
 
    dit2_fft.real_in = sig_real;

    dit2_fft.imag_in = sig_imag;

    dit2_fft.transform = 1;

    dit2_fft.size = 8192;

    dit2_fft.stage = 13;

 
    omg_o = 2*PI/dit2_fft.size;

 
    for(i=0;i<dit2_fft.size;i++)

    {

        sig_real = sin(2*omg_o*i) + 2*sin(50*omg_o*i);// + 4*sin(100*omg_o*i)+ 8*sin(1000*omg_o*i) ;

        sig_imag = 0;

    }

}

void init_ifft(void)

{

    dit2_fft.real_in = sig_real;

    dit2_fft.imag_in = sig_imag;

    dit2_fft.transform = 0;

    dit2_fft.size = 8192;

    dit2_fft.stage = 13;

}

 
 
 
 
 
 
//===========================================================================

// No more.

//===========================================================================

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