非周期性連續(xù)時間信號x(t)的傅里葉變換可以表示為

　　式中計算出來的是信號x(t)的連續(xù)頻譜,。但是,，在實際的控制系統(tǒng)中能夠得到的是連續(xù)信號x(t)的離散采樣值x(nT),。因此需要利用離散信號x(nT)來計算信號x(t)的頻譜,。

　　有限長離散信號x(n)，n=0,，1,，…，N-1的DFT定義為：

　　可以看出,，DFT需要計算大約N2次乘法和N2次加法,。當(dāng)N較大時，這個計算量是很大的,。利用WN的對稱性和周期性,，將N點DFT分解為兩個N/2點的 DFT，這樣兩個N/2點DFT總的計算量只是原來的一半,，即(N/2)2+(N/2)2=N2/2,，這樣可以繼續(xù)分解下去，將N/2再分解為N/4點 DFT等,。對于N=2m 點的DFT都可以分解為2點的DFT,，這樣其計算量可以減少為(N/2)log2N次乘法和Nlog2N次加法。圖1為FFT與DFT-所需運算量與計算點數(shù)的關(guān)系曲線,。由圖可以明顯看出FFT算法的優(yōu)越性,。

　　將x(n)分解為偶數(shù)與奇數(shù)的兩個序列之和，即

　　x1(n)和x2(n)的長度都是N/2,，x1(n)是偶數(shù)序列,，x2(n)是奇數(shù)序列，則

　　其中X1(k)和X2(k)分別為x1(n)和x2(n)的N/2點DFT,。由于X1(k)和X2(k)均以N/2為周期,，且WN k+N/2=-WN k，所以X(k)又可表示為：

　　上式的運算可以用圖2表示,，根據(jù)其形狀稱之為蝶形運算,。依此類推，經(jīng)過m-1次分解,，最后將N點DFT分解為N/2個兩點DFT,。圖3為8點FFT的分解流程。

　　FFT算法的原理是通過許多小的更加容易進(jìn)行的變換去實現(xiàn)大規(guī)模的變換,，降低了運算要求,，提高了與運算速度,。FFT不是DFT的近似運算，它們完全是等效的,。

　2 快速傅里葉算法在TMS320LF2407上的實現(xiàn)

　　根據(jù)FFT算法的特點,，處理器要在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作，因為復(fù)數(shù)運算要多次查表相乘才能實現(xiàn),。其二就是間接尋址,，可以實現(xiàn)增/減1個變址量，方便各種查表方法,。再次,，F(xiàn)FT變換的輸入序列x(n)是按所謂的碼位倒序排列的，處理器要有反序間接尋址的能力,。DSP控制器專門設(shè)計了特有的反序間接尋址,，并能在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的運算。因此,，對數(shù)字信號的分析處理,，DSP比其它的處理器有絕對的優(yōu)勢。本文采用TI公司C2000系列TMS320LF2407芯片來實現(xiàn)FFT算法,。

　　TMS320LF2407定點DSP是一款專為工業(yè)控制,、電機控制和數(shù)字信號處理等用途而設(shè)計的DSP，具備單周期乘加指令,，具有FFT反序間接尋址功能,，最高運行速度為40MIPS。為了充分利用DSP芯片特有的反序間接尋址等功能,，F(xiàn)FT算法程序采用匯編語言編寫,，主程序采用C語言，因此程序具有良好的兼容性和可擴展性,。

　　主程序流程圖如圖4所示,。系統(tǒng)初始化主要完成DSP的系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器、等待狀態(tài)發(fā)生器控制寄存器,、中斷寄存器等的必要設(shè)置,。

　　本程序采樣函數(shù)為：x=sin(20πt)，采樣頻率為640Hz,。

　　輸入數(shù)據(jù)波形如圖5所示,。一般情況下，我們只關(guān)心信號頻域的幅度譜,。幅度譜|X(k)|2的計算：X(k)=XR(k)+jX(k),，|X(k)2|=|Xr(k)|2+|Xi(k)|2。FFT計算結(jié)果的信號幅度譜|X(k)|2如圖6所示。

　　輸入信號頻率是10Hz,，根據(jù)公式f=kfs/N,，f是原始信號的頻率，k表示峰值出現(xiàn)的位置,，fS是采樣頻率,，N是計算的點數(shù)，從幅度譜中看出,，峰值出現(xiàn)在k=1處,，那么，f=1×640/64=10,，與原始信號的實際頻率一致,，說明計算結(jié)果正確。

    3 快速傅里葉變換(FFT)的應(yīng)用

　　FFT在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用,。圖7為FFT的典型應(yīng)用方案。下面簡單介紹一下FFT的應(yīng)用領(lǐng)域,。

　　(1)頻譜分析,。對各類旋轉(zhuǎn)機械、電機,、機床等機器的主體或部件進(jìn)行實際運行狀態(tài)下的頻譜分析,，可以提供設(shè)計數(shù)據(jù)和檢驗設(shè)計結(jié)果，或者找尋震源和診斷故障,，保證設(shè)備的安全運行等,。在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇,，需要對噪聲信號進(jìn)行頻譜分析,，以提供有用信息，判斷艦艇運行速度,、方向,、位置、大小等,。

　　(2)濾波,。濾波是FFT最廣泛的應(yīng)用，它使對波形的頻率分量濾波變得十分簡單,。比如對采樣信號進(jìn)行FFT后,，去掉不需要的頻率分量，再進(jìn)行FFT反變換,，就得到濾波后的期望信號,。

　　(3)電力監(jiān)控系統(tǒng)的諧波分析。電力監(jiān)控系統(tǒng)的諧波分析，需要對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運算,，然后通過液晶屏或其它人機界面重新繪畫出來,，以方便技術(shù)人員掌握電力的質(zhì)量。

　　4 總結(jié)

　　實驗證明,，此程序在TMS320LF2407定點DSP中運行良好,，速度快且運算結(jié)果十分可靠，其用于一般的信號處理和工業(yè)控制都能滿足精度和實時的要求,，具有較高的學(xué)術(shù)價值和良好的應(yīng)用前景,。其次，掌握FFT,，學(xué)會在空域和頻域中同時思考問題,，很多時候可以讓我們使用簡單的方法來解決復(fù)雜的問題。