使用C语言实现FFT算法（快速傅里叶变换）
2024-06-26 09:07:28
文章目录
(一)FFT的基本原理
(二)FFT代码
(三)使用典型函数进行测试
(一)FFT的基本原理
FFT的总思路
第一步，将长序列DFT分解成短序列的DFT（本来是N点的DFT，被分解成两个 N/2 的DFT）第二步，分别将 N/2 的DFT分解成 N/4 的DFT第三步，继续分。。。最后被分成 2点 的DFT注意事项
只要开始的序列长度是2的正整数次方，就可以最终被分解成2点的DFT分解原则是：对输入进行偶奇分解，对输出进行前后分解（关于偶奇分解可以看上一篇雷德算法）前后分解
蝶形运算（可以体现出偶奇分解和前后分解）
(二)FFT代码
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define N 1024
#define PI 3.1415/*复数结构体类型*/
typedef struct{double realPart;
double imaginaryPart;
}complexNumber;complexNumber x[N], W[N/2]; //序列数组以及旋转因子数组int size_x=0; //输入序列的长度，只能为2的次幂
void fastFourierOperation();//快速傅里叶变换算法
void initRotationFactor(); //生成旋转因子数组
void changePosition(); //偶奇变换算法
void outputArray(); //遍历输出数组
void add(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数加法
void mul(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数乘法
void sub(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数减法 int main()
{printf("请输入序列的长度："); //输入序列的大小scanf("%d",&size_x);printf("\n请分别输入序列的实部和虚部\n"); //输入序列的实部和虚部for(int i=0;i<size_x;i++){printf("请输入第%d个序列的实部：",i);scanf("%lf",&x[i].realPart);printf("请输入第%d个序列的虚部：",i);scanf("%lf",&x[i].imaginaryPart);}printf("\n输出原序列：\n");outputArray();initRotationFactor(); //生成旋转因子数组 fastFourierOperation();//调用快速傅里叶变换printf("\n输出FFT后的结果：\n");outputArray(); //遍历输出数组return 0;
}/*快速傅里叶变换*/
void fastFourierOperation()
{int l=0;complexNumber up,down,product;changePosition(); //偶奇变换算法for(int i=0;i<size_x/2;i++) //一级蝶形运算{ l=1<<i;for(int j=0;j<size_x;j+= 2*l ) //一组蝶形运算{ for(int k=0;k<l;k++) //一个蝶形运算{ mul(x[j+k+l],W[size_x*k/2/l],&product);add(x[j+k],product,&up);sub(x[j+k],product,&down);x[j+k]=up;x[j+k+l]=down;}}}
}/*生成旋转因子数组*/
void initRotationFactor()
{for(int i=0;i<size_x/2;i++){W[i].realPart=cos(2*PI/size_x*i);//用欧拉公式计算旋转因子W[i].imaginaryPart=-1*sin(2*PI/size_x*i);}
}/*偶奇变换算法*/
void changePosition()
{int j=0,k;//待会儿进行运算时需要用到的变量 complexNumber temp;for (int i=0;i<size_x-1;i++) { if(i<j) {//若倒序数大于顺序数，进行变址（换位）；否则不变，防止重复交换，变回原数temp=x[i];x[i]=x[j];x[j]=temp;}k=size_x/2; //判断j的最高位是否为0while(j>=k) { //最高位为1j=j-k;k=k/2;}j=j+k; //最高位为0}printf("\n输出倒序后的结果：\n");outputArray();
}/*遍历输出数组*/
void outputArray()
{for(int i=0;i<size_x;i++){if(x[i].imaginaryPart<0){printf("%.4f-j%.4f\n",x[i].realPart,abs(x[i].imaginaryPart));}else{printf("%.4f+j%.4f\n",x[i].realPart,x[i].imaginaryPart);}}
}/*复数加法的定义*/
void add(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart+b.realPart;c->imaginaryPart=a.imaginaryPart+b.imaginaryPart;
}/*复数乘法的定义*/
void mul(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart*b.realPart - a.imaginaryPart*b.imaginaryPart;c->imaginaryPart=a.realPart*b.imaginaryPart + a.imaginaryPart*b.realPart;
}/*复数减法的定义*/
void sub(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart-b.realPart;c->imaginaryPart=a.imaginaryPart-b.imaginaryPart;
}
(三)使用典型函数进行测试
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#define N 8 /*复数结构体类型*/
typedef struct{double realPart;
double imaginaryPart;
}complexNumber;complexNumber x[N], W[N/2]; //序列数组以及旋转因子数组
int size_x=N;
double PI=atan(1)*4; //圆周率
void fastFourierOperation();//快速傅里叶变换算法
void initRotationFactor(); //生成旋转因子数组
void changePosition(); //偶奇变换算法
void outputArray(); //遍历输出数组
void add(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数加法
void mul(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数乘法
void sub(complexNumber ,complexNumber ,complexNumber*); //复数减法 /*长度为1024的冲激序列 */
void init1()
{printf("Example：度为1024的冲激序列\n");x[0].realPart=1;x[0].imaginaryPart=0;for(int i=1;i<N;i++){x[i].realPart=0;x[i].imaginaryPart=0;}
}/*长度为1024的矩形序列 */
void init2()
{ printf("Example：长度为1024的矩形序列\n"); for(int i=0;i<N;i++){x[i].realPart=1;x[i].imaginaryPart=0;}
}/*长度为1024的sin[2πk/1024]序列 */
void init3()
{ printf("Example：长度为1024的sin[2πk/1024]序列\n"); for(int i=0;i<N;i++){x[i].realPart=sin(2*PI*i/N);x[i].imaginaryPart=0;}
}/*长度为1024的cos[2πk/1024]序列 */
void init4()
{ printf("Example：长度为1024的cos[2πk/1024]序列\n");for(int i=0;i<N;i++){x[i].realPart=cos(2*PI*i/N);x[i].imaginaryPart=0;}
}int main()
{init3(); //调用不同的初始化函数，使用不同的例程进行测试 printf("=============================================================================================================================================================================================\n");printf("输出原序列：\n");outputArray();initRotationFactor(); //生成旋转因子数组 fastFourierOperation();//调用快速傅里叶变换printf("\n\n=============================================================================================================================================================================================\n");printf("输出FFT后的结果：\n");outputArray(); //遍历输出数组return 0;
}/*快速傅里叶变换*/
void fastFourierOperation()
{int l=0;complexNumber up,down,product;changePosition(); //偶奇变换算法for(int i=0;i<log(size_x)/log(2);i++) //一级蝶形运算{ l=1<<i;for(int j=0;j<size_x;j+= 2*l ) //一组蝶形运算{ for(int k=0;k<l;k++) //一个蝶形运算{ mul(x[j+k+l],W[size_x*k/2/l],&product);add(x[j+k],product,&up);sub(x[j+k],product,&down);x[j+k]=up;x[j+k+l]=down;}}}
}/*生成旋转因子数组*/
void initRotationFactor()
{for(int i=0;i<size_x/2;i++){W[i].realPart=cos(2*PI/size_x*i);//用欧拉公式计算旋转因子W[i].imaginaryPart=-1*sin(2*PI/size_x*i);}
}/*偶奇变换算法*/
void changePosition()
{int j=0,k;//待会儿进行运算时需要用到的变量 complexNumber temp;for (int i=0;i<size_x-1;i++) { if(i<j) {//若倒序数大于顺序数，进行变址（换位）；否则不变，防止重复交换，变回原数temp=x[i];x[i]=x[j];x[j]=temp;}k=size_x/2; //判断j的最高位是否为0while(j>=k) { //最高位为1j=j-k;k=k/2;}j=j+k; //最高位为0}printf("\n\n=============================================================================================================================================================================================\n");printf("输出倒序后的结果：\n");outputArray();
}/*遍历输出数组*/
void outputArray()
{int num=0;for(int i=0;i<size_x;i++){ if(x[i].imaginaryPart<0){printf("%.4f-j%.4f ",x[i].realPart,fabs(x[i].imaginaryPart));}else{printf("%.4f+j%.4f ",x[i].realPart,x[i].imaginaryPart);}num++;if(num==10){printf("\n");num=0;}}
}/*复数加法的定义*/
void add(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart+b.realPart;c->imaginaryPart=a.imaginaryPart+b.imaginaryPart;
}/*复数乘法的定义*/
void mul(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart*b.realPart - a.imaginaryPart*b.imaginaryPart;c->imaginaryPart=a.realPart*b.imaginaryPart + a.imaginaryPart*b.realPart;
}/*复数减法的定义*/
void sub(complexNumber a,complexNumber b,complexNumber *c)
{c->realPart=a.realPart-b.realPart;c->imaginaryPart=a.imaginaryPart-b.imaginaryPart;
}
部分运行效果如下：
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