Bài giảng Xử lý tín hiệu số - Chương 3: Các thuật toán FFT và ứng dụng - Đặng Quang Hiếu

ET4020 - Xử lý tín hiệu số
Chương 3: Các thuật toán FFT và ứng dụng
TS. Đặng Quang Hiếu
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện tử - Viễn thông
Năm học 2012 - 2013
Outline
Ứng dụng của DFT
Các thuật toán FFT
Thực hiện hệ thống FIR
Xét hệ thống LTI với đáp ứng xung h(n) có chiều dài hữu hạn P .
Khi đầu vào x(n) chiều dài L, ta có:
y(n) = x(n) ∗ h(n) = x(n)N(∗)Mh(n)N
trong đó N ≥ L+ P − 1, các dãy x(n)N , h(n)N được chèn thêm 0
vào cuối.
x(n)
h(n)
y(n)
DFT
DFT
IDFT
Trên thực tế, đầu vào x(n) rất dài so với đáp ứng xung h(n) (có
thể coi dài tới vô hạn): L≫ P . Khi đó, chia x(n) thành các đoạn
nhỏ trước khi chập → chập phân đoạn.
Chập phân đoạn: Xếp chồng & cộng (overlap-add)
đầu vào
x1(n)
đầu ra y1(n)
(P − 1) điểm
x2(n)
y2(n)
x3(n)
y2(n)
+
+
+
Chập phân đoạn: Đặt kề nhau (overlap-save)
đầu vào
(P − 1) điểm 0
x1(n)
đầu ra y1(n)
x2(n)
y2(n)
x3(n)
y3(n)
Bỏ
Phân tích phổ của tín hiệu thời gian thực
Nguyên lý: Chia tín hiệu thành các đoạn (thường là chồng lên
nhau), thực hiện biến đổi FFT trên từng đoạn, với các loại cửa sổ
khác nhau.
Các bước thực hiện trên một đoạn dữ liệu:
1. Rời rạc hóa tín hiệu x(t)→ x(n), xét trên một đoạn N mẫu
2. Nhân với hàm cửa sổ xd(n) = x(n)w(n)
3. Thực hiện FFT M-điểm cho xd(n), với M ≥ N (thêm các
điểm 0 vào cuối ko làm thay đổi phổ tín hiệu!).
4. Chuẩn hóa tần số, biên độ khi vẽ |X (k)|
Lưu ý:
◮ Ảnh hưởng của cửa sổ: Rò rỉ công suất (leakage)
◮ Độ phân giải tần số
◮ Các đoạn chồng lên nhau (overlapping)
Outline
Ứng dụng của DFT
Các thuật toán FFT
Độ phức tạp tính toán của DFT
X (k) =
N−1∑
n=0
x(n)W knN , 0 ≤ k ≤ N − 1
trong đó, WN = e
−j2pi/N .
Để tính trực tiếp mỗi giá trị của X (k):
◮ N phép nhân phức (4N phép nhân thực và 2N phép cộng
thực)
◮ N − 1 phép cộng phức (2N − 2 phép cộng thực)
◮ 2N phép tính giá trị các hàm sin, cos.
Độ phức tạp tính toán của DFT - N điểm: O(N2).
DIT Radix-2 FFT (phân chia theo thời gian, cơ số 2)
Xét N = 2v , chia x(n) thành hai dãy chỉ số chẵn x(2m) và chỉ số
lẻ x(2m + 1):
X (k) =
N−1∑
n=0
x(n)W knN , k = 0, 1, · · · , (N − 1)
=
N/2−1∑
m=0
x(2m)W k2mN +
N/2−1∑
m=0
x(2m + 1)W
k(2m+1)
N
Với k = 0, 1, . . . ,N/2, ta có:
X (k) =
N/2−1∑
m=0
x(2m)W kmN/2 +W
k
N
N/2−1∑
m=0
x(2m + 1)W kmN/2
= F1(k) +W
k
NF2(k)
DIT Radix-2 FFT: Độ phức tạp tính toán
Nhận xét:
F1(k + N/2) = F1(k)
F2(k + N/2) = F2(k)
W
k+N/2
N = −W kN
do vậy,
X (k +
N
2
) = F1(k)−W kNF2(k)
X (k) = F1(k) +W
k
NF2(k)
Nếu tính toán trực tiếp F1(k) và F2(k), tổng số phép nhân phức là:
2(N/2)2 + N/2
DIT Radix-2 FFT: Chia để trị
b b b X (0)
b b b X (1)
b b b X (2)
b b b X (3)
b b b X (4)
b b b X (5)
b b b X (6)
b b b X (7)
x(0)
x(2)
x(4)
x(6)
x(1)
x(3)
x(5)
x(7)
F1(0)
F1(1)
F1(2)
F1(3)
F2(0)
F2(1)
F2(2)
F2(3)
DFT
N/2 - điểm
DFT
N/2 - điểm
−W 0N
W 0N
−W 1N
W 1N
−W 2N
W 2N
−W 3N
W 3N
DIT Radix-2 FFT: Rút gọn
b b b X (0)
b b b X (1)
b b b X (2)
b b b X (3)
b b b X (4)
b b b X (5)
b b b X (6)
b b b X (7)
x(0)
x(2)
x(4)
x(6)
x(1)
x(3)
x(5)
x(7)
DFT
N/2 - điểm
DFT
N/2 - điểm
−1
W 0N
−1
W 1N
−1
W 2N
−1
W 3N
DIT Radix-2 FFT: Tiếp tục phân chia
b b b b b X (0)
b b b b b X (1)
b b b b b X (2)
b b b b b X (3)
b b b b b X (4)
b b b b b X (5)
b b b b b X (6)
b b b b b X (7)
x(0)
x(4)
x(2)
x(6)
x(1)
x(5)
x(3)
x(7)
DFT
N/4 - điểm
DFT
N/4 - điểm
DFT
N/4 - điểm
DFT
N/4 - điểm
−1
W 0N
−1
W 1N
−1
W 2N
−1
W 3N
−1
−1
W 0N
W 2N
−1
−1
W 0N
W 2N
DIT Radix-2 FFT: Lưu đồ tín hiệu hoàn chỉnh
b b b b b b b X (0)
b b b b b b b X (1)
b b b b b b b X (2)
b b b b b b b X (3)
b b b b b b b X (4)
b b b b b b b X (5)
b b b b b b b X (6)
b b b b b b b X (7)
x(0)
x(4)
x(2)
x(6)
x(1)
x(5)
x(3)
x(7)
−1
W 0N
−1
W 1N
−1
W 2N
−1
W 3N
−1
−1
W 0N
W 2N
−1
−1
W 0N
W 2N
−1
W 0N
−1
W 0N
−1
W 0N
−1
W 0N
DIT Radix-2 FFT: Sơ đồ cánh bướm
b b
b b
−W rN
W rN
Xm−1(p)
Xm−1(q)
Xm(p)
Xm(q)
Hình: Sơ đồ cánh bướm cơ bản
b b
b b
b
b
−1W rN
Xm−1(p)
Xm−1(q)
Xm(p)
Xm(q)
Hình: Sơ đồ cánh bướm rút gọn
Tính toán tại chỗ và đảo bit
Xm(p) = Xm−1(p) +W rNXm−1(q)
Xm(q) = Xm−1(p) −W rNXm−1(q)
Không cần có bộ nhớ trung gian!
Khi đó, cần đảo thứ tự tại đầu vào (chặng 0):
Thứ tự Nhị phân Đảo bit Giá trị
X0(0) 000 000 x(0)
X0(1) 001 100 x(4)
X0(2) 010 010 x(2)
X0(3) 011 110 x(6)
X0(4) 100 001 x(1)
X0(5) 101 101 x(5)
X0(6) 110 011 x(3)
X0(7) 111 111 x(7)
DIF Radix-2 FFT (phân chia theo tần số, cơ số 2)
X (k) =
N−1∑
n=0
x(n)W knN , k = 0, 1, · · · , (N − 1)
=
N/2−1∑
m=0
x(n)W knN +
N−1∑
n=N/2
x(n)W knN
=
N/2−1∑
m=0
x(n)W knN +
N/2−1∑
n=0
x(n + N/2)W
kN/2
N W
kn
N
=
N/2−1∑
m=0
[x(n) + (−1)kx(n + N/2)]W knN
DIF Radix-2 FFT: Độ phức tạp tính toán
Tách X (k) thành hai dãy có chỉ số chẵn, lẻ:
X (2k) =
N/2−1∑
m=0
[x(n) + x(n + N/2)]W knN/2
X (2k + 1) =
N/2−1∑
m=0
[x(n)− x(n + N/2)]W nNW knN/2
Độ phức tạp tính toán: (N/2) log2N phép nhân phức và N log2N
phép cộng phức.
b b
b b
b
b
−1 W rN
Xm−1(p)
Xm−1(q)
Xm(p)
Xm(q)
Hình: Sơ đồ cánh bướm
DIF Radix-2 FFT: Lưu đồ tín hiệu hoàn chỉnh
b b b b b b bx(0)
b b b b b b bx(1)
b b b b b b bx(2)
b b b b b b bx(3)
b b b b b b bx(4)
b b b b b b bx(5)
b b b b b b bx(6)
b b b b b b bx(7)
X (0)
X (4)
X (2)
X (6)
X (1)
X (5)
X (3)
X (7)
−1
W 0N
−1
W 1N
−1
W 2N
−1
W 3N
−1
−1
W 0N
W 2N
−1
−1
W 0N
W 2N
−1
W 0N
−1
W 0N
−1
W 0N
−1
W 0N
Bài về nhà
1. Vẽ lưu đồ tín hiệu cho thuật toán FFT trường hợp N = 16,
phân chia theo tần số / thời gian, cơ số 2.
2. Tìm hiểu thuật toán FFT cơ số 4.
3. Triển khai các thuật toán FFT đã học bằng ngôn ngữ C, so
sánh tốc độ.
4. Sử dụng bộ DFT N-điểm để tính DFT 2N-điểm của dãy số
thực.
5. Tính toán tối ưu DFT N-điểm của hai dãy số thực (cùng
chiều dài hữu hạn N).