我的 “基2-快速傅立葉變換” 的樸素實(shí)現(xiàn)(推導(dǎo)部分)

本篇目的:

1)回顧一下 基2-快速傅立葉變換(radix2-FFT) 的理論推導(dǎo);

2)以C++語(yǔ)言用最直白的方式實(shí)現(xiàn) 基2-快速傅立葉變換踱阿。

例行推導(dǎo)

我們考慮的 基 2-FFT 需要數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為?2^m?形式管钳,其中?m \in \mathbb N

離散傅立葉變換 DFT 公式如下:

X(k) = \sum_{n=1}^{N-1} x(n) W_{N}^{kn}\ , \ k=0,1,...,N-1

其中:W_{N} = e^{-j2\pi/N}為 1 的N次單位根软舌;計(jì)算這N個(gè)變換系數(shù)X(k)需要?N^2?次復(fù)數(shù)乘法才漆,和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。為了得到一個(gè)高效的算法佛点,我們作出以下變換栽烂。

\begin{aligned}X(k) &= \sum_{n=1}^{N-1} x(n) W_{N}^{kn}\ \ , \ k=0,1,...,N-1 \\&= \underbrace{ \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n) W_{N}^{k2n} }_{\text {even items}} + \underbrace{  \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n+1) W_{N}^{k(2n+1)} }_{\text {odd items}}\ \ , \ k=0,1,...,N-1  \\&=  \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n) W_{N/2}^{kn} +  W_{N}^k\sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n+1) W_{N/2}^{kn} \ \ , \ k=0,1,...,N-1 \\\end{aligned}  \quad \cdots (1)

其中:我們用到了W_{N}^{2n} := e^{-j2\pi 2n/N} =  e^{-j2\pi n/(N/2)} := W_{N/2}^{n}

????????到此,DFT 運(yùn)算的復(fù)數(shù)乘法量 不減反增恋脚;不過(guò)這里蘊(yùn)含的“重復(fù)計(jì)算”不是一眼就能看出來(lái)的腺办,找到這樣的”重復(fù)計(jì)算“就是 快速傅立葉變換 的核心所在。下面我們將利用 旋轉(zhuǎn)因子?W_N^{n}?的以下特殊性質(zhì)糟描,找到重復(fù)的乘法運(yùn)算怀喉,并將其優(yōu)化掉:

1)周期性:W_N^{l+N} = e^{-j2\pi(l+N)}=e^{-j2\pi l}e^{-j2\pi N} =e^{-j2\pi l} = W_N^{l}

2)斜對(duì)稱(chēng)性:W_N^{l+N/2} = e^{-j2\pi(l+N/2)/N}=e^{-j2\pi l/N}e^{-j\pi} =-e^{-j2\pi l} = -W_N^{l}

????????如果我們?cè)谏希?)式中,將?k?的取值范圍限制為\mathbb Z \cap [0\  ,\ N/2-1]船响,則(1)式中的奇偶部分可以分別視為?奇數(shù)下標(biāo)子序列 和 偶數(shù)下標(biāo)子序列 的長(zhǎng)度均為?N/2?的 DFT 躬拢。令y(n) = x(2n)z(n) = x(2n+1)见间,n \in \mathbb Z \cap [0 \ , \  N/2-1]聊闯,得到子序列的 DFT:

\begin{aligned} A(k) &=  \sum_{n=1}^{N/2-1} y(n) W_{N/2}^{kn} \ \ ,\ \ k=0,1,...,N/2-1 \\B(k) &= \sum_{n=1}^{N/2-1} z(n) W_{N/2}^{kn} \ \ , \ k=0,1,...,N/2-1 \\\end{aligned}

于是完整序列的 DFT 的前半部分系數(shù)可以表示如下:

\begin{aligned}X(k) &= A(k) +  W_{N}^k B(k) \ \ ,\ \ k=0,1,...,N/2-1\end{aligned}

下面計(jì)算完整序列的 DFT 的后半部分系數(shù)?X(k+N/2)\ , \ k=0,1,...,N/2;為了清晰米诉,我們重新算一遍:

\begin{aligned}X(k+N/2) &= \sum_{n=1}^{N-1} x(n) W_{N}^{(k+N/2)n}\ \ , \ k=0,1,...,N/2-1 \\&=  \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n) W_{N}^{(k+N/2)2n} +   \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n+1) W_{N}^{(k+N/2)(2n+1)} \ \ , \ k=0,1,...,N/2-1  \\&= W_N^{nN}\sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n) W_{N/2}^{kn} +   W_N^{Nn+N/2+k}\sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n+1) W_{N/2}^{kn} \ \ , \ k=0,1,...,N/2-1 \\&= \sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n) W_{N/2}^{kn}  - W_N^{k}\sum_{n=1}^{N/2-1} x(2n+1) W_{N/2}^{kn} \ \ , \ k=0,1,...,N/2-1  \\&= A(k) - W_N^k B(k)\end{aligned}

到此菱蔬,我們得到了最重要的結(jié)果:

\begin{cases}X(k) &= A(k) + W_N^k B(k)\\X(k+N/2) &= A(k) - W_N^kB(k)\end{cases}  \quad , \quad k=0,...,N/2 -1 \quad \cdots (2)

????????而這就是著名的 蝶形運(yùn)算 ,可以看到我們只用了一次復(fù)數(shù)乘法(兩次加法)史侣,就得到了兩個(gè) DFT 系數(shù)拴泌,而這也是 FFT 的核心。在上(2)式中惊橱,如果使用樸素方法直接計(jì)算A(k), B(k), k=0,...,N/2-1蚪腐,則共需要(N/2)^2 \times 2 + N/2?次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。所以税朴,經(jīng)過(guò)一次 奇偶拆分 回季,我們直接將計(jì)算復(fù)雜度降低了約一半家制。

? ? ? ? 在我們的約定下N=2^m,于是當(dāng)我們想要計(jì)算A(k),B(k),k=0,...,N/2-1時(shí)泡一,我們不妨繼續(xù)對(duì)y(n),z(n),n=0,...,N/2-1分別進(jìn)行奇偶拆分慰丛,這樣的拆分過(guò)程在 DSP 領(lǐng)域有個(gè)專(zhuān)門(mén)的術(shù)語(yǔ)叫 Decimation In Time(DIT)。這樣的過(guò)程可以進(jìn)行?m?次瘾杭,于是我們就得到了 radix2-DIT-FFT 算法過(guò)程诅病。顯然,每一層我們只需要?N/2?次復(fù)數(shù)乘法粥烁,共\log N層贤笆,于是復(fù)數(shù)乘法量降低為\frac{N}{2}\log N

? ? ? ? 實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程有兩種方法:1)使用 遞歸法 逐層對(duì)序列進(jìn)行 奇偶抽忍肿琛芥永;2)使用 迭代法 從最底層前向推進(jìn)。我們嘗試使用 迭代法 來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼钝吮,不過(guò)在這之前埋涧,我們還需要分析在每層中數(shù)據(jù)的排列;如下圖 (1)奇瘦,對(duì)于一個(gè) 8 點(diǎn) FFT 我們會(huì)有 3 層抽取過(guò)程棘催,最終的數(shù)據(jù)排列為 0,4,2,6,1,5,3,7;那么如何在實(shí)際中確定長(zhǎng)度為 N 的樣本點(diǎn)的排列順序呢耳标?偉大的前人發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們把 下標(biāo) 按 2 進(jìn)制進(jìn)行展開(kāi)時(shí)醇坝,則重排的序列中每個(gè)元素的下標(biāo)剛好就是該元素在原來(lái)序列中的下標(biāo) 按位逆序 得到(如下圖 2 )。


圖1)DIT 逐層抽取過(guò)程


圖2)按位逆序的對(duì)應(yīng)關(guān)系

矩陣運(yùn)算視角

例如當(dāng)N=8時(shí)次坡,我們可以使用8\times 8的 線性變換 來(lái)表示:

\left [ \begin{array}{}  X(0)  \\  X(1) \\  \ \ \vdots  \\  X(7)  \end{array} \right] =  \left [ \begin{array}{}  W_{8}^{0\times 0} & W_{8}^{0\times 1}  & \cdots & W_{8}^{0\times 7}  \\  W_{8}^{1\times 0} & W_{8}^{1 \times 1}  & \cdots & W_{8}^{1\times 7} \\  \vdots  & \vdots  & \ddots & \vdots  \\ W_{8}^{7\times 0} & W_{8}^{7 \times 1}  & \cdots & W_{8}^{7 \times 7}  \end{array} \right ] \left [ \begin{array}{}  x(0)  \\  x(1) \\  \vdots  \\  x(7)  \end{array} \right ] \quad \cdots (1)

我們把中間的矩陣詳細(xì)寫(xiě)開(kāi):

F= \left [ \begin{array}{}  1 & 1  & 1 & 1 & 1 & 1& 1& 1  \\  1 & W_{8}^{1}  & W_{8}^{2} & W_{8}^{3} &W_{8}^{4} & W_{8}^{5} & W_{8}^{6}& W_{8}^{7} \\  1 & W_{8}^{2}  & W_{8}^{4} & W_{8}^{6} &W_{8}^{8} & W_{8}^{10} & W_{8}^{12}& W_{8}^{14}  \\  1 & W_{8}^{3}  & W_{8}^{6} & W_{8}^{9} &W_{8}^{12} & W_{8}^{15} & W_{8}^{18}& W_{8}^{21} \\ 1 & W_{8}^{4}  & W_{8}^{8} & W_{8}^{12} &W_{8}^{16} & W_{8}^{20} & W_{8}^{24}& W_{8}^{28} \\ 1 & W_{8}^{5}  & W_{8}^{10} & W_{8}^{15} &W_{8}^{20} & W_{8}^{25} & W_{8}^{30}& W_{8}^{35} \\ 1 & W_{8}^{6}  & W_{8}^{12} & W_{8}^{18} &W_{8}^{24} & W_{8}^{30} & W_{8}^{36}& W_{8}^{42}\\ 1 & W_{8}^{7}  & W_{8}^{14} & W_{8}^{21} &W_{8}^{28} & W_{8}^{35} & W_{8}^{42}& W_{8}^{49}   \end{array} \right ]

再次由 周期性?和 斜對(duì)稱(chēng)性呼猪,我們來(lái)對(duì)上面的矩陣作一些化簡(jiǎn):

F= \left [ \begin{array}{}  1 & 1  & 1 & 1 & 1 & 1& 1& 1  \\  1 & W_{8}^{1}  & W_{8}^{2} & W_{8}^{3} &-1 & -W_{8}^{1} & -W_{8}^{2}& -W_{8}^{3} \\  1 & W_{8}^{2}  & -1 & -W_{8}^{2}  & 1 & W_{8}^{2} &  -1 & -W_{8}^{2}  \\  1 & W_{8}^{3}  & -W_{8}^{2} & W_{8}^{1} & -1 & -W_{8}^{3} & W_{8}^{2}& -W_{8}^{1} \\ 1 & -1  & 1 & -1 &1 & -1 & 1& -1\\ 1 & -W_{8}^{1}  & W_{8}^{2} & -W_{8}^{3} &-1 & W_{8}^{1} & -W_{8}^{2}& W_{8}^{3} \\ 1 & -W_{8}^{2}  & -1 & W_{8}^{2} & 1 & -W_{8}^{2} & -1& W_{8}^{2}\\ 1 & -W_{8}^{3}  & -W_{8}^{2} & -W_{8}^{1} &-1 & W_{8}^{3} & W_{8}^{2}& W_{8}^{1}   \end{array}  \right ]

? ? ? ? 暫時(shí),讓我們忘掉前面的 例行推導(dǎo)?的結(jié)論砸琅,重新用矩陣乘法視角來(lái)看看 傅立葉變換 過(guò)程宋距。

????????我們注意到該矩陣內(nèi)部包含了大量的重復(fù)元素,那么是否可以利用這一現(xiàn)象減少一些“重復(fù)計(jì)算“呢症脂?前面已經(jīng)給出了肯定的答案谚赎;我們繼續(xù)以”事后諸葛亮“的視角分析一下矩陣F

? ? ? ? 我們把(1)式記為向量符號(hào)形式:{\rm X} = F \boldsymbol x摊腋,設(shè)P為任意置換矩陣沸版,由線性代數(shù)知識(shí)可知:其右乘矩陣相當(dāng)于對(duì)矩陣的列向量作相應(yīng)的排列,左乘一個(gè)矩陣相當(dāng)于對(duì)矩陣的行向量作相應(yīng)的排列兴蒸;并且將置換矩陣P?兩次?右乘到矩陣?F?相當(dāng)于對(duì)列向量換過(guò)去又換回來(lái),也就是PP = I细办,于是我們得到:

{\rm X} = F I \boldsymbol x = F(PP)\boldsymbol x=(FP)(P\boldsymbol x)

? ? ? ? 下面我們令?P_8?是由單位矩陣?I_8?經(jīng)過(guò)如下變換得到的矩陣:交換?I_8?的第 1 行和第 4 行橙凳,交換第 3 行和第 6 行蕾殴。至于為什么矩陣?P_8?是這樣的,因?yàn)槲艺f(shuō)過(guò)這是 “事后諸葛亮”岛啸,其實(shí)這就是 “按位逆序法 bit reversing order” 得到的钓觉。如此得到下面的按列向量重排過(guò)的矩陣?F_{br},當(dāng)然 數(shù)據(jù)向量?\boldsymbol x?的行也按同樣的規(guī)律重排過(guò)了坚踩。

 F_{br}= \left [ \begin{array}{c0,c1,c2,c3,|c4c5,c6,c7}  1 & 1  & 1               & 1             & 1          & 1           & 1          & 1  \\  1 &-1  & W_{8}^{2}       &-W_{8}^{2}     & W_{8}^{1}  &-W_{8}^{1}   & W_{8}^{3}  &-W_{8}^{3} \\  1 & 1  & -1              &-1             & W_{8}^{2}  & W_{8}^{2}   &-W_{8}^{2}  &-W_{8}^{2}  \\  1 &-1  & -W_{8}^{2}      & W_{8}^{2}     & W_{8}^{3}  &-W_{8}^{3}   & W_{8}^{1}  &-W_{8}^{1}  \\\hline  1 & 1  & 1               & 1             &-1          &-1           &-1          &-1\\  1 &-1  & W_{8}^{2}       & -W_{8}^{2}    &-W_{8}^{1}  & W_{8}^{1}   &-W_{8}^{3}  & W_{8}^{3} \\  1 & 1  & -1              & -1            &-W_{8}^{2}  &-W_{8}^{2}   & W_{8}^{2}  & W_{8}^{2}\\  1 &-1  & -W_{8}^{2}      & W_{8}^{2}     &-W_{8}^{3}  & W_{8}^{3}   &-W_{8}^{1}  & W_{8}^{1}   \end{array}  \right ] =\left [ \begin{array}{}F_{00} & F_{01}\\F_{10} &F_{11}\end{array} \right ]

? ? ? ? 其中:F_{br} = FP_8荡灾,觀察該分塊矩陣,我們發(fā)現(xiàn):

1)F_{00} = F_{10}瞬铸;

2)F_{01}的每一列由F_{00}的對(duì)應(yīng)的列 乘以 對(duì)應(yīng)的因子W_{8}^{n} \ ,\  n=0,1,2,3得到的批幌;

3)F_{11}的每一列由F_{00}的對(duì)應(yīng)的列?乘以 對(duì)應(yīng)的因子 -W_{8}^{n}\ , \ n=0,1,2,3得到的;

? ? ? ? 簡(jiǎn)化一下符號(hào)嗓节,設(shè)F_4 = F_{00}\ ,\ A=\left [ \begin{array}{} 1 & & & \\ &W_{8}^{1} &&\\&&W_{8}^{2} &\\&&&W_{8}^{3} \end{array} \right ]荧缘;用矩陣語(yǔ)言來(lái)表達(dá)上面的描述,如下:

\begin{aligned}F_{br}&=\left [ \begin{array}{}F_4 & AF_4\\F_4  &-AF_4\end{array} \right ] \\&=\left [ \begin{array}{} I_4 & A\\I_4 &-A\end{array} \right ] \left [ \begin{array}{} F_4 & \\ &F_4\end{array} \right ] \\&=\left [ \begin{array}{} I_4 & I_4\\I_4 &-I_4\end{array} \right ]  \left [ \begin{array}{} I_4 & \\ &A \end{array} \right ] \left [ \begin{array}{} F_4 & \\ &F_4\end{array} \right ]\end{aligned} \quad \cdots (2)

同理拦宣,記: F_{4}= \left [ \begin{array}{c0,c1|c2,c3}   1 & 1  & 1               & 1             \\   1 &-1  & W_{8}^{2}       &-W_{8}^{2}    \\ \hline  1 & 1  & -1              &-1             \\    1 &-1  & -W_{8}^{2}      & W_{8}^{2}     \\  \end{array} \right ] = \left [ \begin{array}{}F_2 & BF_2 \\F_2  &-BF_2 \end{array} \right ]

其中:F_2= \left [ \begin{array}{}1 & \ \ \ 1 \\1  &-1 \end{array} \right ] 截粗,B= \left [ \begin{array}{}1 &  \\ & W_8^2 \end{array} \right ]

繼續(xù)作分解:

\begin{aligned} F_{4} &= \left [ \begin{array}{}F_2 & BF_2 \\F_2  &-BF_2 \end{array} \right ]  \\&=  \left [ \begin{array}{}I_2 & B \\I_2  &-B \end{array} \right ]  \left [ \begin{array}{}F_2 & \\  &F_2 \end{array} \right ]  \\&=  \underbrace{\left [ \begin{array}{}I_2 & I_2 \\I_2  &-I_2 \end{array} \right ] }_C \underbrace{\left [ \begin{array}{}I_2 & \\  &B \end{array} \right ] }_D\underbrace{ \left [ \begin{array}{}F_2 & \\  &F_2 \end{array} \right ] }_G \\\end{aligned}

再次,利用 分塊對(duì)角矩陣 乘法的便利性鸵隧,得到:

\left [ \begin{array}{} F_4 & \\ &F_4\end{array} \right ]=\left [ \begin{array}{} CDG & \\ &CDG\end{array} \right ] = \left [ \begin{array}{} C & \\ &C\end{array} \right ]\left [ \begin{array}{} D & \\ &D\end{array} \right ]\left [ \begin{array}{} G & \\ &G\end{array} \right ]

代入上面(2)式中得:

\begin{aligned}F_{br} &=\left [ \begin{array}{} I_4 & I_4\\I_4 &-I_4\end{array} \right ]  \left [ \begin{array}{} I_4 & \\ &A \end{array} \right ]  \left [ \begin{array}{} C & \\ &C\end{array} \right ]\left [ \begin{array}{} D & \\ &D\end{array} \right ]\left [ \begin{array}{} G & \\ &G\end{array} \right ]\end{aligned}

A,B,C,D,G代入上式整理后得到:

F_{br} = \underbrace{ \left [ \begin{array}{} I_4 & I_4\\I_4 &-I_4\end{array} \right ]  }_{E}\underbrace{ \left [ \begin{array}{c0,c1,c2,c3|c4,c5,c6,c7}1&&&&&&& \\&1&&&&&& \\&&1&&&&& \\&&&1&&&& \\\hline&&&& 1 & & & \\&&&& &W_{8}^{1} &&\\&&&&&&W_{8}^{2} &\\&&&&&&&W_{8}^{3} \end{array} \right ] }_{D}\underbrace { \left [ \begin{array}{c0,c1,|c2,c3}I_2&\ \ \ I_2 && \\I_2&-I_2 && \\\hline& &I_2 &\ \ \ I_2 \\& &I_2 &-I_2 \end{array} \right ] }_{C}\underbrace{\left [ \begin{array}{c0,c1,c2,c3|,c4,c5,c6,c7} 1&&&&&&& \\ &1&&&&&& \\ &&1&&&&& \\ &&&W_8^2&&&& \\\hline &&&&1&&& \\ &&&&&1&& \\ &&&&&&1& \\ &&&&&&&W_8^2 \end{array} \right ]}_{B}\underbrace{\left [ \begin{array}{c0,c1|,c2,c3|,c4,c5|,c6,c7} 1 &\ \ \ 1  & & & & & &\\ 1 &-1 & &&&&& \\\hline  &    &1 &\ \ \ 1  & &&& \\  &    &1 &-1 & &&& \\\hline  &    &  &   &1 &\ \ \  1  &&  \\  &    &  &   &1 &-1 && \\\hline  &    &  &   &  &   &1 &\ \ \ 1\\  &&&&&&1&-1\end{array} \right ] }_{A}

其中:I_2\ ,\ I_4分別為 2 階和 4 階單位矩陣凿掂,限于空間和美觀度,這里就不展開(kāi)了舀凛;并且我們將上面的矩陣 從右到左 依次命令為A,B,C,D,E种蝶。

? ? ? ? 將上面的展開(kāi)式 左乘 置換后的數(shù)據(jù)向量?\tilde{\boldsymbol x}?,我們就得到了 快速傅立葉變換的 過(guò)程靡羡;我們將上面的展開(kāi)式中的矩陣系洛,依次 從右到左 用流程圖畫(huà)出來(lái),就得到下面的變換圖:(其中W^n 表示W_8^n略步,沒(méi)有明確寫(xiě)出來(lái)的權(quán)重均為 1)

圖3)radix2 FFT 流圖

由于 簡(jiǎn)書(shū)平臺(tái) 的富文本格式不能同時(shí)支持“Latex符號(hào)”和“代碼塊嵌入”描扯,所以我將 C++ 的實(shí)現(xiàn)放到?下一篇?中。

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