離散時間信號的FFT 演算法及晶片化

離散時間信號的FFT 演算法及晶片化

更新於 發佈於 閱讀時間約 6 分鐘
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【視頻】How to find 8 point DFT using Direct method



●Twiddle Factor 旋轉因子

旋轉因子 W 描述了一個“旋轉向量”,它根據樣本數量 N 遞增旋轉。

下圖是 N = 2、4 和 8 個樣本的圖示。

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例如,W 的N=4 時,則n = 2 與n=6 與n=10、… 都相同。

W 的 N=8 時,則n = 3 與n=11與n=19、 …都相同。

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【視頻】 Find 6 point DFT using matrix method


█FFT (Fast Fourier Transform)快速傅立葉變換

為快速計算DFT, 通常採用蝶形演算法(Butterfly Algorithm)

它可簡少運算次數,因此可快速求解

●BF (Butterfly) 碟形

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●Stage 及Radix

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●FFT 轉換有DIT FFT 與 DIF FFT 兩種方式

分時FFT(Decimation-in-time FFT): DFT式中的序列在時域上的蝶形演算

分頻FFT(Decimation-in-frequency FFT): DFT式中的序列在頻域上的蝶形

演算

https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/44691/1/251701.pdf

https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/44691/1/251701.pdf

【視頻】FFT 碟形演算法原理推導



【視頻】8-point FFT 蝶形計算示範



●FFT 計算降冪效率

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■ FFT 計算晶片化的演算法

●BF 蝶形計算: Complex Butterfly calculation

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【例】 Radix-2 FFT 蝶形單元概述和 8-bin Radix-2 FFT 示例

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●複數乘法器(CM)

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●常數乘法器的移位加法

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常數乘法器的設計, 例如乘以常數 0.7071 可以表示為

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■N-Point FFT 方塊圖

●8-Point FFT 方塊圖

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●256-Point FFT方塊圖

對於較大的N,將N點 FFT 分解為更小的V -FFT 更為有效,其中 256 點 FFT 被分解為 16 點 FFT,因此, X(k)中的計算可以計算為

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https://slideplayer.com/slide/14766414/

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●N-Point 的Reconfigurable FFT 方塊圖

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參考 :

https://ie.u-ryukyu.ac.jp/~wada/design07/spec_e.html

https://www.cmlab.csie.ntu.edu.tw/cml/dsp/training/coding/transform/fft.html

https://slideplayer.com/slide/10904586/

https://slideplayer.com/slide/3361166/

https://digitalsystemdesign.in/fpga-implementation-of-8-point-fft/

https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-cds.2018.5225


■FFT 的 FPGA IP 方案

FFT IP Cores,基於串行處理,一般只有一個Radix-4(或Radix-2)節點,每一個旋轉因子都會重複使用這樣一個節點,以克服邏輯面積消耗的缺點;當今市場上可用的此類 FFT IP 核的示例如圖

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●Twiddel Factor 為10bit的Xilinx Spartan-6 FPGA

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【視頻】FFT design using MATLAB-VIVADO


【視頻】DFT with FFT Algorithm using TMS320C67XX DSP Processor


參考資料:

1. 離散傅立葉變換DFT

https://zhuanlan.zhihu.com/p/360591458

2. 離散傅立葉變換矩陣

https://zh.wikipedia.org/wiki/離散傅立葉變換矩陣

3. Discrete Fourier Transform (離散傅立葉轉換)

http://mirlab.org/jang/books/audiosignalprocessing/ftDiscrete_chines e.asp

4. 從傅立葉級數到快速傅立葉轉換

https://blog.yeshuanova.com/2019/04/fft_intro/

5.台灣國立交通大學 林毅慧 碩士論文

https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/44691/1/251701.pdf


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■通話原理 : 依靠電磁波完成通話(圖像亦同) 1.地球空氣中存在著無數的電磁波(=語音+載波),其速度等同於光速 2.若將電磁波的頻率區隔,則可分成不同的頻段(Channel) 3.人類發現電磁波可以快速(光速)傳播聲音的方法: 即是發明一種人造電磁波=語音+載波,然後用 然後分離取出語音信號
■手機天線基本原理 ■5G 關鍵技術 1.毫米波(mmWave) 2.QAM 四象限振幅調變 (又稱正交振幅調變) 3. 毫米波(mmWave)波束成形(Beamforming)天線技術 5G手機通訊使用頻寬分兩大派別:Sub-6GHz與mmWave,其主要差異如下表 基地台覆蓋區大小可圖是如下:
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■無線網路的技術可分為二大類 ●利用光傳輸 1.紅外線(IR, infra-ray) 2.雷射(Laser) ●無線電波傳輸 1.載頻微波(Microwave) 2.直接序列擴頻 (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) 4.HomeRF ■ISM頻段
■信號調變的種類 ●類比信號調變的種類 1. AM 2. FM 3. PM ●數位信號調變的種類 數位信號調變種類有下列幾種 ■Quadrature信號 (兩個正交的IQ 信號) ●任何信號都可描述為 V(t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф) f: 頻率 t: 時間
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