工程测试与信号分析研究生课件:ch6-03.ppt
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1、MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 机械工程测试机械工程测试信息信息信号分析信号分析 机械科学与工程学院机械科学与工程学院 机械电子信息工程系机械电子信息工程系李锡文李锡文 轩建平轩建平 课件资料下载:课件资料下载:邮箱地址:邮箱地址: “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码:密码:111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 第六章第六章 数字信号分析数字信号分析(I)DFT与与FFT46-5 现代谱分析方法现代谱分析方法-最大熵谱估计最大
2、熵谱估计6-3 FFT6-4 谱分析与谱估计谱分析与谱估计6-2 DFT6-1 模拟信号离散化模拟信号离散化目录目录56-3 FFT算法6.3.1、DFT的计算工作量 1, 1 , 0 ,)()(10NkWnxkXNnnkN101, 1 , 0 ,)(1)(NknkNNnWkXNnxqFFT背景背景2jNNWe两者的差别仅在指数的符号和因子两者的差别仅在指数的符号和因子1/N.6q通常通常x(n)和和WNnk都是复数,所以计算一个都是复数,所以计算一个x(k)的值的值需要需要N次次复数乘法运算,和复数乘法运算,和N-1次次复数加法运算。复数加法运算。那么,所有的那么,所有的X(k)就要就要N2
3、次复数乘法运算,次复数乘法运算,N(N-1)次复数加法运算。当次复数加法运算。当N很大时,运算量将是惊人的很大时,运算量将是惊人的,如如N=1024,则要完成,则要完成1048576次次(一百多万次一百多万次)运算。运算。难以做到实时处理。难以做到实时处理。q计算一个计算一个X(k)的值的计算量,如的值的计算量,如X(1),k=11210) 1() 2() 1 () 0() 1 (NNNNNWNxWxWxWxX76.3.2、改进的途径、改进的途径 2. WNnk的对称性和周期性的对称性和周期性()2()(),;NnknkNNnkn N kn k NNNNWWWWW.),1( 1),1()2/(
4、2/)(2)()(2kNNkNjNNNnkNnNNkNnkNknNNkNnNWWeWWeWWWWWN得得: :对称性对称性: :周期性周期性: :1. WN0=1; WNN/2=e-j2 /NN/2 = -1 不必运算不必运算8q利用上述特性,可以将有些项合并,并将DFT分解为短序列,从而降低运算次数,提高运算速度。1965年,库利(cooley)和图基(Tukey)首先提出FFT算法。对于N点DFT,仅需(N/2)log2N次复数乘法运算。例如N=1024=210时,需要(1024/2)log2210 =512*10= 5120 次。5120/1048576=4.88%,速度提高20倍。96
5、.3.3、库利、库利-图基算法图基算法一、算法原理一、算法原理(基基2FFT)(一) N/2点DFT1. 先将先将x(n)按按n的奇偶分为两组作的奇偶分为两组作DFT,设设N=2L ,不足时,可,不足时,可补些零。有补些零。有: n为偶数时为偶数时: n为奇数时:为奇数时:1, 1 , 0 ),() 12(1, 1 , 0 ),()2(2221NNrrxrxrrxrx10( ) ( )( )NnkNnX kDFT x nx n W因此,因此,按时间抽取按时间抽取(DIT)的的FFT算法算法 库利库利-图基算法图基算法10库利库利-图基算法图基算法所以,上式可表示为:222)/(222NNNWe
6、eWjjN由于:)()()()()(211021012222kXWkXWrxWWrxkXkNrrkkNrrkNNNN1022102110)12(10210102222)()()12()2()()()(NNNNrrkNkNrrkNrkrNrrkNNnNnnkNnkNWrxWWrxWrxWrxWnxWnxkX(n为偶数)(n为奇数)11库利库利-图基算法图基算法2. 两点结论两点结论: (1) X1(k),X2(k)均为均为N/2点的点的DFT。 (2) X(k)=X1(k)+WNkX2(k)只能确定出只能确定出X(k)的的k=N/2-1个、即个、即前一半前一半的结果。的结果。2(0), (1),
7、 (1)Nxxx10102210101122222222) 12()()()2()()(NNNNNNNNrrkrrkrrkrrkWrxWrxkXWrxWrxkX其中其中,12库利库利-图基算法图基算法q同理,同理,X2(N/2+k)=X2(k),即即X1(k),X2(k)的后一的后一半,分别等于其前一半的值。半,分别等于其前一半的值。)()()()2(1101)(101122222kXWrxWrxkNXNNNNNrrkkrr由于WN/2r(k+N/2)=WN/2rk (周期性)周期性), ,所以:(3) X(k)的后一半的确定的后一半的确定13库利库利-图基算法图基算法q可见,见,X(k)的后
8、一半,也完全由的后一半,也完全由X1(k),X2 (k)的前一的前一半所确定。半所确定。q*N点的点的DFT可由两个可由两个N/2点的点的DFT来计算。来计算。1, 1 , 0 ),()()2()2()2(221212NkNkNkkXWkXNkXWNkXNkXN又由于WN(N/2+k)=WNN/2WNk= -WNk,所以144. 蝶形运算蝶形运算实现上式运算的流图称作蝶形运算实现上式运算的流图称作蝶形运算前一半前一半后一半后一半(N/2个蝶形个蝶形)( (前一半前一半) )( (后一半后一半) )1 1 11-1-1)()()()()()(2121kXWkXkXkXWkXkXkNkN)1,()
9、1, 1 ,0(22 N Nk kk kN NN N)()()(21kXWkXkXkN)()()2(21kXWkXkNXkN)(1kX)(2kXkNW由X1(k)、X 2(k)表示X(k)的运算是一种特殊的运算-碟形运算碟形运算155.计算工作量分析计算工作量分析(1)N/2点的点的DFT运算量:复乘次数运算量:复乘次数:(N/2)2=N2/4 复加次数复加次数:N/2(N/2-1)(2)两个两个N/2点的点的DFT运算量:复乘次数运算量:复乘次数:N2/2 复加次数复加次数: N/2(N/2-1)(3)N/2个蝶形运算的运算量:复乘次数个蝶形运算的运算量:复乘次数:N/2 复加次数复加次数:
10、2.N/2=N复乘:复加:2)12(2NNNN22222NNN总共运算量总共运算量: :按奇、偶分组后的计算量:按奇、偶分组后的计算量:p但是,但是,N点点DFT的复乘为的复乘为N2;复加为;复加为N(N-1);与分解后相比;与分解后相比可知,计算工作点差不多减少可知,计算工作点差不多减少 一半。一半。16q例如:例如:N=8 时的时的DFT,可以分解为两个可以分解为两个N/2 = 4点的点的DFT。具体方法如下。具体方法如下: (1) n为偶数时,即为偶数时,即x(0),x(1),x(2),x(3); 分别记作分别记作:33114400( )( )(2 ),0,1,2,3rkrkrrX kx
11、 r Wx r Wk);6()3(),4()2(),2()1(),0()0(1111xxxxxxxx进行进行N/2=4点的点的DFT,得,得X1(k)17 (2) n为奇数时为奇数时,分别记作,分别记作:2222(0 )(1),(1)(3),(2 )(5),(3)(7 );xxxxxxxx33224400( )( )(21),0,1,2,3rkrkrrXkxr WxrWk1212( )( )( )(4)( )( ),0,1,2,3kNkNX kX kW X kX kX kW X kk进行进行N/2=4点的点的DFT,得,得X2(k)18x1(0)= x(0) x1(1)=x(2)x1(2)=x
12、(4) x1(3)=x(6) x2(0)=x(1) x2(1)=x(3) x2(2)=x(5) x2(3)=x(7) X X1(0)(0)X X1(1)(1)X X1(2)(2)X X1(3)(3)X X2(0)(0)X X2(1)(1)X X2(2)(2)X X2(3)(3)-1-1-1-1X(0)X(0)X(1)X(1)X(2)X(2)X(3)X(3)X(4)X(4)X(5)X(5)X(6)X(6)X(7)X(7)(3)对对X1(k)和和X2(k)进行蝶形运算,前半部为进行蝶形运算,前半部为X(0) X(3),后半部分为后半部分为X(4) X(7),整个过程如下图所示整个过程如下图所示:N
13、/2点DFTN/2点DFT0NW1NW2NW3NW19(二二) N/4点点DFTq由于由于N=2L,所以所以N/2仍为偶数,可以进一步把每个仍为偶数,可以进一步把每个N/2点的序列再按其奇偶部分分解为两个点的序列再按其奇偶部分分解为两个N/4的子序的子序列。例如,列。例如,n为偶数时的为偶数时的 N/2点分解为点分解为:134144(2 )( ), 0,1,1(21)( ), 0,1,1NNxlx lxlx l进行N/4N/4点的DFTDFT,得到klNllkNllkNllkNlWlxWlxkXWlxWlxkXNNNN) 12(2/1014/104422/1014/1033) 12()()()
14、2()()(4444( (偶中偶) )(偶中奇)20)()()(4312kXWkXkXkN1, 1 , 04Nk从而可得到前N/4点的X1(k)()()4(4312kXWkXkNXkN后N/4点的X1(k)为:1, 1 , 04Nk21(奇中偶奇中偶)104/64/1026104/5104/254444)()12()()()2()(NNNNllkNlkNlllkNllkNWlxWlxkXWlxWlxkX(奇中奇奇中奇)q同样对同样对n为奇数时,为奇数时,N/2点分为两个点分为两个N/4点的序列进行点的序列进行DFT,则有:,则有:k25N/26k25N/26X (k)X (k)WX (k) ;
15、k0,1,14NX (k)X (k)WX (k) ;k0,1,144NN进行碟形运算,得:、由)()(65kXkX22q例如,例如,N=8时的时的DFT可分解为四个可分解为四个N/4的的DFT,具体,具体步骤如下:步骤如下:)4()2() 1 ()0()0()0()()()(131313xxxxxxnxrxlx(1) 将原序列x(n)的“偶中偶”部分:构成N/4点DFT,从而得到X3(0), X3(1)。23)6()3()1()2()1()0()()()(141414xxxxxxnxrxlx(2) 将原序列x(n)的“偶中奇”部分:构成N/4点DFT,从而得到X4(0), X4(1)。(3)
16、将原序列x(n)的“奇中偶”部分:)5()2()1()1()0()0()()()(252525xxxxxxnxrxlx构成N/4点DFT,从而得到X5(0), X5(1)。24(4) 将原序列x(n)的“奇中奇”部分:)7()3()1()3()1()0()()()(262626xxxxxxnxrxlx构成N/4点DFT,从而得到X6(0), X6(1)。(5)由 X3(0), X3(1), X4(0), X4(1)进行碟形运算, 得到X1(0), X1(1), X1(2), X1(3)。(6)由 X5(0), X5(1), X6(0), X6(1)进行碟形运算, 得到X2(0), X2(1),
17、 X2(2), X2(3)。25-1-1-1-2-1-1X(0)X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7)(7)由X1(0), X1(1), X1(2),X1(3),X2(0), X2(1),X2(2),X2(3)进行碟形运算进行碟形运算,得到X(0), X(1), X(2), X(3) X(4), X(5), X(6), X(7) 。x3(0)=x1(0)=x(0)x3(1)=x1(2)=x(4)x4(0)=x1(1)=x(2)x4(1)=x1(3)=x(6)x5(0)=x2(0)=x(1) x5(1)=x2(2)=x(5) x6(0)=x2(1)=x(3)x6(1)=x2(3
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