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FFT在低功率微程序控制器中的应用

发布时间:2017-05-21 06:08:58  来源:大电流电感厂家   查看:


为了获得比较精确的FFT结果,Q8.7排列形式的一致性同样适用于具有比较大样本点数的FFT。例如,模/数转换器以实部和虚部互补的形式提供8位的符号数。如果输入的是直流电压(+127为有符号的8位样本数),从X(0)中将会完全获得其频谱,以Q8.7标记等于32512。这个值很适合于用16位的符号数表示。

3 固件
下面介绍计算基为2的FFT所需的固件。当从模/数转换器中读取样本数后,存储在数组x_n_re中。这个数组表示x(n)的实部。在执行FFT前,虚部的值初始化为零,存储在数组x_n_im中。当执行完FFT时,频域的幅值将代替原来的样本值,且存储在x_n_re和x_n_im中。
3.1 采集样本
FFT算法假设以固定采样率来采集样本的。尽管这是在本文考虑范围之外,但是如果认真对待采集样本的代码同样会产生问题。例如,不稳定的采样率将会产生错误的FFT结果,所以应该尽量使该情况最小化。对模/数转换器采样的原码每一次循环以及输出结果命令都有可能对采样率产生不稳定性。例如,系统从摸/数转换器中读取8位的有符号数,然后存储在16位的数组变量中。
下面列出了关于从模/数转换器中读取及存储数据的2个伪码算法。第1个记为算法l,将会引起采样率的不稳定。因为负数样本比正的样本需要更多的时间来读取及存储。中断同样不能保证采样代码的健全。
模/数转换器采样(ADC)的伪码:
算法1:不一致的采样率。

3.2 三角法来查寻表格
FFT利用查寻表的方法(LUTs)来代替直接计算正弦与余弦的值。下面叙述中给出了对正弦与余弦的LUTs的声明。固件中的声明包括在程序中自动产生这些表格的原始代码。LUTs中的正弦与余弦都具有N/2样本塑封电感,因为旋转因子的下标从0~(N/2)-1变化。
正弦与余弦函数的LUTs:

包括这些LUTs的声明为常量,强迫编译器将这些数据存储在码区而不是数据区。由于微处理器中的RAM的有限性这样做是很重要的。由于LUTs的值必须以Q8.7方式排列,因此与正弦和余弦对应的值应该乘以27。
3.3 位倒置
位倒置(N是已知的)可以在运行中计算,利用1个查寻表格标记或者直接用一个打开的环来写。每1种方法有其各自的大小与执行速度的平衡。本文利用开环直接写的方法来执行位倒置。实际的固件由原码来自动产生这个开环。
利用开环来获得位倒置(其中N=256):

3.4 基为2的FFT算法
在对样本执行位倒置后,即可以计算FFT了。利用蝶形方法(见图1)计算基为2的FFT的固件包括3个主要的循环。在循环之外包括log2N的FFT计算阶段。在每一阶段循环内部执行单独的蝶形运算。FFT算法的核心是执行每一蝶形运算的块码。不幸的是,这一块码的计算是不轻便的。MUL_1与MUL_2利用微处理器的硬件乘法来执行乘法。
3.5 复数转化为极坐标表示
为了计算输入信号的幅值,必须将复数X(k)转换为极坐标来表示。幅值将代替在固件中不再需要的FFT中的原来的值。
式(4)中决定了二维的LUT其幅值而不是其计算。第1个值是频谱实部4个电感器的符号最重要的位,而第2电感器生产个值一体电感是频谱虚部4个最重要的位。为了获得这些最重要的位,16位有符号数右移11次。频谱的实部与虚部都可以被用作下标时,它们被其绝对值代替了(因此符号位将是零)。
从式(6)中,可以知道频谱是以X(N/2)对称的,只一体电感器有前N/2+1个幅值被转化为极坐标表示。同样,对于输入样本为实数的频谱虚部中的X(0)与X(N/2)通常为零。因此这两个幅值通常分别是单独计算的。固件中用来自动计算X(k)的包括原码。
3.6 海明窗或汉宁窗
为了实现此任务的固件包括LUTs(Q8.7形式)将海明窗或汉宁窗应用到输入样本中。加窗对于防止泄漏是有用的。加窗可以在时域上对输入样本截短。海明窗的方程如方式(8)所示,而汉宁窗则如式(9)所示。
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