快速傅里叶变换的原理及公式

2024年2月8日发(作者：)

快速傅里叶变换的原理及公式

快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是一种基于分治策略的计算离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）的高效算法。FFT算法的基本原理是利用对称性和周期性来减少计算量，将O(n^2)的复杂度降低到O(nlogn)。

傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法，能够将信号拆分成不同频率的正弦和余弦波的叠加。傅里叶变换的计算公式为：

X(k) = Σ(x(n) * e^(-2πikn/N))

其中，X(k)表示频域上第k个频率的幅度和相位，x(n)表示时域上第n个采样点的值，N表示采样点的总数。该公式根据欧拉公式展开，可以得到正弦和余弦函数的和的形式。

FFT算法的核心思想是将DFT的计算分解成多个较小规模的DFT计算，并通过递归进行计算。它利用了信号的对称性和周期性，将2个互为共轭的频率分量合并成一个复数，从而减少计算量。

FFT算法的具体过程如下：

1.如果采样点数N不是2的幂次，则通过添加零补足为2的幂次，得到一个新的序列x'(n)。

2.如果序列的长度为1，即N=1，则返回序列x'(n)。

3.将x'(n)分为两个长度为N/2的子序列x1(n)和x2(n)。

4.使用递归调用FFT算法计算x1(n)的DFT结果X1(k)和x2(n)的DFT结果X2(k)。

5.根据DFT的定义，计算输出DFT序列X(k)。

-对于k=0，X(0)=X1(0)+X2(0)

-对于k=1至N/2-1，X(k)=X1(k)+W_N^k*X2(k)

-对于k=N/2至N-1

其中W_N^k = e^(-2πik/N)，是旋转因子。

6.返回DFT结果X(k)。

通过将FFT算法应用于信号处理、图像处理、语音识别等领域，可以大大加速傅里叶变换的计算过程，提高算法的效率和性能。

总结起来，快速傅里叶变换（FFT）是一种高效的算法，可以将信号从时域转换到频域，通过利用信号的对称性和周期性，将DFT的计算复杂度从O(n^2)降低到了O(nlogn)。该算法在信号处理领域有着广泛的应用，能够提高计算效率和准确性。