JP2662124B2 - 高速フーリエ変換における信号シーケンス発生方法、装置およびシステム並びに高速フーリエ変換処理装置 - Google Patents

高速フーリエ変換における信号シーケンス発生方法、装置およびシステム並びに高速フーリエ変換処理装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル・データ処
理システムに関するものであり、詳しくは、平衡した係
数を使って高速フーリエ変換を行うための処理装置およ
び方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】フーリエ変換操作は周知であり、198
8年プレクテイス・ホール社発行のイー・ブリグハム
(E. Brigham)による「高速フーリエ変換とその応用」
という題名の本でベルグルンド(Berglund)による不連
続なフーリエ変換アルゴリズムおよびクーリー(Coole
y)およびテューキー(Tukey)による高速フーリエ変換
アルゴリズムが論じられている。高速フーリエ変換(F
FT)は、幅広く使用された信号処理および分析の概念
である。商業分野および軍事分野のいずれにおいても特
別目的のハードウェアの可用性はFFTのフィーチャに
基づく複雑な信号処理システムに通じるものであった。
更に、FFTアルゴリズムの実施は、大きいメイン・フ
レーム・コンピュータ又はどこにでもあるパーソナル・
コンピュータにおいて行い得るものである。高速フーリ
エ変換を行うための最小構成の装置は、プロセッサ、ラ
ンダム・アクセス・メモリ、リード・オンリ・メモリに
記憶されたプログラム、メモリ・アドレシング装置およ
び共通データ・バスより成るものである。
【0003】不連続フーリエ変換およびその微分、高速
フーリエ変換は、1つの連続波形が複素級数項の和によ
って、周波数ドメインおよび時間ドメイン(両方とも1
組のフーリエ係数を含む)で表すことができるというこ
とを予期させるものである。それは、いずれの変換にお
いてもゼロ周波数から上のすべての周波数成分の計算を
行わなければならないという性質の変換プロセスを持つ
ものである。時間ドメインから周波数ドメインに変換す
るに必要な計算能力は莫大である。その必要な計算能力
は多くのメモリを必要とし、多くの電気的エネルギーと
それに付随する発熱効果を利用する。これはFFTプロ
セッサを大きくかつ高価なものにしている。
【0004】いずれの文献も、サイズ2PのFFTに対
して合計2Pの係数が必要であることを示している。こ
のような多数の係数を記憶するためのメモリを設けるこ
とはFFTの製造コスト、サイズ、重量および電力を増
加させることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高速
フーリエ変換を行うに必要な係数の数を減らすことであ
る。
【0006】本発明のもう1つの目的は、高速フーリエ
変換を行うため装置の製造コスト、サイズ、重量および
必要な電力を減らすことである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、FFTアルゴ
リズムの係数を平衡させ、その平衡した係数に基づいて
減少した数の係数を計算し、計算で得られた係数を使っ
て高速フーリエ変換を行うようにする。
【0008】
【実施例】Nポイント高速フーリエ変換(FFT)の通
常の計算は、N個の記憶した係数を必要とする。以下の
ものは、「平衡した係数」と呼ばれる概念を使ってFF
Tを計算することを可能にして、必要な係数記憶装置を
小さくすることを示していす。例えば、その新しい概念
を256ポイントFFTに適用することは256から1
28に(即ち、1/2に)係数記憶装置を小さくし、4
KポイントFFTに対して4Kから768に(即ち、1
/5以下に)そして64KポイントFFTに対しては6
4Kから4Kに(即ち、1/16に)小さくする。
【0009】サンデ・テューキー(Sande-Tukey)アル
ゴリズムを使って、4KポイントFFTに関して、「平
衡した係数」の概念を示すと次のようになる。
【数1】 この式は、変換されるべきポイントの数が合成数、即ち
N=r123(但し、r1,r2,r3、...rmは整数)
である。この例では、r1=r2=r3=...rm=4、即
ち基数は4であると仮定する。指数nおよびkは次の式
で表される。
【0010】
【数2】 式の取扱いを容易にするために、次のような表記変更が
行われる。
【0011】
【数3】 この例では、N=4096=46(m=6)およびi=
1、2、...6.次の6つの式はサンデ・テューキー・
アルゴリズムおよび上で示した代数から直接に生ずるも
のである。
【数4】 更に単純化するために、次の代数が使用される。
【数5】
【数6】 上記の代数すべてを使うと、元の6ステージの式は次の
ように単純化する。
【0012】
【数7】 これら式は不安な情報を除去され、係数項の関連部分だ
けを残している。この形の式は、FFT計算の方法は変
わらないが係数および係数の数が変わるので、容易に読
み取られそして最終結果と比較のために使用可能であ
る。それに続く計算のために、それら係数もまた簡単に
される。その係数項は以下のように定義される。
【0013】
【数8】 これら最終的な代数を使うと、元の6ステージの式は次
のように簡単になる。
【0014】
【数9】 式(1)における係数項S1は次のように定義される。
【0015】
【数10】 式(2)におけるS2は次のように定義される。
【0016】
【数11】 今や、基本ステージの式は単純化され、この例は一連の
数学的操作となる。式(5)から始めると、その分子お
よび分母をS2"S1"'倍すると、その式は次のようにな
る。
【0017】
【数12】 係数項は、特定の係数項(S項)が合計括弧内に入れら
れそしてその他が故意にその括弧外に残されるように、
その式を再構成することによって修正可能である。いず
れの項も、その項が合計指数の関数でない場合、その合
計内又は合計外に置くことができる。従って、
【0018】
【数13】 第5ステージに対する新しい平衡した係数はS52"
1"'である。今や、X5は次のように書き直される。
【0019】
【数14】 同じ方法を続けて、他のすべてのステージに対する新し
い平衡した係数を得ることができる。ステージ4の係数
を計算するためには、式(4)からのX4が式(5c)
へ代入される。
【0020】
【数15】 ステージ4に対する平衡した係数はS41"である。ス
テージ3に対して、X'4が書き直される。
【数16】 ステージ3に対する平衡した係数はS3である。ステー
ジ2に対して、X'3が書き直される。
【数17】 ステージ2に対する平衡した係数はS2/S"2である。
ステージ1に対して、X'2が書き直される。
【0021】
【数18】 ステージ1に対する平衡した係数はS1/S"1S"'1であ
る。S1、/S"1およびS"'1を使うと、
【0022】
【数19】 各ステージに対する他の平衡した係数は同様の計算から
得られる。
【0023】
【数20】 これらの結果をFFTの式に代入すると、次のような最
終結果が得られる。
【0024】
【数21】 平衡した4096ポイントFFTの各ステージは、25
6(44)の相異なる係数でもって遂行可能である。更
に、ステージ1、2および3は同じ係数を必要とする。
従って、基数4の4096ポイントFFTは、4096
に対してわずか768の係数を使って遂行可能である。
【0025】図1は、サンデ・テューキー係数を使う基
本FFT信号処理装置10をブロック図で示す。アドレ
ス・カウンタ12は係数バッファ14およびデータ・バ
ッファ16にクロックとして入力される。その係数バッ
ファは4Kの係数を記憶し、データ・バッファはFFT
エンジン18へ送られる。そのエンジンからの結果はク
ーリー・テューキー式からの係数X1であり、それら係
数はデータ・バッファへ送り戻されてX2を得るよう再
処置され、そしてそれは、X3を得るよう再処理される
というように、X6を含むすべての係数が決定されるま
で続く。これら係数はクーリー・テューキー・アルゴリ
ズムで実行され、時間ドメイン信号データの高速フーリ
エ変換を生ずる。
【0026】図2には、クーリー・テューキー・アルゴ
リズムを使う4K FFTで必要とされる6つの式に対
応するステージが表にされている。第1パスにおけるカ
ウンタは下位桁12ビットを使用し、X1の係数を得る
ためにゼロないし4Kで動作する。ステージ2では、下
位10ビットが使用され、ゼロから1Kまでの実行が4
回行われてX2の係数を生ずる。ステージ3では、下位
8ビットが使用され、ゼロから256まで実行が16回
行われてX3の係数を生ずる。同様に、ステージ4で
は、カウンタはゼロから64まで進み、そしてステージ
5ではゼロから16まで、ステージ6では最後の係数X
6のためゼロから4まで進む。換言すれば、係数はカウ
ンタを使ってアドレスされる。そのカウンタはゼロで始
まり、1つの係数がアドレスされるたびに1ずつインク
レメントする。各ステージに対する係数をアドレスする
ために、相異なるカウンタ・ビットが使われる。カウン
タは各ステージに対して4096回カウントする。
【0027】平衡した係数20を使う回帰的設計の4K
ポイントFFTが図3に示される。アドレシング・カウ
ンタ22は係数バッファ24および4Kデータ・バッフ
ァ26へ送られる。係数バッファ24はそのFFTに対
する768の係数を保持するPROMである。各ステー
ジに対する係数バッファ24およびデータ・バッファ2
6からFFTエンジン28へ係数が呼び込まれる。図4
からわかるように、外部アドレシング方式は、X1'、
X2'およびX3'のための式を満たすためにはステージ
1、2および3に対して下位8ビットを使う。ステージ
4に対しては、カウンタ4は256ないし511を実行
しそしてステージ5では、512から768までを使
う。ステージ6に対しては、S0は1+OJに等しくセ
ットされる。
【0028】本発明は、2PFFTに対する係数の数
を、合計2Pの係数から2Pの平方根のほぼp倍に減ら
す。基数4のFFTに対する係数の数を決定するための
実際の式は、N=FFTのサイズ、N=4n、但しnが
偶数である場合、平衡した係数の数は(n+2)4
n/2+1に等しい。そして、nが奇数である場合、計数の
数は4n/2+3/2+(n/2−3/2)4n/2+1/2である。
これは次の表で表すことができる。
【0029】
【表1】 図5は、256ないし64Kポイント高速フーリエ変換
に必要な平衡した係数を一般化したものを示す。平衡し
た係数を使うという新しい概念は、256ポイントFF
Tに対しては2分の1、4ポイントFFTに対しては5
分の1そして64KポイントFFTに対しては16分の
1に係数記憶装置を縮小する。これは、FFT信号プロ
セッサを、安価にし、低電力にし、軽量にし、小型に
し、低温にしそして信頼性を高くするものである。
【0030】
【発明の効果】本発明は、サイズ2PのFFTを行うの
に必要な係数の数を、2Pの平方根をp倍した値まで減
少させるものである。それは、計算される係数の数を平
衡させるようにフーリエ変換アルゴリズムの係数および
項を再編成することによって、必要な係数の数を大いに
減少させることができることがわかった。この方法を使
うFFTプロセッサはより小さく、より軽く、より安価
であり、より少ない電力しか使わないものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】サンデ・テューキー係数を使って4096ポイ
ントFFTを遂行するための装置のブロック図である。
【図2】図1の装置の係数アドレシング方式を示す図で
ある。
【図3】平衡した係数を使って4096ポイントFFT
を遂行するための装置のブロック図である。
【図4】図3のFFTプロセッサで使用された係数アド
レシング方式を示す図である。
【図5】種々なサイズのFFTに対する一般化しかつ平
衡した係数式を示す図表である。

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平衡した係数を表わす信号のシーケンスを
    発生する方法であって、 ここで、平衡した係数の各々は、N=2**p(2**
    pは、2のp乗を表す、以下同じ)の実値入力信号のシ
    ーケンスを処理する高速フーリエ変換(FFT、以下同
    じ)プロセッサにおいて用いられるフーリエ変換のため
    の平衡した係数の値の数と同じ数の結合であって、 前記入力信号のシーケンスをデータバッファに記憶する
    ステップと、 平衡した係数の数が実質的に2**pの平方根のp倍に
    等しいような、平衡した係数の値のセットを発生するス
    テップと、 フーリエ変換信号の中間のシーケンスを形成するよう
    に、前記FFTプロセッサにおいて前記記憶された信号
    と前記平衡した係数の値とを選択的に結合するステップ
    と、 当該中間のシーケンスを、以前に前記データバッファに
    記憶された前記信号のシーケンスの代わりに、前記デー
    タバッファに記憶するステップと、 前記平衡した係数の値と前記データバッファに記憶され
    た信号とを結合するステップを反復的に実行して、結果
    として生じる中間のフーリエ変換周波数ドメイン信号
    を、Nの実値入力信号の入力シーケンスについて係数の
    フーリエ級数の導出が完了するまで、フーリエ変換の次
    の反復のためのオペランドとして使用されるように、前
    記データバッファに記憶するステップとを有しており、 入力信号を時間ドメインから周波数ドメインへ変換する
    際に、前記平衡した係数を用いることによって、前記F
    FTプロセッサの記憶容量が縮小される、 前記方法。
  2. 【請求項2】前記平衡した係数の発生され順序付けられ
    るセットが、実質的に2**pの平方根のp倍の値を含
    む、 請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】平衡した係数の値の前記発生されたセット
    を選択的に結合するステップが、発生された平衡した係
    数の値のセットの下位のオーダの部分において最初に実
    行される、 請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】平衡した係数を表わす信号のシーケンスを
    発生する装置であって、 ここで、平衡した係数の各々は、N=2**p(2**
    pは、2のp乗を表す、以下同じ)の実値信号の入力シ
    ーケンスを処理する高速フーリエ変換(以下、FFT)
    プロセッサにおいて用いられるフーリエ変換のための平
    衡した係数の値の数と同じ数の結合であって、 前記信号の入力シーケンスをデータバッファに記憶する
    手段と、 平衡した係数の数が実質的に2**pの平方根のp倍に
    等しいような、平衡した係数の値のセットを発生する手
    段と、 フーリエ変換信号の中間のシーケンスを形成するよう
    に、前記記憶された信号と前記平衡した係数の値とを選
    択的に結合する、FFTプロセッサと、 以前に記憶されている前記信号のシーケンスの代わり
    に、前記中間のフーリエ変換信号を記憶する、データバ
    ッファと、 前記平衡した係数の値と前記データバッファに記憶され
    た信号との結合を反復的に実行して、結果として生じる
    中間のフーリエ変換信号を、Nの実値信号の入力シーケ
    ンスについて係数のフーリエ級数の導出が完了するま
    で、フーリエ変換の次の反復のためのオペランドとして
    使用されるように、前記データバッファに記憶すること
    によって、入力信号を時間ドメインから周波数ドメイン
    へ変換する際に、前記平衡した係数を用いることによっ
    て、前記FFTプロセッサの記憶容量が縮小される、手
    段とを有する、 前記装置。
  5. 【請求項5】前記平衡した係数が合成数である、 請求項4記載の装置。
  6. 【請求項6】前記プロセッサが、平衡した係数の値の発
    生されたセットの下位のオーダの部分を最初に使用す
    る、 請求項4記載の装置。
  7. 【請求項7】時間ドメインから平衡した係数を周波数ド
    メインにおける信号を表わすフーリエ級数へN=2**
    pの入力信号のシーケンスを変換するシステムであっ
    て、 ここで、平衡した係数の各々は、FFTプロセッサにお
    けるフーリエ変換のための各係数値と同じ数の結合であ
    って、 前記信号の入力シーケンスをデータバッファに記憶する
    手段と、 平衡した係数の数が実質的に2**pの平方根のp倍に
    等しいような、平衡した係数の値のセットを発生する手
    段と、 発生された平衡した係数を記憶するためのメモリ手段
    と、 フーリエ変換信号の中間のシーケンスを形成するよう
    に、前記記憶された信号と前記平衡した係数のセットと
    を選択的に結合する、FFTプロセッサと、 以前に記憶されている前記信号のシーケンスの代わり
    に、前記中間のフーリエ変換信号を記憶する、データバ
    ッファと、 前記平衡した係数と前記データバッファに記憶された信
    号との結合を反復的に実行して、結果として生じる前記
    データバッファにおける中間のフーリエ変換信号を、信
    号の入力シーケンスについて係数のフーリエ級数の導出
    が完了するまで、フーリエ変換の次の反復のためのオペ
    ランドとして使用されるように、前記データバッファに
    記憶することによって、入力信号を時間ドメインから周
    波数ドメインへ変換する際に、前記平衡した係数を用い
    ることによって、前記FFTプロセッサの記憶容量が縮
    小される、手段とを有する、 前記システム。
  8. 【請求項8】係数がN=2**pの数から実質的に2*
    *pの平方根のp倍に等しい数に縮小した数のFFT係
    数を含む一定係数のバッファと、 処理されるべきデータを受け取りそしてFFTエンジン
    の出力を該FFTエンジンによるその後の処理のために
    保持するデータ・バッファと、 前記一定係数をアドレスしてFFTエンジンに入力する
    ためのアドレシング・カウンタとを有し、 前記FFTエンジンが、前記データ・バッファの内容と
    一緒に前記一定係数を処理してデータを時間ドメインか
    ら周波数ドメインに変換することを含む高速フーリエ変
    換の処理をする間に、前記アドレシング・カウンタは、
    同じ一定係数を繰り返しアドレスすることを特徴とす
    る、 高速フーリエ変換処理装置。
JP3301336A 1990-10-31 1991-10-22 高速フーリエ変換における信号シーケンス発生方法、装置およびシステム並びに高速フーリエ変換処理装置 Expired - Fee Related JP2662124B2 (ja)

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