JPH0644290A - 高速フーリエ変換を行うための方法および装置 - Google Patents

高速フーリエ変換を行うための方法および装置

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JPH0644290A
JPH0644290A JP3301336A JP30133691A JPH0644290A JP H0644290 A JPH0644290 A JP H0644290A JP 3301336 A JP3301336 A JP 3301336A JP 30133691 A JP30133691 A JP 30133691A JP H0644290 A JPH0644290 A JP H0644290A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】高速フーリエ変換を行うために必要な係数の数
を減少させる。 【構成】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、その
計算で得られた係数を使って高速フーリエ変換を処理す
る。

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FFT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、FF
T信号プロセッサを、安価にし、低電力にし、軽量に
し、小形にし、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表である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年8月19日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【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 (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】FFTアルゴリズムの係数を平衡させ、 該平衡した係数に基づいて、減少した数の係数を計算
    し、 該減少した数の係数を使って高速フーリエ変換を処理す
    るステップより成る高速フーリエ変換を行うための方
    法。
  2. 【請求項2】前記減少した数の係数を一定係数バッファ
    に記憶し、 該記憶した係数を高速フーリエ変換エンジンにおいて処
    理してデータを時間ドメインから周波数ドメインに変更
    する ステップを有する請求項1の高速フーリエ変換を行うた
    めの方法。
  3. 【請求項3】減少した数の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、 より成り、 前記FFTエンジンは前記データ・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特徴とする、高速フー
    リエ変換を処理するための装置。
  4. 【請求項4】前記アドレス・カウンタは、高速フーリエ
    変換の処理中、同じ一定係数を繰り返しアドレスするこ
    とを特徴と擦る請求項3の装置。
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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