【经验分享】如何使用STM32提供的DSP库进行FFT

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STMCU小助手发布时间：2022-1-15 23:08

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文章简介:	前些日子，因为需要在STM32F103系列处理器上，对采集的音频信号进行FFT，所以花了一些时间来研究如何高效并精确的在STM32F103系列处理器上实现FFT。在网上找了很多这方面的资料做实验并进行比较，最终选择了使用STM32提供的DSP库这种方法。

前些日子，因为需要在STM32F103系列处理器上，对采集的音频信号进行FFT，所以花了一些时间来研究如何高效并精确的在STM32F103系列处理器上实现FFT。在网上找了很多这方面的资料做实验并进行比较，最终选择了使用STM32提供的DSP库这种方法。

　　本文将以一个实例来介绍如何使用STM32提供的DSP库函数进行FFT。

1.FFT运算效率

　　使用STM32官方提供的DSP库进行FFT，虽然在使用上有些不灵活（因为它是基4的FFT，所以FFT的点数必须是4^n），但其执行效率确实非常高效，看图1所示的FFT运算效率测试数据便可见一斑。该数据来自STM32 DSP库使用文档。

图1 FFT运算效率测试数据

　　由图1可见，在STM32F10x系列处理器上，如果使用72M的系统主频，进行64点的FFT运算，仅仅需要0.078ms而已。如果是进行1024点的FFT运算，也才需要2.138ms。

2.如何使用STM32提供的DSP库函数

2.1下载STM32的DSP库

2.2添加DSP库到自己的工程项目中

　　下载得到STM32的DSP库之后，就可以将其添加到自己的工程项目中了。

　　其中，inc文件夹下的stm32_dsp.h和table_fft.h两个文件是必须添加的。stm32_dsp.h是STM32的DSP库的头文件。

　　src文件夹下的文件可以有选择的添加（用到那个添加那个即可）。因为我只用到了256点的FFT，所以这里我只添加了cr4_fft_256_stm32.s文件。添加完成后的项目框架如图2所示。

图2 项目框架

2.3模拟采样数据

　　根据采样定理，采样频率必须是被采样信号最高频率的2倍。这里，我要采集的是音频信号，音频信号的频率范围是20Hz到20KHz，所以我使用的采用频率是44800Hz。那么在进行256点FFT时，将得到44800Hz / 256 = 175Hz的频率分辨率。

　　为了验证FFT运算结果的正确性，这里我模拟了一组采样数据，并将该采样数据存放到了long类型的lBufInArray数组中，且该数组中每个元素的高16位存储采样数据的实部，低16位存储采样数据的虚部(总是为0)。

　　为什么要这样做呢？是因为后面要调用STM32的DSP库函数，需要传入的参数规定了必须是这样的数据格式。

　　下面是具体的实现代码：

/******************************************************************
% R# w I2 M* w6 {) i- J
函数名称:InitBufInArray()
) M! `' b) N' D
函数功能:模拟采样数据，采样数据中包含3种频率正弦波(350Hz，8400Hz，18725Hz)
% E) |& l% M- Z4 V6 w
参数说明:( p" ?8 {/ v& i+ Y2 ^! E
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，6 Q2 K& b R! U8 I% Y- E
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)2 h H/ C' x7 M$ U
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
+ @& M& x \6 E* s! J
*******************************************************************/
" h$ q5 n6 ~5 q; k& P1 ^% S8 z
void InitBufInArray()
- j- ^% s% a1 N
{
' M+ _* G) U( y
unsigned short i;4 T9 N& Y; o2 q5 ?
float fx;/ z4 c! w8 L7 t; a
for(i=0; i<NPT; i++)
& B' Z' l. h9 M0 u7 f6 b
{6 u* L3 ~: U j/ n* p: w$ Y
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +
6 F6 r0 C& F" q Z
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +' ]8 s6 f3 P+ [7 {: [3 I
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);
) q: @- n- E" \ m
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
2 R* r" H9 b4 v# L6 h/ u6 p
}
, \( m; |7 a" L6 T6 y% P
}

复制代码

　　其中，NPT是采样点数256，PI2是2π（即6.28318530717959），Fs是采样频率44800。可以看到采样数据中包含了3种频率的正弦波，分别为350Hz，8400Hz和18725Hz。

2.4调用DSP库函数进行FFT

　　进行256点的FFT，只需要调用STM32 DSP库函数中的cr4_fft_256_stm32()函数即可。该函数的原型为：

　　void cr4_fft_256_stm32(void *pssOUT, void *pssIN, uint16_t Nbin);

　　其中，参数pssOUT表示FFT输出数组指针，参数pssIN表示要进行FFT运算的输入数组指针，参数Nbin表示了点数。至于该函数的具体实现，因为是用汇编语言编写的，我也不懂，这里就不妄谈了。

　　下面是具体的调用实例：

　　cr4_fft_256_stm32(lBufOutArray, lBufInArray, NPT);

　　其中，参数lBufOutArray同样是一个long类型的数组，参数lBufInArray就是存放模拟采样数据的采样数组，NPT为采样点数256。

　　调用该函数之后，在lBufOutArray数组中就存放了进行FFT运算之后的结果数据。该数组中每个元素的数据格式为；高16位存储虚部，低16位存储实部。

2.5计算各次谐波幅值

　　得到FFT运算之后的结果数据之后，就可以计算各次谐波的幅值了。

　　下面是具体的实现代码：

/******************************************************************
' x" {, H! U3 [% H& n) \% o
函数名称:GetPowerMag()( _9 [2 Q' O- C
函数功能:计算各次谐波幅值! |; h; V$ Y4 S" Z
参数说明:
7 g6 e! }; k. b1 k: K
备　　注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y)，然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)$ E* { m+ _' @7 L
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）: E$ x. V. ]; Q" `) |/ a# j6 w
*******************************************************************/) x! s" r1 I+ R) f* ]
void GetPowerMag()$ t( B* U2 v. W3 K; \% g" l/ l* P
{' N5 \- F# n. F
signed short lX,lY;/ D7 n( v# j0 E6 `
float X,Y,Mag;
9 e- f! G/ G4 k% K
unsigned short i;
7 m8 ^, _0 ^+ e. _! @/ L
for(i=0; i<NPT/2; i++)) g% y+ t1 M) ]$ n. o
{1 @1 Y, m, t5 w, _# {! @
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
' o7 i2 X2 @1 l$ c
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
3 x `# ~3 W/ J! F4 {3 O6 s
X = NPT * ((float)lX) / 32768;- [4 N" Q5 v) N: W7 G8 z7 P% s ?/ F
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;% |9 a! T1 L$ |1 m/ G2 d
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;3 _& C2 u' l2 x v
if(i == 0)9 O" u) r! K. Q& ^. B
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
& k, i+ z% _8 ^3 X7 d
else
; r7 d9 G* w' o: c
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);
+ u) ?( S6 ]. X3 X6 g
}% l, d( R5 U2 B# K! V
}