【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：

/******************************************************************# [5 Y5 J: f$ v, p7 J( C9 z
函数名称:InitBufInArray()3 b W( v* L- }- C; q6 s" F0 }
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)5 j5 ^, I+ q( h" I# Z0 t8 d
参数说明:1 | s9 c' P8 O6 G
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，$ U4 y6 K; \5 N! \
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)% s; i9 i* N# N% ^% _
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）( d: Z+ ]+ d; e% s; N. k) h
*******************************************************************/2 ^) F, h# S, `* E
void InitBufInArray()- J5 E& e, w' L0 n# {
{6 m: ?( ?1 B8 ~8 ~' F
unsigned short i;
3 D; L0 A% {. A! ~: t5 n* _
float fx;
7 k9 \+ J! e- n3 H% M
for(i=0; i<NPT; i++)
! z+ Y8 A' N. E! b; E$ C
{
: i7 a7 ]. i4 a4 X; V. F5 P
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +
# t( Y/ y# Y7 Q8 w+ H
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +2 m8 G) |% t$ y8 `6 T, ^
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs); \' b. C! G6 @( ~- i! P
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;& w0 U$ u1 B. K
}& j! o8 U; e: D; e- B6 C1 P* O6 x
}

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：

/******************************************************************
, W) w8 h u6 @) ?5 I4 S1 S' Y# I, ^
函数名称:GetPowerMag()8 ?% {9 `+ ]1 _2 o
函数功能:计算各次谐波幅值
/ k# _% A5 _) S* y' _# ^ g V% _
参数说明:
& n6 n0 V* i% }* }2 C
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). S+ f3 c% K* h3 @0 f r
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）% e0 _6 o2 n) t. s& P
*******************************************************************/$ ]! a* ^+ o8 j7 v; J+ r
void GetPowerMag()- p+ z4 P) L X) R) z. h
{
. T6 ^1 q0 S7 p3 d/ m: _
signed short lX,lY;7 \% C3 \7 E% J) G2 J* `6 G/ S8 a" ^
float X,Y,Mag;
z0 q. z& _# F V, k
unsigned short i;7 R4 w" G4 N9 E
for(i=0; i<NPT/2; i++)6 J- Y/ x( K: o. _: N
{- {" T3 k3 B# u4 X$ |+ ^# g) U& C
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;2 k6 |) {6 U& d7 j4 z& }& o5 R
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
+ j8 |9 M" K6 Q5 X$ O+ s
X = NPT * ((float)lX) / 32768;1 e; L! j9 s8 F8 U3 e }% T
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;/ Z0 d/ o3 A0 q! Z ?7 o4 w4 M2 q% a
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;0 ]. X' }! _9 J& k7 H7 t
if(i == 0)
/ n1 w D O" }; a: E+ Q0 W
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
& k1 q: o* v- M+ |$ E, \' y7 W
else$ Z5 j Y: j& ^" C
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);, x v$ W y6 [% z
}- s# K4 M& H) o. d7 V9 o
}