【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：

/******************************************************************
2 {% F0 E6 ]3 f6 c4 c% F3 {
函数名称:InitBufInArray()- |% x- _, N4 @" i, |/ Z
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)
/ D* K5 s: I5 ?3 @" V
参数说明: u7 o/ u/ @2 i: h) @* }
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，1 g8 _9 f. w" h
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)$ |1 E5 N: r1 @# _
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
7 l8 [3 m! Y& g. Y
*******************************************************************/$ x {. P) f- ]1 @
void InitBufInArray()6 r# X: b: j8 z2 m3 N
{
6 B! E* o0 I( r+ C
unsigned short i;& _6 f2 c! l! P1 ~4 k4 z6 C2 Q; v
float fx;
; g1 a- n9 ?: K! M) M a
for(i=0; i<NPT; i++)
2 h9 E" N/ [9 ?" Z) W1 O! ^
{' }2 I0 |! r* I$ X
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +, G9 @/ W3 j" T( N+ i
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) ++ J t6 d0 B" z2 r" Z/ z
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);0 v Z$ M; a7 p7 H
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
% t$ Q# a! V t" k4 \8 V
}' J0 X; @( F1 Q$ \, H% E
}

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：

/******************************************************************( V+ I& n D- \- s8 \
函数名称:GetPowerMag()
# M& |" h8 j0 L
函数功能:计算各次谐波幅值
7 U% Q3 x$ p- L; L8 {
参数说明:( G' P4 q4 k- z/ q6 ^8 D+ M M
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)
9 S2 C' u* L) F9 J8 K
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）
C" B, [' s, Y# K9 U6 {
*******************************************************************/
+ ], t% g9 n N9 J7 t: k! l- C
void GetPowerMag()
. b% a! f- k, V. E/ }" @9 b
{
( M" o, |' ~7 X" V4 n* G
signed short lX,lY;
& n A) E5 ` |1 l' B, I' {- c
float X,Y,Mag;
1 z7 j9 r& W j3 E. K
unsigned short i;
3 [3 D+ E/ X9 I! r5 G+ ?: F
for(i=0; i<NPT/2; i++)
0 x, w5 L: c# X+ d- B4 P
{' j0 U. M, X4 ]
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
! V0 a- A0 A4 |$ w
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
* d6 T- s# J& B6 m4 V5 |( U" e, f
X = NPT * ((float)lX) / 32768;
( q/ O0 q# E2 N) l
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
; K& {+ |7 T7 T3 s
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;6 e/ `$ r0 Y: ^: o
if(i == 0). A6 a* K, V7 |3 Z5 M2 ?6 b4 Q! _
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);8 P' D. _7 E/ B1 @/ [/ D5 a6 j+ T
else( t, v1 T: Z" T2 B
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);9 l4 K+ B0 v; F1 c! S- V& J
}# a1 e9 b: z/ @! S% y& r
}