【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：

/******************************************************************
+ j. I+ i8 g5 A
函数名称:InitBufInArray()
/ w: c7 z3 D. |8 {/ P2 s! o
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)
% t; Z, \1 y' V+ l3 k1 J" k' @
参数说明:
( s, @% O, f" s
备注:在lBufInArray数组中，每个数据的高16位存储采样数据的实部，
. b% `/ n! C0 I9 P9 ?/ P
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)1 ~6 h* L6 \) k, P3 U' `6 R) {# X
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）2 _$ k# Y6 W' F+ e9 L
*******************************************************************/
% X2 N; c/ h3 R* N. V
void InitBufInArray()
0 Q( x7 y: x3 L- q6 S
{
x, J- A$ z2 G9 ^8 i& L1 b7 A
unsigned short i;
( q; Q- ~2 |4 `4 x8 Q) q7 ~7 j
float fx;
! i( S! l' Z' D0 Q) M( C2 N0 W
for(i=0; i<NPT; i++)0 V( I4 L. g9 k7 j! t. p
{% j# n6 G+ D) o8 s b" J9 y- T
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +, ~+ s& I N# A0 s6 l6 `+ q9 m! z
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +$ q2 p) b2 Z& V+ h/ P3 A3 o
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);0 O1 A- ^( p1 f& d
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;6 A( p& F/ ?) f! Q# v( T- _
}8 \. @0 y+ r% e- W. V
}

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：

/******************************************************************
( @3 u- L) O0 L, t
函数名称:GetPowerMag()- [* |8 B/ U. V# p9 B. f2 E
函数功能:计算各次谐波幅值
' _3 _+ |4 ~& c% \8 v4 D# K
参数说明:& s1 t. z& Q4 m" f2 b3 |) o0 h
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)
8 ^( R2 {0 z5 v8 ?, ^% `' x0 m
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）0 e0 k# Z2 \* o' G9 U) p& h v7 a
*******************************************************************/4 R: C( r" S; i' ?( j
void GetPowerMag()
, T3 c8 [7 f" j) G
{8 C7 [: N2 d7 C) T0 e/ A
signed short lX,lY;* P! p! j2 o+ I5 L
float X,Y,Mag;: G, T2 u# f1 J! B' r) q
unsigned short i;
* Y' v; ^2 C- H! X/ }. b
for(i=0; i<NPT/2; i++)8 |8 t: a6 I& x+ [" v- |' v# r. T0 s
{& |; U1 [$ P0 y
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
/ [8 I6 }! C& g
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);
6 A& s+ m: i/ f* |# M
X = NPT * ((float)lX) / 32768;6 d' O: b& W, s- ^9 x, c7 T
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;( ^$ I3 y# ]- k
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;5 @4 a; K" Q5 s
if(i == 0)
0 k4 J, d& d" B/ Y0 z8 O5 i
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
5 e' x1 m6 f3 Q* ^# f l( B, R
else$ j$ {* Z% |3 [
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);
6 G n$ b7 b5 v: v
}
, X! K3 `9 _; w. ?" a! X
}