【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：

/******************************************************************+ u9 H2 r: Z+ P6 [
函数名称:InitBufInArray()
4 E9 }, M M2 v n7 q
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 M. H5 L ~% @- _
参数说明:
- |* C0 K7 J9 M- A3 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， m+ |3 l& h- Q8 s
低16位存储采样数据的虚部(总是为0)
) Z( s8 Y' H% P
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）+ z' ~! O+ N$ r3 F
*******************************************************************/! l7 ~0 p/ I C$ e; ^
void InitBufInArray()
/ k6 E, x0 [: a) f
{
8 Y) Y* e+ }) Q- v. a, m, [" Z5 S2 E
unsigned short i;
' C6 ~3 H- ]% ] X: j' ~& z) V
float fx;" Y0 q4 |- u! V, `* ~
for(i=0; i<NPT; i++)
) e) c7 z' z3 }( J
{
$ i/ f+ k2 f$ F" Z& G+ d
fx = 1500 * sin(PI2 * i * 350.0 / Fs) +
% b6 V# W6 P$ {7 X4 H
2700 * sin(PI2 * i * 8400.0 / Fs) +
. {' E2 ~( z1 E
4000 * sin(PI2 * i * 18725.0 / Fs);: o2 \: t" r- j: a0 Q+ Z5 V* w
lBufInArray[i] = ((signed short)fx) << 16;
5 f% P. P; f1 [ ^+ r# R
}
0 _# T5 [" [# [9 R3 U! N
}

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：

/******************************************************************6 G( r% f& E' C0 e7 z5 y
函数名称:GetPowerMag(); R# k! q; I6 S% X# r! L
函数功能:计算各次谐波幅值
( k' x& I/ }4 ~# e
参数说明:8 k0 _4 w. S1 u1 u6 P7 g( U1 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)
+ I1 h! {6 P& `
作　　者:博客园依旧淡然（http://www.cnblogs.com/menlsh/）1 w# C" N8 U) J) [7 k
*******************************************************************/7 i8 u2 O% I& ^1 X
void GetPowerMag()- x/ k( T+ G6 z) i5 E% X j
{0 N0 t) p" d2 P# d- i
signed short lX,lY;- Q$ [4 K% H, j9 \
float X,Y,Mag;
% g( F1 ?# i. F) b
unsigned short i;
6 y! ?) Y# z2 D" k1 l* U
for(i=0; i<NPT/2; i++)
2 ?. K$ W9 i4 B
{. I( m/ h* {4 Z* t, {' `
lX = (lBufOutArray[i] << 16) >> 16;
# J, l7 P Z( e* O$ I1 k& Z9 D
lY = (lBufOutArray[i] >> 16);9 I# \, `' z2 D9 z1 P1 `$ X
X = NPT * ((float)lX) / 32768;
- U' Y! Y; B6 g, y
Y = NPT * ((float)lY) / 32768;
* N/ k$ y' Q/ L+ D
Mag = sqrt(X * X + Y * Y) / NPT;( ]! A5 ?% N, d
if(i == 0)2 D& m6 J/ L( |5 k' Z) p
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 32768);
/ F# K6 ~, |# J! z6 M' F: E
else* P$ W8 X9 `) p
lBufMagArray[i] = (unsigned long)(Mag * 65536);# M% P- g! H; p( F& G2 R I
}0 x4 m% e, F& ~
}