بسم الله الرحمن الرحيمبسم الله الرحمن الرحيم
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Digital Signal ProcessingDigital Signal Processing
Lecture 14Lecture 14
FFT-Radix-2 Decimation in Frequency
And Radix -4 Algorithm
University of KhartoumUniversity of Khartoum
Department of Electrical and Electronic EngineeringDepartment of Electrical and Electronic Engineering
Diploma/M. Sc. Program in Telecommunication andInformation Systems  2013-2014Diploma/M. Sc. Program in Telecommunication andInformation Systems  2013-2014
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Dr. Iman AbuelMaaly
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Another important radix-2 FFTalgorithm, called the decimation-in-frequency algorithm, is obtained by usingthe divide-and-conquer approach.(N=LM , M=2 and L=N/2)
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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twosummationsTo derive the algorithm, we begin bysplitting the DFT formula into twosummations, one of which involves thesum over the first N/2 data points and thesecond sum involves the last N/2 datapoints.
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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Thus we obtain:
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
n+N/2n+N/2
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X(k)Now, let us split (decimate) X(k) into the even-and odd-numbered samples. Thus we obtain
WN2 WN/2where we have used the fact that WN2 WN/2
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
k2kk2k
k2k+1k2k+1
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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X(2kand X(2k+1)The computational procedure above can berepeated through decimation of the N/2-point DFTs X(2kand X(2k+1).
v log2NThe entire process involves v log2Nstages of decimation, where each stageinvolves N/2 butterflies of the type shownin Figure 2.
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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    Figure .2  Basic butterfly computation in thedecimation-in-frequency.
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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 Consequently, the computation of the N-pointDFT via the decimation-in-frequency FFTrequires (N/2)log2complex multiplicationsand log2N complex additions, just as in thedecimation-in-time algorithm.
    For illustrative purposes, the eight-pointdecimation-in-frequency algorithm is given inFigure 3.
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
ComputationsComputations
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
ComputationsComputations
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Figure .3  First stage of the DIF -FFT algorithm.Figure .3  First stage of the DIF -FFT algorithm.
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C:\Documents and Settings\user\My Documents\university files\Lecture notes\Digital Signal Processing for Bsc\internet lectures\FFT\F 1  ast Fourier Transform (FFT)_files\figure11.gif
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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C:\Documents and Settings\user\My Documents\university files\Lecture notes\Digital Signal Processing for Bsc\internet lectures\FFT\F 1  ast Fourier Transform (FFT)_files\figure11.gif
 if n =0
x(0) , x(4)
-1-1
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C:\Documents and Settings\user\My Documents\university files\Lecture notes\Digital Signal Processing for Bsc\internet lectures\FFT\F 1  ast Fourier Transform (FFT)_files\figure13.gif
Figure .4     N = 8-piont decimation-in-frequency FFT algorithm.
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
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C:\Documents and Settings\user\My Documents\university files\Lecture notes\Digital Signal Processing for Bsc\internet lectures\FFT\F 1  ast Fourier Transform (FFT)_files\figure13.gif
X(0)
X(4)
X(2)
X(6)
X(1)
X(5)
X(3)
X(7)
x(0)
x(4)
x(2)
x(6)
x(1)
x(5)
x(7)
x(3)
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We observe from Figure .4 that the input datax(n) occurs in natural order, but the output DFTX(k)occurs in bit-reversed order.
We also note that the computations areperformed in place.
However, it is possible to reconfigure thedecimation-in-frequency algorithm so that theinput sequence occurs in bit-reversed orderwhile the output DFT occurs in normal order.
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Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-2 FFT -Decimation in FrequencyRadix-2 FFT -Decimation in Frequency
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
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Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
When the number of data points N in the DFT isa power of 4 (i.e., N = 4v), we can, of course,always use a radix-2 algorithm for thecomputation.
However, for this case, it is more efficientcomputationally to employ a radix-4 FFTalgorithm.
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Radix-4 FFT Algorithm  --Radix-4 FFT Algorithm  --
Radix-4 FFT Algorithm  --Radix-4 FFT Algorithm  --
L=4M=N/4Let us begin by describing a radix-4 decimation-in-time FFT algorithm which is obtained by selectingL=4 and M=N/4 in the divide and conquer approach.
LMFor this choice of L and M, we have
l.p  0, 1, 2, 3; l.p  0, 1, 2, 3;
m,q  0, 1, 2, N/4-1m,q  0, 1, 2, N/4-1;
4+l4+l
 (N/4)+q (N/4)+q
We split or decimate the N-point input sequence intofour subsequences,
x(4n), x(4n+1), x(4n+2), x(4n+3),   n 0, 1, ... N/4-1.x(4n), x(4n+1), x(4n+2), x(4n+3),   n 0, 1, ... N/4-1.
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Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
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By applying
(1)                                                                    (1)
We obtain
(2)                                                                           (2)
where
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Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
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And
The expression in (2) for combining N/4 DFTsdefines Radix-4 decimation in time butterfly whichcan be expressed in matrix form as in equation(3)
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Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
Radix-4 FFT AlgorithmRadix-4 FFT Algorithm
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FFT ApplicationsFFT Applications
FFT ApplicationsFFT Applications
 
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The Fast Fourier Transform (FFT) is one ofthe most important tools in Digital SignalProcessing.
First, the FFT can calculate a signal'sfrequency spectrum. This is a directexamination of information encoded in thefrequency, phase, and amplitude of thecomponent sinusoids.
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Second, the FFT can find a system's frequencyresponse from the system's impulse response, andvice versa. This allows systems to be analyzed inthe frequency domain, just as convolution allowssystems to be analyzed in the time domain.
Third, the FFT can be used as an intermediatestep in more elaborate signal processingtechniques. The classic example of this is FFTconvolution, an algorithm for convolving signalsthat is hundreds of times faster than conventionalmethods.
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FFT ApplicationsFFT Applications
FFT ApplicationsFFT Applications
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Use of the DFT in Linear FilteringUse of the DFT in Linear Filtering
Use of the DFT in Linear FilteringUse of the DFT in Linear Filtering
Suppose we have a finite duration sequencex(n) of length L which excites an FIR filter oflength M.
Let
x(n) =0 for n<0 and n  L
h(n) =0, for n<0 and n  M
h(n) is the impulse response of the FIR systemand x(n) is the input to the FIR system.
h(n)
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The output is y(n) with duration L+M-1
Y(ω) =X(ωH(ω)
The DFT of size N  L+M-1 is required torepresent y(n) in the frequency domain.
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But x(n) and h(n) have durations less than N,we pad these sequences with zeros to increasetheir length to N.
After that we can compute the N-point circularconvolution of x(n) and h(n) to compute y(n).
This way we can obtain the same results aswould have been obtained with linearconvolution.
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FFT Based FilteringFFT Based Filtering
FFT Based FilteringFFT Based Filtering
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Zero-padding is an operation in which morezeros are appended to the original sequence.The resulting longer DFT provides closelyspaced samples of the discrete-times Fouriertransform of the original sequence.
Zero -paddingZero -padding
Zero -paddingZero -padding
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The zero-padding gives us a high-densityspectrum and provides a better displayedversion for plotting. But it does not give us ahigh-resolution spectrum because no newinformation is added to the signal; onlyadditional zeros are added in the data.
To get high-resolution spectrum, one has toobtain more data from the experiment orobservations.
Zero -paddingZero -padding
Zero -paddingZero -padding
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Block ConvolutionBlock Convolution
Block ConvolutionBlock Convolution
Segment the infinite-length input sequence intosmaller sections (or blocks), process eachsection using the DFT, and finally assemble theoutput sequence from the outputs of eachsection. This procedure is called a blockconvolution operation.
وفقكم الله ،،،وفقكم الله ،،،
وفقكم الله ،،،وفقكم الله ،،،
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 تم بحمد الله تعالى