IX. Basic Implementation Techniques and Fast Algorithm

Slides:



Advertisements
Similar presentations
663 Chapter 14 Integral Transform Method Integral transform 可以表示成如下的積分式的 transform  kernel Laplace transform is one of the integral transform 本章討論的 integral.
Advertisements

Final Review Chapter 1 Discrete-time signal and system 1. 模拟信号数字化过程的原理框图 使用 ADC 变换器对连续信号进行采样的过程 使用 ADC 变换器对连续信号进行采样的过程 x(t) Analog.
1 賣茶不賣稻的大稻埕 社會學習領域教案 歷史三 黃穎慧 心理五 江尚書 社研一 馬國勳. 2 設計動機 我們的遐想教學對象為台北市大同區,鄰近大稻 埕的一所公立國中。因此希望嘗試配合學校本位 課程的設計,將大稻埕相關的民情、介紹,融入 課程當中。 我們的遐想教學對象為台北市大同區,鄰近大稻 埕的一所公立國中。因此希望嘗試配合學校本位.
大胆作为 勇于承担  建立安全监管新常态 市安全监管局 林凯军.
企业培训师培训(上) 王 囤 副教授.
第九章 認識勞退新制及因應之道 大葉大學 助理教授 邱祈豪.
102年度統一入學測驗 報名作業說明會 時 間:101年12月14日(星期五) A.M.9:00~10:20 地 點:行政七樓講堂
數位訊號處理 第4章 離散時間訊號與LTI系統之傅利葉分析
天秤失衡了… 分辨愛情警示燈 學生輔導中心.
《解决问题能力》培训讲座.
贵州分公司 工作总结报告 发起人: 山大鲁能.
第十章 图像的频域变换.
國際金融專題(一) 課程大綱 楊奕農 中原大學國貿系.
102年10月17日 臺北市公共運輸處 報告人:陳榮明處長
Mathematical Analysis 財金案例的應用
道路交通管理 授课教师:于远亮.
第四章 快速付里叶变换(FFT) Fast Fourier Transforming
高等院校计算机教材系列 数据库原理与应用(第2版).
瞄准国际前沿 做高水平研究 黄健斌(Jianbin Huang) School of Software Xidian University  
如何準備新聞採訪 國立台北大學中文系 老師:簡陳中
Introduction to Matlab
第一章 绪论.
中国汽车技术研究中心 国家轿车质量监督检验中心

陆哲明 博士、教授 哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所 哈尔滨工业大学信息对抗技术研究所
Digital Signal Processing 授课教师:胡慧珠
XI. Hilbert Huang Transform (HHT)
A TIME-FREQUENCY ADAPTIVE SIGNAL MODEL-BASED APPROACH FOR PARAMETRIC ECG COMPRESSION 14th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2006), Florence,
3-3 Modeling with Systems of DEs
RSA-256bit Digital Circuit Lab TA: Po-Chen Wu.
AN INTRODUCTION TO OFDM
IV. Implementation IV-A Method 1: Direct Implementation 以 STFT 為例
Applications of Digital Signal Processing
V. Homomorphic Signal Processing
XVI. Applications of Wavelet Transforms
模式识别 Pattern Recognition
Differential Equations (DE)
計算方法設計與分析 Design and Analysis of Algorithms 唐傳義
球體體積 鄧美愉 2011年6月.
On Some Fuzzy Optimization Problems
32位元處理器之定點數MFCC演算法的改進與探討 Improvement and Discussion of MFCC Algorithm on 32-bit Fixed-point Processors 學生:陳奕宏 指導教授:張智星.
X. Other Applications of Time-Frequency Analysis
Concepts Methods Practice Design Implementation
II. Short-time Fourier Transform
第二章 离散傅里叶变换 及其快速算法(8学时 )
主讲人: 吕敏 } Spring 2012 ,USTC 算法基础 主讲人: 吕敏 } Spring 2012 ,USTC.
 10-D Prime Factor Algorithm
VI. Brief Introduction for Acoustics
Principle and Application of Digital Television
Biomedical signal processing
数字图像处理 第十二章 离散图像变换.
Source: IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 25, pp ,
一般論文的格式 註:這裡指的是一般 journal papers 和 conference papers 的格式。
Schedule of Thematic Display 2012
IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 49, NO. 8, AUGUST 2013
Advanced Digital Signal Processing 高等數位訊號處理
引言 1.DFT是信号分析与处理中的一种重要变换。 年,Cooley, Tukey《机器计算傅里叶级数的一种算法》
第三章 付里叶分析 离散付氏级数的数学解释(The Mathematical Explanation of DFS)
医学信号处理的原理和方法 曹 银 祥 Dept. of Physiology & Pathophysiology
1 离散信号 2019/4/10.
XIV. Orthogonal Transform and Multiplexing
VII. Data Compression (A)
第4章 连续时间傅立叶变换 The Continuous-Time Fourier Transform
§1 关于实数集完备性的基本定理 在第一章与第二章中, 我们已经证明了实数集中的确界定理、单调有界定理并给出了柯西收敛准则. 这三个定理反映了实数的一种特性,这种特性称之为完备性. 而有理数集是不具备这种性质的. 在本章中, 将着重介绍与上述三个定理的等价性定理及其应用.这些定理是数学分析理论的基石.
IV. Implementation IV-A Method 1: Direct Implementation 以 STFT 為例
本講義為使用「訊號與系統,王小川編寫,全華圖書公司出版」之輔助教材
II. Short-time Fourier Transform
Gaussian Process Ruohua Shi Meeting
Presentation transcript:

IX. Basic Implementation Techniques and Fast Algorithm 289 IX. Basic Implementation Techniques and Fast Algorithm  9-A 快速演算法設計的原則 Fast Algorithm Design Goals: Saving Computational Time Number of Additions Number of Multiplications Number of Time Cycles Saving the Hardware Cost for Implementation

290  9-B 對於簡單矩陣快速演算法的設計 如何簡化下面四個運算 y[1] = ax[1] + 2ax[2]

291 (4) (i) z(1) = a[x(1) + x(2)], z(2) = z(1) (ii) z(3) = (b−a)x(2), z(4) = (c−a)x(1) (iii) y(1) = z(1) + z(3), y(2) = z(2) + z(4)

問題思考:如何對 complex number multiplication 來做 implementation?

293  9-C 一般化的簡化理論: 假設一個 MN sub-rectangular matrix S 可分解為 column vector 及 row vector 相乘 若 [a1, a2, …., aM]T 有 M0 個相異的 non-trivial values (am  2k, am  2kah where m  h) [b1, b2, …., bN] 有 N0 個相異的 non-trivial values 則 S 共需要 M0 + N0 個乘法

294 Step 1 za = b1x[1] + b2x[2] + …. + bNx[N] Step 2 z[1] = a1 za , z[2] = a2 za , ………, z[N] = aM za

295 簡化理論的變型 S1 也是一個 MN matrix 若 S1 有 P1 個值不等於 0, 則 S 的乘法量上限為 M0 + N0 + P1   以此類推

296 思考: 對於如下的情形需要多少乘法

 9-D Examples 297 DFT: 3  3 DFT 可以用特殊方法簡化 Without any simplification, the DFT needs 4N2 real multiplications (x[n] may be complex) 3  3 DFT 可以用特殊方法簡化

298  5  5 DFT 的例子

299 8-point DCT 觀察對稱性質之後,令

300 Part 1:

301 Part 2: [Ref] B. G. Lee, “A new algorithm for computing the discrete cosine transform,” IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, vol. 32, pp. 1243-1245, Dec. 1984.

X. Fast Fourier Transform 302 X. Fast Fourier Transform  C. S. Burrus and T. W. Parks, “DFT / FFT and convolution algorithms”, John Wiley and Sons, New York, 1985.  R. E. Blahut, Fast Algorithm for Digital Signal Processing, Addison Wesley Publishing Company. N-point Fourier Transform: 運算量為 N2 FFT (with the Cooley Tukey algorithm): 運算量為 Nlog2N   要學到的概念:(1)快速演算法不是只有 Cooley Tukey algorithm (2) 不是只有 N = 2k 有時候才有快速演算法

 10-A Other DFT Implementation Algorithms (1) Cooley-Tukey algorithm (Butterfly form) (2) Radix-4, 8, 16, …. Algorithms (3) Prime Factor Algorithm (4) Goertzel Algorithm (5) Chirp Z transform (CZT) (6) Winograd algorithm

Reference  J. W. Cooley and J. W. Tukey, “An algorithm for the machine computation of complex Fourier series,” Mathematics of Computation, vol. 19, pp. 297-301, Apr. 1965. (Cooley-Tukey)  C. S. Burrus, “Index Mappings for multidimensional formulation of the DFT and convolution,” IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 25, pp. 1239-242, June 1977. (Prime factor)  G. Goertzel, “An algorithm for the evaluation of finite trigonometric series,” American Math. Monthly, vol. 65, pp. 34-35, Jan. 1958. (Goertzel)  C. R. Hewes, R. W. Broderson, and D. D. Buss, “Applications of CCD and switched capacitor filter technology,” Proc. IEEE, vol. 67, no. 10, pp. 1403-1415, Oct. 1979. (CZT)  S. Winograd, “On computing the discrete Fourier transform,” Mathematics of Computation, vol. 32, no. 141, pp. 179-199, Jan. 1978. (Winograd)  R. E. Blahut, Fast Algorithm for Digital Signal Processing, Reading, Mass., Addison-Wesley, 1985.

 10-B Cooley Tukey Algorithm 305  10-B Cooley Tukey Algorithm When N = 2k twiddle factors x1[n] = x[2n], x2[n] = x[2n+1] Therefore, one N-point DFT = two (N/2)-point DFT + twiddle factors

306 8-point DFT X[0] X[1] X[2] X[3] X[4] X[5] X[6] X[7] x[0] x[2] x[4] x[6] 4-point DFT 1 w w2 w3 x[1] x[3] x[5] x[7] -1 4-point DFT -1 -1 -1

307 8-point DFT x[0] x[4] x[2] x[6] x[1] x[5] x[3] x[7] X[0] X[1] X[2] X[3] X[4] X[5] X[6] X[7] -1 1 w2 -1 -1 -1 1 w w2 w3 -1 -1 -1 1 w2 -1 -1 -1 -1 -1

308  Number of real multiplications 的估算 2k-point DFT 一共有 k 個 stages 每個 stage 和下一個 stage 之間有 2k-1 個 twiddle factors 所以,一共有 2k-1(k-1) 個 twiddle factors 一般而言,每個 twiddle factor 需要 3 個 real multiplications  2k-point DFT 需要 個 real multiplications Complexity of the N-point DFT: O(Nlog2N)

309  8-point DFT 只需要 4 個 real multiplications (Why?)  更精確的分析,使用 Cooley-Tukey algorithm 時,N-point DFT 需要 個 real multiplications (Why?)

 10-C Radix-4 Algorithm 310 限制: N = 4k or N = 24k (此時 Cooley-Tukey algorithm 和 radix-4 algorithm 並用) twiddle factors One N-point DFT = four (N/4)-point DFTs + twiddle factors

311 Note: (1) radix-4 algorithm 最後可將 N = 4k-point DFT 拆解成 4-point DFTs 的組合 4-point DFTs 不需要任何的乘法 (2) 使用 radix-4 algorithm 時,N-point DFT 需要 個 real multiplications

 Number of real multiplications for the N-point DFT 乘法數 加法數 1 12 8 26 104 44 160 2 4 13 52 27 114 45 170 3 14 32 28 64 48 92 16 15 40 30 80 208 5 10 34 20 72 54 228 6 36 18 33 56 156 7 35 150 60 21 62 63 256 9 22 39 182 204 88 24 100 66 284 11 46 25 148 42 124 70 300

N 乘法數 72 164 128 560 256 1308 1024 7436 80 260 144 436 288 1160 1152 7088 81 480 160 680 312 1324 1260 7640 84 248 168 580 336 1412 2016 12728 88 412 180 360 1540 2048 16836 90 340 192 752 420 2080 2304 15868 96 280 204 976 504 2300 2520 16540 104 468 216 1020 512 3180 4032 29488 108 456 224 1016 3100 4096 37516 112 396 240 940 672 3496 4368 35828 120 380 252 1008 5356 5040 36860

附錄十: Complexities 一覽表 314  N-point DFT:  N-point DCT, DST, DHT:  Two-dimensional (2-D) Nx  Ny-point DFT:  Convolution of an M-point sequence and an N-point sequence: when M/N and N/M are not large, when N >> M and M is a fixed constant. when M >> N and N is a fixed constant.

315  2-D Convolution of an (Mx  My )-point matrix and an (Nx  Ny )-point matrix: when MxMy/NxNy and NxNy/MxMy are not large, when MxMy >> NxNy or NxNy >> MxMy when MxMy >> NxNy or NxNy >> MxMy , and Mx, My are fixed constants.

316 Four important concepts that should be learned from fast algorithm design: (1) (2) (3) (4)