Быстрое преобразование Фурье. Листинг программы на C++ (N

fft.h

/* Fast Fourier Transformation ==================================================== Coded by Miroslav Voinarovsky, 2002 This source is freeware. */ #ifndef FFT_H_ #define FFT_H_ struct Complex; struct ShortComplex; /* Fast Fourier Transformation x: x - array of items N: N - number of items in array. Must be odd complement: false - normal (direct) transformation, true - reverse transformation */ void fft2(ShortComplex *x, int N, bool complement); struct ShortComplex { double re, im; inline void operator=(const Complex &y); }; struct Complex { long double re, im; inline void operator= (const Complex &y); inline void operator= (const ShortComplex &y); }; inline void ShortComplex::operator=(const Complex &y) { re = (double)y.re; im = (double)y.im; } inline void Complex::operator= (const Complex &y) { re = y.re; im = y.im; } inline void Complex::operator= (const ShortComplex &y) { re = y.re; im = y.im; } #endif

fft.cpp

/* Fast Fourier Transformation for even N ==================================================== Coded by Miroslav Voinarovsky, 2004 This source is freeware. */ #include "fft.h" #include <math.h> // This array contains values from 0 to 255 with reverse bit order static unsigned char reverse256[]= { 0x00, 0x80, 0x40, 0xC0, 0x20, 0xA0, 0x60, 0xE0, 0x10, 0x90, 0x50, 0xD0, 0x30, 0xB0, 0x70, 0xF0, 0x08, 0x88, 0x48, 0xC8, 0x28, 0xA8, 0x68, 0xE8, 0x18, 0x98, 0x58, 0xD8, 0x38, 0xB8, 0x78, 0xF8, 0x04, 0x84, 0x44, 0xC4, 0x24, 0xA4, 0x64, 0xE4, 0x14, 0x94, 0x54, 0xD4, 0x34, 0xB4, 0x74, 0xF4, 0x0C, 0x8C, 0x4C, 0xCC, 0x2C, 0xAC, 0x6C, 0xEC, 0x1C, 0x9C, 0x5C, 0xDC, 0x3C, 0xBC, 0x7C, 0xFC, 0x02, 0x82, 0x42, 0xC2, 0x22, 0xA2, 0x62, 0xE2, 0x12, 0x92, 0x52, 0xD2, 0x32, 0xB2, 0x72, 0xF2, 0x0A, 0x8A, 0x4A, 0xCA, 0x2A, 0xAA, 0x6A, 0xEA, 0x1A, 0x9A, 0x5A, 0xDA, 0x3A, 0xBA, 0x7A, 0xFA, 0x06, 0x86, 0x46, 0xC6, 0x26, 0xA6, 0x66, 0xE6, 0x16, 0x96, 0x56, 0xD6, 0x36, 0xB6, 0x76, 0xF6, 0x0E, 0x8E, 0x4E, 0xCE, 0x2E, 0xAE, 0x6E, 0xEE, 0x1E, 0x9E, 0x5E, 0xDE, 0x3E, 0xBE, 0x7E, 0xFE, 0x01, 0x81, 0x41, 0xC1, 0x21, 0xA1, 0x61, 0xE1, 0x11, 0x91, 0x51, 0xD1, 0x31, 0xB1, 0x71, 0xF1, 0x09, 0x89, 0x49, 0xC9, 0x29, 0xA9, 0x69, 0xE9, 0x19, 0x99, 0x59, 0xD9, 0x39, 0xB9, 0x79, 0xF9, 0x05, 0x85, 0x45, 0xC5, 0x25, 0xA5, 0x65, 0xE5, 0x15, 0x95, 0x55, 0xD5, 0x35, 0xB5, 0x75, 0xF5, 0x0D, 0x8D, 0x4D, 0xCD, 0x2D, 0xAD, 0x6D, 0xED, 0x1D, 0x9D, 0x5D, 0xDD, 0x3D, 0xBD, 0x7D, 0xFD, 0x03, 0x83, 0x43, 0xC3, 0x23, 0xA3, 0x63, 0xE3, 0x13, 0x93, 0x53, 0xD3, 0x33, 0xB3, 0x73, 0xF3, 0x0B, 0x8B, 0x4B, 0xCB, 0x2B, 0xAB, 0x6B, 0xEB, 0x1B, 0x9B, 0x5B, 0xDB, 0x3B, 0xBB, 0x7B, 0xFB, 0x07, 0x87, 0x47, 0xC7, 0x27, 0xA7, 0x67, 0xE7, 0x17, 0x97, 0x57, 0xD7, 0x37, 0xB7, 0x77, 0xF7, 0x0F, 0x8F, 0x4F, 0xCF, 0x2F, 0xAF, 0x6F, 0xEF, 0x1F, 0x9F, 0x5F, 0xDF, 0x3F, 0xBF, 0x7F, 0xFF, }; //This is minimized version of type 'complex'. All operations is inline static long double temp; inline void operator+=(ShortComplex &x, const Complex &y) { x.re += (double)y.re; x.im += (double)y.im; } inline void operator-=(ShortComplex &x, const Complex &y) { x.re -= (double)y.re; x.im -= (double)y.im; } inline void operator*=(Complex &x, const Complex &y) { temp = x.re; x.re = temp * y.re - x.im * y.im; x.im = temp * y.im + x.im * y.re; } inline void operator*=(Complex &x, const ShortComplex &y) { temp = x.re; x.re = temp * y.re - x.im * y.im; x.im = temp * y.im + x.im * y.re; } inline void operator/=(ShortComplex &x, double div) { x.re /= div; x.im /= div; } //This is array exp(-2*pi*j/2^n) for n= 1,...,32 //exp(-2*pi*j/2^n) = Complex( cos(2*pi/2^n), -sin(2*pi/2^n) ) static Complex W2n[32]={ {-1.00000000000000000000000000000000, 0.00000000000000000000000000000000}, // W2 calculator (copy/paste) : po, ps { 0.00000000000000000000000000000000, -1.00000000000000000000000000000000}, // W4: p/2=o, p/2=s { 0.70710678118654752440084436210485, -0.70710678118654752440084436210485}, // W8: p/4=o, p/4=s { 0.92387953251128675612818318939679, -0.38268343236508977172845998403040}, // p/8=o, p/8=s { 0.98078528040323044912618223613424, -0.19509032201612826784828486847702}, // p/16= { 0.99518472667219688624483695310948, -9.80171403295606019941955638886e-2}, // p/32= { 0.99879545620517239271477160475910, -4.90676743274180142549549769426e-2}, // p/64= { 0.99969881869620422011576564966617, -2.45412285229122880317345294592e-2}, // p/128= { 0.99992470183914454092164649119638, -1.22715382857199260794082619510e-2}, // p/256= { 0.99998117528260114265699043772857, -6.13588464915447535964023459037e-3}, // p/(2y9)= { 0.99999529380957617151158012570012, -3.06795676296597627014536549091e-3}, // p/(2y10)= { 0.99999882345170190992902571017153, -1.53398018628476561230369715026e-3}, // p/(2y11)= { 0.99999970586288221916022821773877, -7.66990318742704526938568357948e-4}, // p/(2y12)= { 0.99999992646571785114473148070739, -3.83495187571395589072461681181e-4}, // p/(2y13)= { 0.99999998161642929380834691540291, -1.91747597310703307439909561989e-4}, // p/(2y14)= { 0.99999999540410731289097193313961, -9.58737990959773458705172109764e-5}, // p/(2y15)= { 0.99999999885102682756267330779455, -4.79368996030668845490039904946e-5}, // p/(2y16)= { 0.99999999971275670684941397221864, -2.39684498084182187291865771650e-5}, // p/(2y17)= { 0.99999999992818917670977509588385, -1.19842249050697064215215615969e-5}, // p/(2y18)= { 0.99999999998204729417728262414778, -5.99211245264242784287971180889e-6}, // p/(2y19)= { 0.99999999999551182354431058417300, -2.99605622633466075045481280835e-6}, // p/(2y20)= { 0.99999999999887795588607701655175, -1.49802811316901122885427884615e-6}, // p/(2y21)= { 0.99999999999971948897151921479472, -7.49014056584715721130498566730e-7}, // p/(2y22)= { 0.99999999999992987224287980123973, -3.74507028292384123903169179084e-7}, // p/(2y23)= { 0.99999999999998246806071995015625, -1.87253514146195344868824576593e-7}, // p/(2y24)= { 0.99999999999999561701517998752946, -9.36267570730980827990672866808e-8}, // p/(2y25)= { 0.99999999999999890425379499688176, -4.68133785365490926951155181385e-8}, // p/(2y26)= { 0.99999999999999972606344874922040, -2.34066892682745527595054934190e-8}, // p/(2y27)= { 0.99999999999999993151586218730510, -1.17033446341372771812462135032e-8}, // p/(2y28)= { 0.99999999999999998287896554682627, -5.85167231706863869080979010083e-9}, // p/(2y29)= { 0.99999999999999999571974138670657, -2.92583615853431935792823046906e-9}, // p/(2y30)= { 0.99999999999999999892993534667664, -1.46291807926715968052953216186e-9}, // p/(2y31)= }; #define M_2PI (6.283185307179586476925286766559) inline void complex_mul(ShortComplex *z, const ShortComplex *z1, const Complex *z2) { z->re = (double)(z1->re * z2->re - z1->im * z2->im); z->im = (double)(z1->re * z2->im + z1->im * z2->re); } static ShortComplex *createWstore(unsigned int L, bool complement) { unsigned int N, Skew, Skew2; ShortComplex *Wstore, *Warray, *WstoreEnd; Complex WN, *pWN; Skew2 = L >> 1; Wstore = new ShortComplex[Skew2]; WstoreEnd = Wstore + Skew2; Wstore[0].re = 1.0; Wstore[0].im = 0.0; for(N = 4, pWN = W2n + 1, Skew = Skew2 >> 1; N <= L; N += N, pWN++, Skew2 = Skew, Skew >>= 1) { //WN = W(1, N) = exp(-2*pi*j/N) WN= *pWN; if (complement) WN.im = -WN.im; for(Warray = Wstore; Warray < WstoreEnd; Warray += Skew2) complex_mul(Warray + Skew, Warray, &WN); } return Wstore; } bool fft_step(ShortComplex *x, unsigned int T, unsigned int M, const ShortComplex *Wstore) { unsigned int L, I, J, MI, MJ, ML, N, Nd2, k, m, Skew, mpNd2; unsigned char *Ic = (unsigned char*) &I; unsigned char *Jc = (unsigned char*) &J; ShortComplex S; const ShortComplex *Warray; Complex Temp; L = 1 << T; ML = M * L; //first interchanging for(I = 1, MI = M; I < L - 1; I++, MI += M) { Jc[0] = reverse256[Ic[3]]; Jc[1] = reverse256[Ic[2]]; Jc[2] = reverse256[Ic[1]]; Jc[3] = reverse256[Ic[0]]; J >>= (32 - T); if (I < J) { MJ = M * J; S = x[MI]; x[MI] = x[MJ]; x[MJ] = S; } } //main loop for(Nd2 = M, N = M + M, Skew = L >> 1; N <= ML; Nd2 = N, N += N, Skew >>= 1) { for(Warray = Wstore, k = 0; k < Nd2; k += M, Warray += Skew) { for(m = k; m < ML; m += N) { Temp = *Warray; mpNd2= m + Nd2; Temp *= x[mpNd2]; x[mpNd2] = x[m]; x[mpNd2] -= Temp; x[m] += Temp; } } } return true; } /* x: x - array of items N: N - number of items in array. Must be odd complement: false - normal (direct) transformation, true - reverse transformation */ void fft2(ShortComplex *x, int N, bool complement) { int r, sL, m, rpsL, mprM, widx, step, step2, h, L, T, M; //N is odd: decrease sequence if (N & 1) { N--; x[0].im = x[0].re = 0.0; } //find L, M and T for(L = 1, T = 0; L < N && N % L == 0; L += L, T++) { } //return to nearest good L, T if (L != N) { L >>= 1; T--; } //find M M = N / L; //find rotation multipliers ShortComplex *Wstore= createWstore(L, complement); //make usual FFT for (h = 0; h < M; h++) fft_step(x + h, T, M, Wstore); //remove multipliers delete [] Wstore; if (M != 1) { //allocate temporary array ShortComplex *X = new ShortComplex[N]; Complex one; long double arg; //rotation multiplier array allocation ShortComplex *mult = new ShortComplex[N]; ShortComplex *multEnd = mult + N; ShortComplex *multPtr; mult[0].re= 1.0; mult[0].im= 0.0; //step2 is for(step2 = 1; step2 < N; step2 += step2) { } //rotation multiplier array evaluation for(step = step2 >> 1; step > 0; step2 = step, step >>= 1) { arg= (complement ? M_2PI : -M_2PI) * step / N; one.re= cosl(arg); one.im= sinl(arg); for(multPtr = mult + step; multPtr < multEnd; multPtr += step2) complex_mul(multPtr, multPtr - step, &one); } ShortComplex *pX; for(pX = X, rpsL = sL = 0; sL < N; sL += L) { for(r = 0; r < L; r++, rpsL++, pX++) { mprM = r*M; *pX = x[mprM++]; widx = rpsL; for(m = 1; m < M; m++, mprM++, widx += rpsL) { if (widx >= N) widx -= N; one = mult[widx]; one *= x[mprM]; *pX += one; } } } delete mult; //copy result from temporary array and free it for (h = 0; h < N; h++) x[h] = X[h]; delete [] X; } //adjust values for complement transformation if (complement) { for( h= 0; h < N; h++) x[h] /= N; } }

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Быстрое преобразование Фурье

Листинг программы на C++ (N - четное)

fft.h

fft.cpp