espressif/gmf_fft

# GMF FFT - [![组件注册表](https://components.espressif.com/components/espressif/gmf_fft/badge.svg)](https://components.espressif.com/components/espressif/gmf_fft) - [English](./README.md) `gmf_fft` 是面向 ESP-IDF 的定点 Q15 实数 FFT / IFFT 组件，支持 ESP 系列芯片的 FFT 与 IFFT 处理。实现包含通用 C 版本及针对 Xtensa / RISC-V 的 PIE 向量汇编优化，在典型长度下较纯软件 DIT 延迟更低；同时利用实信号的 Hermitian 共轭对称特性，在正变换时仅保留 `N/2 + 1` 个频点，从而降低频域存储与计算开销，适用于无 FPU 或对时延敏感的嵌入式场景。 ## 功能特性 - 支持 32 到 8192 点、长度为 2 的幂的实数 FFT / IFFT。PIE 目标上硬件 bit-reverse 最多 10 bit（实数 `N` 不超过 2048，对应 `ESP.FFT.BITREV` / `EE.BITREV`）；`N=4096` 和 `N=8192` 回退到软件 bit-reverse，蝴蝶结仍用 PIE。 - 使用 Q15 `int16_t` 数据格式，减少运算和存储开销。 - 同一 `handle` 可被多个线程共享，前提是不同线程使用各自的 `data` 缓冲区。 - 可选 HP 接口（`esp_gmf_fft_forward_hp` / `inverse_hp`）：块浮点在库内完成。逆变换输出为 Q15，不必再乘 `N/4`。 ## 支持目标 - v0.1.0 支持 ESP32-S3 和 ESP32-P4。 - v1.0.0 支持所有ESP32系列芯片。 ## 自 v1.1.0 起的不兼容变更 - ESP32-S31 新增 `CONFIG_GMF_FFT_S31_USE_ASM`（默认 `n`），可在 PIE 汇编与纯 C 实现之间切换。ESP32-S31 的 PIE 仅在核 1 上可用，因此提供该开关，便于在其他核上调用 FFT/IFFT。 - 开启：相关 FFT/IFFT API 必须在 **核 1** 上调用。 - 关闭：可在任意核上运行，性能低于 PIE 汇编，详见下方性能表。 ## API ```c #include "esp_gmf_fft.h" int16_t data[ESP_GMF_FFT_BUFFER_SIZE(256)] = {0}; esp_gmf_fft_handle_t handle = NULL; const esp_gmf_fft_cfg_t cfg = { .n_fft = 256, .fft_type = ESP_GMF_FFT_TYPE_REAL_Q15, }; esp_gmf_fft_init(&cfg, &handle); esp_gmf_fft_forward(handle, data); esp_gmf_fft_inverse(handle, data); esp_gmf_fft_deinit(&handle); ``` 正变换输入为 `N` 个实数采样，`data` 缓冲区需要预留 `ESP_GMF_FFT_BUFFER_SIZE(N)` 个 `int16_t` 元素。两套接口的输出布局相同：`data[0]` 存放 DC 实部，`data[1]` 存放 Nyquist 实部，`data[2k]` 和 `data[2k + 1]` 分别存放第 `k` 个频点的实部和虚部。同一 `handle` 可用于下面两套接口。不要交叉调用：`inverse` 只接 `forward` 的半谱，`inverse_hp` 只接同一 `handle` 上 `forward_hp` 的半谱。 | 用法 | `esp_gmf_fft_forward` / `inverse` | `esp_gmf_fft_forward_hp` / `inverse_hp` | |------|-----------------------------------|-----------------------------------------| | 调用参数 | `handle`、`data` | 相同 | | 每级缩放 | 固定 `>>1` | 仅当 `max_abs >= 8192` 时 `>>1` | | 往返幅度 | 约为 `4/N`，需自行乘 `N/4` | 输出为 Q15，近似原始输入 | | 适用 | 更快，适合看稀疏谱峰 | 更高 SNR，适合还原时域 | HP 示例（不必再乘 `N/4`）： ```c esp_gmf_fft_forward_hp(handle, data); esp_gmf_fft_inverse_hp(handle, data); /* data 为 Q15，近似原始输入 */ ``` ## 内存开销 - 用户数据缓冲区：`ESP_GMF_FFT_BUFFER_SIZE(N)` 个 `int16_t`，约 `2 * (N + 2)` 字节。 - `handle` 内部旋转因子表：约 `3 * N` 字节，外加少量 plan 结构体开销。 ## 精度与性能测试条件：`-O2`，Unity 测试框架。正变换参考值来自浮点 DFT，并使用与定点实现一致的半边频谱缩放。ESP32-S3 / ESP32-P4 为 PIE 汇编实现；ESP32-S31 分别测试纯 C（`GMF_FFT_S31_USE_ASM=n`）与 PIE 汇编（`GMF_FFT_S31_USE_ASM=y`）。HP 列为 `esp_gmf_fft_forward_hp` / `inverse_hp` 单次调用耗时。HP 逆变换耗时包含把剩余 BFP 位移回折 Q15。 | N_real | ESP32-S3 forward | ESP32-S3 inverse | ESP32-S3 HP forward | ESP32-S3 HP inverse | ESP32-P4 forward | ESP32-P4 inverse | ESP32-P4 HP forward | ESP32-P4 HP inverse | |-------:|-----------------:|-----------------:|--------------------:|--------------------:|-----------------:|-----------------:|--------------------:|--------------------:| | 32 | 17 us | 21 us | 77 us | 33 us | 6 us | 2 us | 4 us | 8 us | | 512 | 22 us | 23 us | 95 us | 76 us | 8 us | 8 us | 27 us | 24 us | | 1024 | 28 us | 36 us | 148 us | 124 us | 16 us | 16 us | 53 us | 45 us | | N_real | ESP32-S31 C forward | ESP32-S31 C inverse | ESP32-S31 C HP forward | ESP32-S31 C HP inverse | ESP32-S31 PIE forward | ESP32-S31 PIE inverse | ESP32-S31 PIE HP forward | ESP32-S31 PIE HP inverse | |-------:|--------------------:|--------------------:|-----------------------:|-----------------------:|----------------------:|----------------------:|-------------------------:|-------------------------:| | 32 | 21 us | 12 us | 20 us | 36 us | 7 us | 2 us | 16 us | 9 us | | 512 | 277 us | 271 us | 491 us | 507 us | 10 us | 10 us | 44 us | 32 us | | 1024 | 601 us | 595 us | 1085 us | 1124 us | 21 us | 21 us | 78 us | 60 us | 普通接口往返会将逆变换输出乘以 `N/4` 再比较。输入峰值 10000 时，`N=32` / `512` / `1024` 的最大缩放误差：ESP32-P4 与 ESP32-S31 PIE 为 6 / 115 / 200，ESP32-S3 与 ESP32-S31 C 为 11 / 183 / 528。HP 接口按 Q15 比较、不必乘 `N/4`；最大误差：P4 与 S31 PIE 为 2 / 4 / 4，S3 为 4 / 39 / 78，S31 C 为 4 / 58 / 96。 ## 与 dl_fft / ESP-DSP 的性能对比（ESP32-P4）测试板：ESP32-P4 rev v3.2，400 MHz，ESP-IDF v6.1，`-O2`。金标准为 `x/32768` 的未归一化双精度实 DFT。正变换 SNR 做最小二乘增益匹配。往返 SNR：HP 接口按 Q15 比较，`gmf_fft` 乘 `N/4`。激励：cosine（bin 8，幅度 10000）、two_tone（8000+4000）、random（约 0.25 FS）。耗时为含 memcpy 的 20 次平均。`dsps_fft2r_sc16` 为 ESP-DSP 的 N 点复数 Q15（虚部填 0）。 ```bash cd examples/fft_p4_compare_dl idf.py set-target esp32p4 idf.py -p PORT flash # 等到 FFT_COMPARE_DONE ``` 完整表格见 [`examples/fft_p4_compare_dl/TEST_REPORT_CN.md`](examples/fft_p4_compare_dl/TEST_REPORT_CN.md)。 **N=1024 精度（正变换 SNR / 往返 SNR，dB）** | 信号 | `gmf_fft_hp` | `dl_rfft_s16_hp` | `dsps_fft2r_sc16` | |------|----------------|------------------|-------------------| | cosine | 82.28 / **76.60** | **84.66** / 73.18 | 70.78 / 17.20 | | two_tone | **78.80 / 74.64** | 77.91 / 73.44 | 68.30 / 14.65 | | random | **69.46 / 67.64** | 67.10 / 65.59 | 19.55 / 14.57 | **耗时（正 / 逆，µs，cosine）** | N | `gmf_fft` | `gmf_fft_hp` | `dl_rfft_s16_hp` | `dsps_fft2r_sc16` | |---|-----------|----------------|------------------|-------------------| | 128 | **2 / 2** | 7 / 7 | 7 / 7 | 10 / 12 | | 256 | **4 / 4** | **12 / 12** | 14 / 14 | 21 / 25 | | 512 | **8 / 9** | **23 / 23** | 28 / 28 | 44 / 51 | | 1024 | **17 / 18** | **50 / 47** | 57 / 57 | 91 / 104 | N=1024 上 `gmf_fft` 仍是最快（约 17/18 µs）。`gmf_fft_hp` 约 50/47 µs（正/逆都约为 `dl_rfft_s16_hp` 的 0.88×）。逆变换用 PIE 把剩余 BFP 位移回折 Q15；稀疏 cosine 逆变换 47 µs，快于 `dl_rfft_s16_hp` 的 57 µs。宽带 random 逆变换仍约 43 µs。 ## 编译与测试 ```bash cd test_apps idf.py set-target esp32p4 idf.py build flash monitor idf.py set-target esp32s3 idf.py build flash monitor ```

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