重疊-儲存之摺積法

重疊-儲存之摺積法 ( Overlap-save method, Overlap-discard method ) 是一種區塊摺積 ( block convolution, sectioned convolution )，可以有效的計算一個很長的信號 x[n] 和一個 FIR 濾波器 h[n] 的離散摺積。

其中 h[m] 在 [1, M] 之外為零。

與重疊-相加之摺積法不同之處在於，重疊-儲存之摺積法所算出的輸出區塊並不重疊 (因此計算上少了將輸出區塊相加所需的加法)，而是每次用的輸入區塊有所重疊。因此實作時每次讀取輸入後需將和下一個輸入重疊的部分儲存起來，作為下一輸入區塊的開頭部份，因此稱為重疊-儲存之摺積法。另外重疊-儲存之摺積法也不需補零。

算法

概念上，這個做法是選用一個較短的適當長度 L 來切割 y[n] ，則因為 h[n] 是有限長度，因此在某一區塊內的 y[n] 也只被有限長的 x[n] 區塊（會比 y[n] 分割成的區塊長一點）所決定。因此只要選擇有影響的輸入區塊和 h[n] 摺積，再選擇結果中適當的部分即可得到正確的輸出區塊。

則對於在  內的 n ， 輸出 y[n] 可寫成

所以只需計算 n 在  中的 yk[n + M - kL] ，亦即 n 在  的 yk[n] 部份即可。因此每一段輸出區塊 yk[n] 的前 M-1 點可丟棄（discard）。

儘管一時看不出切割成區塊的好處為何，但將 xk[n] 做    的週期延伸，

則    和    這兩個摺積在  的部份相等。所以可以將線性摺積改以  點圓周摺積計算，結果的  部分作為輸出 y[n] 在  的部份。由於每段 xk[n] 原本就有    長，所以選擇    的話輸入 x[n] 就不需補零。
改以圓周摺積計算後即可藉圓周摺積定理

轉換成三次  點快速傅立葉變換和  次乘法，使原本每段 O(N2) 的運算量減少至 O(N logN)，速度大幅增加。

準程式碼

    (Overlap-save algorithm for linear convolution)
    //////// revised by fantastic ////////
    N = length(x), M = length(h)
    O = M – 1;	// overlap length must be M-1
    L = M;	// >=1 is OK
    P = O + L;
    H = FFT(h, P);	// just calc once
    idx = - (O - 1);	// starting index which is offset M-1 in matlab
    while (idx <= N)
        i1 = max(1, idx);	// must be >= 1
        i2 = min(N, idx+P-1);	// must be <= N
        yt = IFFT( FFT(x(i1:i2), P).*H, P );
        y(idx:idx+P-M) = yt(M:P);	// discard first M-1 values and concatenate the remaining
        idx = idx + L;
    end
    y = y(1:M+N-1);	// the first M+N-1 values are the convolution result

區塊長度的選擇

當 x[n] 的長度 N'  和 h[n] 的長度 M 相差太大時（例如 M  < log2N'  ），直接摺積（不透過圓周摺積和 FFT ）反而最快。而當 N'  和 M 差不多在同一個數量級時，不用分割，也就是只有一塊長度 L = N'  的區塊去做 FFT 即可。而當 N'  比 M 大了不少，卻沒大太多時，區塊長度 L 就需要選擇。除了與 N'  和 M 相關以外，也要考慮當兩者相除有餘數時，剩下一小段的輸入可能會造成浪費。

相關條目

離散摺積
圓周摺積
快速傅立葉變換
重疊-相加之摺積法

參考文獻

外部連結

DSP class Fall 2005 Lecture08 at The University of Texas at Arlington]

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