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席萌0209 发表于 2015-4-3 11:07:35

【安富莱DSP教程】第22章 math_help中函数的使用

特别说明：完整45期数字信号处理教程，原创高性能示波器代码全开源地址：链接
第22章 math_help中函数的使用

    本期教程主要讲解math_help文件中函数的使用，这个文件也是ARM官方提供的，这些函数相对都比较容易，同时使用频率也很高。希望初学的同学学习并掌握。
    22.1 函数讲解
    22.3 总结

22.1 函数讲解

22.1.1 函数目录

    在文件math_help文件中主要有以下函数：
float arm_snr_f32(float *pRef, float *pTest,uint32_t buffSize);
void arm_float_to_q12_20(float *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples);
void arm_provide_guard_bits_q15(q15_t *input_buf, uint32_t blockSize, uint32_t guard_bits);
void arm_provide_guard_bits_q31(q31_t *input_buf, uint32_t blockSize, uint32_t guard_bits);
void arm_float_to_q14(float *pIn, q15_t *pOut, uint32_t numSamples);
void arm_float_to_q30(float *pIn, q31_t *pOut, uint32_t numSamples);
void arm_clip_f32(float *pIn, uint32_t numSamples);
uint32_t arm_calc_guard_bits(uint32_t num_adds);
void arm_apply_guard_bits (float32_t * pIn, uint32_t numSamples, uint32_t guard_bits);
uint32_t arm_compare_fixed_q15(q15_t *pIn, q15_t * pOut, uint32_t numSamples);
uint32_t arm_compare_fixed_q31(q31_t *pIn, q31_t *pOut, uint32_t numSamples);
uint32_t arm_calc_2pow(uint32_t guard_bits);

22.1.2 arm_snr_f32

    这个函数用于求信噪比：
/**                                                                                                   (1)
* @briefCaluclation of SNR
* @paramfloat*   Pointer to the reference buffer
* @paramfloat*    Pointer to the test buffer
* @paramuint32_t    total number of samples
* @return float    SNR
* The function Caluclates signal to noise ratio for the reference output
* and test output
*/

float arm_snr_f32(float *pRef, float *pTest, uint32_t buffSize)
{
float EnergySignal = 0.0, EnergyError = 0.0;
uint32_t i;
float SNR;
int temp;
int *test;

for (i = 0; i < buffSize; i++)
    {
       /* Checking for a NAN value in pRef array */
test =   (int *)(&pRef);
      temp =*test;

if(temp == 0x7FC00000)
{
       return(0);
}

/* Checking for a NAN value in pTest array */
test =   (int *)(&pTest);
      temp =*test;

if(temp == 0x7FC00000)
{
       return(0);
}
      EnergySignal += pRef * pRef;
      EnergyError += (pRef - pTest) * (pRef - pTest);
    }

/* Checking for a NAN value in EnergyError */
test =   (int *)(&EnergyError);
    temp =*test;

    if(temp == 0x7FC00000)
    {
       return(0);
    }

SNR = 10 * log10 (EnergySignal / EnergyError);                                                       (2)

return (SNR);

}

1. 这里先补充一些信噪比方面的基础知识：
    信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio），又称为讯噪比。反映摄像机成像的抗干扰能力，反应在画质上就是画面是否干净无噪点；狭义来讲是指放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于70dB，高保真音箱的信噪比应达到110dB以上。公式如下：


    关于信噪比更详细的知识，大家可以查阅相关资料进行了解。
2. 这里实现的就是上面所说的信噪比公式。

席萌0209 发表于 2015-4-3 11:16:00

22.1.3 arm_float_to_q12_20


/**
* @briefConverts float to fixed in q12.20 format                                                    (1)
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
* The function converts floating point values to fixed point(q12.20) values
*/

void arm_float_to_q12_20(float *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
    {
/* 1048576.0f corresponds to pow(2, 20) */
      pOut = (q31_t) (pIn * 1048576.0f);                                                      (2)

      pOut += pIn > 0 ? 0.5 : -0.5;

      if (pIn == (float) 1.0)
      {
          pOut = 0x000FFFFF;
      }
    }
}
1. 这个函数用于将浮点数转换成Q12.20格式的数据。
2. 浮点数转换成Q12.20格式需要乘以2^20，然后再做舍入处理，特别注意这里的浮点数末尾要加符号f，这样才能保证是单精度。

22.1.4 arm_provide_guard_bits_q15


/**
* @briefProvide guard bits for Input buffer
* @paramq15_t*         Pointer to input buffer
* @paramuint32_t   blockSize
* @paramuint32_t   guard_bits
* @return none
* The function Provides the guard bits for the buffer
* to avoid overflow
*/

void arm_provide_guard_bits_q15 (q15_t * input_buf, uint32_t blockSize,
                            uint32_t guard_bits)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < blockSize; i++)
    {
      input_buf = input_buf >> guard_bits;
    }
}
1. 这个函数用于给q15_t类型的数据提供保护位，防止溢出。从函数的实现上看，保护位的实现是通过右移数据实现的。

22.1.5arm_provide_guard_bits_q31


/**
* @briefProvide guard bits for Input buffer
* @paramq31_t*   Pointer to input buffer
* @paramuint32_t   blockSize
* @paramuint32_t   guard_bits
* @return none
* The function Provides the guard bits for the buffer
* to avoid overflow
*/

void arm_provide_guard_bits_q31 (q31_t * input_buf,
uint32_t blockSize,
                                 uint32_t guard_bits)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < blockSize; i++)
    {
      input_buf = input_buf >> guard_bits;
    }
}
1. 这个函数用于给q31_t类型的数据提供保护位，防止溢出。从函数的实现上看，保护位的实现是通过右移数据实现的。

席萌0209 发表于 2015-4-3 11:17:31

22.1.6 arm_float_to_q14


/**
* @briefConverts float to fixed q14
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
* The function converts floating point values to fixed point values
*/

void arm_float_to_q14 (float *pIn, q15_t * pOut,
                     uint32_t numSamples)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
    {
/* 16384.0f corresponds to pow(2, 14) */
      pOut = (q15_t) (pIn * 16384.0f);

      pOut += pIn > 0 ? 0.5 : -0.5;

      if (pIn == (float) 2.0)
      {
          pOut = 0x7FFF;
      }

    }

}
1. 这个函数用于将浮点数转换成Q14格式的数据。
2. 浮点数转换成Q14格式需要乘以2^14，然后再做舍入处理，特别注意这里的浮点数末尾要加符号f，这样才能保证是单精度。

22.1.7 arm_float_to_q30


/**
* @briefConverts float to fixed q30 format
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
* The function converts floating point values to fixed point values
*/

void arm_float_to_q29 (float *pIn, q31_t * pOut,
   uint32_t numSamples)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
    {
/* 1073741824.0f corresponds to pow(2, 30) */
      pOut = (q31_t) (pIn * 536870912.0f);

      pOut += pIn > 0 ? 0.5 : -0.5;

      if (pIn == (float) 4.0)
      {
          pOut = 0x7FFFFFFF;
      }
    }
}
1. 这个函数用于将浮点数转换成Q30格式的数据。
2. 浮点数转换成Q30格式需要乘以2^30，然后再做舍入处理，特别注意这里的浮点数末尾要加符号f，这样才能保证是单精度。

22.1.8 arm_calc_guard_bits


/**
* @briefCaluclates number of guard bits
* @paramuint32_t   number of additions
* @return none
* The function Caluclates the number of guard bits
* depending on the numtaps
*/

uint32_t arm_calc_guard_bits (uint32_t num_adds)
{
uint32_t i = 1, j = 0;

if (num_adds == 1)
    {
      return (0);
    }

while (i < num_adds)
    {
      i = i * 2;
      j++;
    }

return (j);
}
1. 这个函数是根据加数的个数来计算最终结果需要的保护位格式，从而防止溢出。

席萌0209 发表于 2015-4-3 11:19:27

22.1.9arm_apply_guard_bits


/**
* @briefConverts Q15 to floating-point
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
*/

void arm_apply_guard_bits (float32_t * pIn,
   uint32_t numSamples,
   uint32_t guard_bits)
{
uint32_t i;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
    {
      pIn = pIn * arm_calc_2pow(guard_bits);
    }
}
1. 这个函数不是很理解在实际应用中的作用。

22.1.10arm_calc_2pow


/**
* @briefCalculates pow(2, numShifts)
* @paramuint32_t   number of shifts
* @return pow(2, numShifts)
*/
uint32_t arm_calc_2pow(uint32_t numShifts)
{

uint32_t i, val = 1;

for (i = 0; i < numShifts; i++)
    {
      val = val * 2;
    }

return(val);
}
1. 这个函数用于求解2的n次方。

22.1.11arm_compare_fixed_q15


/**
* @briefCompare MATLAB Reference Output and ARM Test output
* @paramq15_t*   Pointer to Ref buffer
* @paramq15_t*   Pointer to Test buffer
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
*/

uint32_t arm_compare_fixed_q15(q15_t *pIn, q15_t * pOut, uint32_t numSamples)
{
uint32_t i;
int32_t diff, diffCrnt = 0;
uint32_t maxDiff = 0;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
{
      diff = pIn - pOut;
      diffCrnt = (diff > 0) ? diff : -diff;

if(diffCrnt > maxDiff)
{
maxDiff = diffCrnt;
}
}

return(maxDiff);
}
1. 这个函数用于对比matlab和ARM实际计算的输出，并返回最大的差值（Q15）。

22.1.12arm_compare_fixed_q15


/**
* @briefCompare MATLAB Reference Output and ARM Test output
* @paramq31_t*   Pointer to Ref buffer
* @paramq31_t*   Pointer to Test buffer
* @paramuint32_t   number of samples in the buffer
* @return none
*/

uint32_t arm_compare_fixed_q31(q31_t *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples)
{
uint32_t i;
int32_t diff, diffCrnt = 0;
uint32_t maxDiff = 0;

for (i = 0; i < numSamples; i++)
{
      diff = pIn - pOut;
      diffCrnt = (diff > 0) ? diff : -diff;

if(diffCrnt > maxDiff)
{
maxDiff = diffCrnt;
}
}

return(maxDiff);
}
1. 这个函数用于对比matlab和ARM实际计算的输出，并返回最大的差值（Q31）。

席萌0209 发表于 2015-4-3 11:19:56

22.2总结


    本期教程就跟大家讲这么多，本期教程就不配套例子了，这些函数会在后面的应用中都用到。

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