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硬汉Eric2013

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【安富莱——DSP教程】第22章 math_help中函数的使用

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。
    21.1 函数讲解
    21.3 总结

回帖（7）

硬汉Eric2013

2015-6-24 16:01:53
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：
  1. float arm_snr_f32(float *pRef, float *pTest,  uint32_t buffSize);
  2. void arm_float_to_q12_20(float *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples);
  3. void arm_provide_guard_bits_q15(q15_t *input_buf, uint32_t blockSize, uint32_t guard_bits);
  4. void arm_provide_guard_bits_q31(q31_t *input_buf, uint32_t blockSize, uint32_t guard_bits);
  5. void arm_float_to_q14(float *pIn, q15_t *pOut, uint32_t numSamples);
  6. void arm_float_to_q30(float *pIn, q31_t *pOut, uint32_t numSamples);
  7. void arm_clip_f32(float *pIn, uint32_t numSamples);
  8. uint32_t arm_calc_guard_bits(uint32_t num_adds);
  9. void arm_apply_guard_bits (float32_t * pIn, uint32_t numSamples, uint32_t guard_bits);
  10. uint32_t arm_compare_fixed_q15(q15_t *pIn, q15_t * pOut, uint32_t numSamples);
  11. uint32_t arm_compare_fixed_q31(q31_t *pIn, q31_t *pOut, uint32_t numSamples);
  12. 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. /**                                                                                                   (1)
  2. * @brief  Caluclation of SNR
  3. * @param  float* Pointer to the reference buffer
  4. * @param  float*  Pointer to the test buffer
  5. * @param  uint32_t    total number of samples
  6. * [url=home.php?mod=space&uid=1141835]@Return[/url] float   SNR
  7. * The function Caluclates signal to noise ratio for the reference output
  8. * and test output
  9. */

  11. float arm_snr_f32(float *pRef, float *pTest, uint32_t buffSize)
  12. {
  13.   float EnergySignal = 0.0, EnergyError = 0.0;
  14.   uint32_t i;
  15.   float SNR;
  16.   int temp;
  17.   int *test;

  19.   for (i = 0; i < buffSize; i++)
  20.     {
  21.        /* Checking for a NAN value in pRef array */
  22.        test =   (int *)(&pRef[i]);
  23.       temp =  *test;

  25.        if(temp == 0x7FC00000)
  26.        {
  27.               return(0);
  28.        }

  30.        /* Checking for a NAN value in pTest array */
  31.        test =   (int *)(&pTest[i]);
  32.       temp =  *test;

  34.        if(temp == 0x7FC00000)
  35.        {
  36.               return(0);
  37.        }
  38.       EnergySignal += pRef[i] * pRef[i];
  39.       EnergyError += (pRef[i] - pTest[i]) * (pRef[i] - pTest[i]);
  40.     }

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

  46.     if(temp == 0x7FC00000)
  47.     {
  48.          return(0);
  49.     }
  50.    

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

  54.   return (SNR);

  56. }
1.     这里先补充一些信噪比方面的基础知识：
信噪比，即SNR（Signal toNoise 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：
有用信号功率（Power of Signal）与噪声功率（Power of Noise）的比，那么幅度（Amplitude）平方的比如下：
22.1.png
                              
它的单位一般使用分贝，其值为十倍对数信号与噪声功率比：
22.2.png
其中

22.3.png
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。

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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:03:18
22.1.3   arm_float_to_q12_20
  1. /**
  2. * @brief  Converts float to fixed in q12.20 format                                                    (1)
  3. * @param  uint32_t    number of samples in the buffer
  4. * @return none
  5. * The function converts floating point values to fixed point(q12.20) values
  6. */

  8. void arm_float_to_q12_20(float *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples)
  9. {
  10.   uint32_t i;

  12.   for (i = 0; i < numSamples; i++)
  13.     {
  14.        /* 1048576.0f corresponds to pow(2, 20) */
  15.       pOut[i] = (q31_t) (pIn[i] * 1048576.0f);                                                        (2)

  17.       pOut[i] += pIn[i] > 0 ? 0.5 : -0.5;

  19.       if (pIn[i] == (float) 1.0)
  20.         {
  21.           pOut[i] = 0x000FFFFF;
  22.         }
  23.     }
  24. }
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
  1. /**
  2. * @brief  Provide guard bits for Input buffer
  3. * @param  q15_t*     Pointer to input buffer
  4. * @param  uint32_t    blockSize
  5. * @param  uint32_t    guard_bits
  6. * @return none
  7. * The function Provides the guard bits for the buffer
  8. * to avoid overflow
  9. */

  11. void arm_provide_guard_bits_q15 (q15_t * input_buf, uint32_t blockSize,
  12.                             uint32_t guard_bits)
  13. {
  14.   uint32_t i;

  16.   for (i = 0; i < blockSize; i++)
  17.     {
  18.       input_buf[i] = input_buf[i] >> guard_bits;
  19.     }
  20. }
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。

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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:04:45
22.1.5    arm_provide_guard_bits_q31
  1. /**
  2. * @brief  Provide guard bits for Input buffer
  3. * @param  q31_t* Pointer to input buffer
  4. * @param  uint32_t    blockSize
  5. * @param  uint32_t    guard_bits
  6. * @return none
  7. * The function Provides the guard bits for the buffer
  8. * to avoid overflow
  9. */

  11. void arm_provide_guard_bits_q31 (q31_t * input_buf,
  12.                                       uint32_t blockSize,
  13.                                  uint32_t guard_bits)
  14. {
  15.   uint32_t i;

  17.   for (i = 0; i < blockSize; i++)
  18.     {
  19.       input_buf[i] = input_buf[i] >> guard_bits;
  20.     }
  21. }
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。

22.1.6  arm_float_to_q14
  1. /**
  2. * @brief  Converts float to fixed q14
  3. * @param  uint32_t    number of samples in the buffer
  4. * @return none
  5. * The function converts floating point values to fixed point values
  6. */

  8. void arm_float_to_q14 (float *pIn, q15_t * pOut,
  9.                        uint32_t numSamples)
  10. {
  11.   uint32_t i;

  13.   for (i = 0; i < numSamples; i++)
  14.     {
  15.        /* 16384.0f corresponds to pow(2, 14) */
  16.       pOut[i] = (q15_t) (pIn[i] * 16384.0f);

  18.       pOut[i] += pIn[i] > 0 ? 0.5 : -0.5;

  20.       if (pIn[i] == (float) 2.0)
  21.         {
  22.           pOut[i] = 0x7FFF;
  23.         }

  25.     }

  27. }
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。

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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:05:53
22.1.7    arm_float_to_q30
  1. /**
  2. * @brief  Converts float to fixed q30 format
  3. * @param  uint32_t    number of samples in the buffer
  4. * @return none
  5. * The function converts floating point values to fixed point values
  6. */

  8. void arm_float_to_q29 (float *pIn, q31_t * pOut,
  9.                           uint32_t numSamples)
  10. {
  11.   uint32_t i;

  13.   for (i = 0; i < numSamples; i++)
  14.     {
  15.        /* 1073741824.0f corresponds to pow(2, 30) */
  16.       pOut[i] = (q31_t) (pIn[i] * 536870912.0f);

  18.       pOut[i] += pIn[i] > 0 ? 0.5 : -0.5;

  20.       if (pIn[i] == (float) 4.0)
  21.         {
  22.           pOut[i] = 0x7FFFFFFF;
  23.         }
  24.     }
  25. }
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
  1. /**
  2. * @brief  Caluclates number of guard bits
  3. * @param  uint32_t    number of additions
  4. * @return none
  5. * The function Caluclates the number of guard bits
  6. * depending on the numtaps
  7. */

  9. uint32_t arm_calc_guard_bits (uint32_t num_adds)
  10. {
  11.   uint32_t i = 1, j = 0;

  13.   if (num_adds == 1)
  14.     {
  15.       return (0);
  16.     }

  18.   while (i < num_adds)
  19.     {
  20.       i = i * 2;
  21.       j++;
  22.     }

  24.   return (j);
  25. }
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。

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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:06:38
22.1.9   arm_apply_guard_bits
  1. /**
  2. * @brief  Converts Q15 to floating-point
  3. * @param  uint32_t    numberof samples in the buffer
  4. * @return none
  5. */
  6. void arm_apply_guard_bits (float32_t * pIn,
  7.                                uint32_t numSamples,
  8.                                uint32_t guard_bits)
  9. {
  10.   uint32_t i;
  11.   for (i = 0; i< numSamples; i++)
  12.     {
  13.       pIn =pIn * arm_calc_2pow(guard_bits);
  14.     }
  15. }
1.    这个函数不是很理解在实际应用中的作用。
22.1.10   arm_calc_2pow
  1. /**
  2. * @brief  Calculates pow(2, numShifts)
  3. * @param  uint32_t    numberof shifts
  4. * @return pow(2,numShifts)
  5. */
  6. uint32_t arm_calc_2pow(uint32_t numShifts)
  7. {
  8.   uint32_t i, val =1;
  9.   for (i = 0; i< numShifts; i++)
  10.     {
  11.       val = val *2;
  12.     }   
  13.   return(val);
  14. }
1.    这个函数用于求解2的n次方。
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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:08:19
22.1.11    arm_compare_fixed_q15
  1. /**
  2. * @brief  Compare MATLAB Reference Output and ARM Test output
  3. * @param  q15_t* Pointer to Ref buffer
  4. * @param  q15_t* Pointer to Test buffer
  5. * @param  uint32_t    number of samples in the buffer
  6. * @return none
  7. */

  9. uint32_t arm_compare_fixed_q15(q15_t *pIn, q15_t * pOut, uint32_t numSamples)
  10. {
  11.   uint32_t i;
  12.   int32_t diff, diffCrnt = 0;
  13.   uint32_t maxDiff = 0;

  15.   for (i = 0; i < numSamples; i++)
  16.   {
  17.      diff = pIn[i] - pOut[i];
  18.      diffCrnt = (diff > 0) ? diff : -diff;

  20.      if(diffCrnt > maxDiff)
  21.      {
  22.          maxDiff = diffCrnt;
  23.      }   
  24.   }

  26.   return(maxDiff);
  27. }
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）。

22.1.12    arm_compare_fixed_q15
  1. /**
  2. * @brief  Compare MATLAB Reference Output and ARM Test output
  3. * @param  q31_t* Pointer to Ref buffer
  4. * @param  q31_t* Pointer to Test buffer
  5. * @param  uint32_t    number of samples in the buffer
  6. * @return none
  7. */

  9. uint32_t arm_compare_fixed_q31(q31_t *pIn, q31_t * pOut, uint32_t numSamples)
  10. {
  11.   uint32_t i;
  12.   int32_t diff, diffCrnt = 0;
  13.   uint32_t maxDiff = 0;

  15.   for (i = 0; i < numSamples; i++)
  16.   {
  17.      diff = pIn[i] - pOut[i];
  18.      diffCrnt = (diff > 0) ? diff : -diff;

  20.      if(diffCrnt > maxDiff)
  21.      {
  22.          maxDiff = diffCrnt;
  23.      }
  24.   }

  26.   return(maxDiff);
  27. }
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）。

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硬汉Eric2013

2015-6-24 16:08:32
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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