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標題: STM32F4-DSP庫學習-DSP庫函數中IIR濾波器的實現和效果 [打印本頁]
作者: dakunhui    時間: 2017-8-23 09:51
標題: STM32F4-DSP庫學習-DSP庫函數中IIR濾波器的實現和效果
我們來實際操作STM32F4DSP庫的IIR濾波器。
與IIR濾波器函數有關的源文件如下圖所示：
STM32F4DSP庫中采用biquad作為一個單元。一個biquad是2階，n個biquad串聯之后就是n階濾波器。
基本的單元結構如下所示：
我們可以求出一個biquad的差分函數形式是：
y[n]=b0*x[n]+b1*x[n-1]+b2*x[n-2]-a1*y[n-1]-a2*y[n-2]
Matlab里的計算就是按照上面的式子計算的，但是STM32F4DSP庫里的系數a1，a2是取反的。
下面就介紹如何使用MATLAB設計IIR濾波器。
舉個例子，我們要設計一個采樣率為1kHz，4階，截止頻率100Hz的巴特沃斯濾波器。
首先和設計FIR濾波器一樣，首先在MATLAB命令窗口輸入fdatool，調出濾波器設計窗口
按照方框所示設置好參數：
點擊DesignFilter：
注意紅框里面是直接II型，我們要把他改為直接I型。
點擊Edit->ConvertStructure，選擇I型：
轉化好后，點擊File-Export，
第一項選擇CoefficientFile（ASCII）：
第一項選擇好以后，第二項選擇Decimal：
點擊Export，保存后生成如下文件：
系數對應如下：
1211-1.32091343081942640.63273879288527657
b0b1b2a0a1a2
1211-1.04859957636261170.29614035756166951
b0b1b2a0a1a2
實際使用ARM官方的IIR函數調用的時候要將a1和a2取反。把a0去掉
ScaleValues表示每個biquad的增益系數。所以最后用STM32計算后，要乘以這兩個系數。
設計濾波器系數之后，我們來看STM32的IIR濾波器函數：
主要介紹下arm_biquad_cascade_df1_f32
函數定義如下：
voidarm_biquad_cascade_df1_f32(
constarm_biquad_casd_df1_inst_f32*S,
float32_t*pSrc,
float32_t*pDst,
uint32_tblockSize)
參數：
*Spointstoaninstanceofthefloating-pointBiquadcascadestructure.
*pSrcpointstotheblockofinputdata.
*pDstpointstotheblockofoutputdata.
blockSizenumberofsamplestoprocesspercall.
介紹下結構體arm_biquad_casd_df1_inst_f32
typedefstruct
{
//<numberof2ndorderstagesinthefilter.Overallorderis2*numStages.
uint32_tnumStages;
//<Pointstothearrayofstatecoefficients.Thearrayisoflength4*numStages.float32_t*pState;
//<Pointstothearrayofcoefficients.Thearrayisoflength5*numStages.
float32_t*pCoeffs;
}arm_biquad_casd_df1_inst_f32;
注意下：pState指向的數組長度是4倍numStages長度
pCoeffs指向的數組長度是5倍numStages長度，a0默認為1，不需要放入
numStages表示biquad個數；
好，接下來我們就可以使用這個函數了
  1. #define numStages 2
  2. #define TEST_LENGTH_SAMPLES 1024
  3. float32_t testInput_f32[TEST_LENGTH_SAMPLES];
  4. float32_t testOutput[TEST_LENGTH_SAMPLES];
  5. float32_t IIRStateF32[4*numStages];
  6. const float32_t IIRCoeffs32LP[5*numStages] =
  7. {
  8. 1.0f,  2.0f,  1.0f,  1.3209134308194264f,  -0.63273879288527657f,        
  9.   1.0f,  2.0f,  1.0f,  1.0485995763626117f,  -0.29614035756166951f
  10. };
  11. void arm_iir_f32_lp(void)
  12. {
  13. uint32_t i;
  14. arm_biquad_casd_df1_inst_f32 S;
  15. float32_t ScaleValue;
  16. for(i=0;i<TEST_LENGTH_SAMPLES;i++)
  17. {
  18. testInput_f32[i]=1.2f*arm_sin_f32(2*PI*50*i/1000)+arm_sin_f32(2*PI*250*i/1000)+1;

  20.    printf("%frn", testInput_f32[i]);
  21. }
  22. arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&S, numStages, (float32_t *)&IIRCoeffs32LP[0], (float32_t *)&IIRStateF32[0]);
  23. arm_biquad_cascade_df1_f32(&S, testInput_f32, testOutput, TEST_LENGTH_SAMPLES);
  24. ScaleValue = 0.077956340516462552f * 0.061885195299764481f;
  25. for(i=0; i<TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
  26. {
  27. printf("%frn", testOutput[i]*ScaleValue);
  28. }
  29. }
復制代碼

把原始信號和過濾后信號打印出來，導入到matlab，用下面程序處理：
Fs=1000;
N=1024;
n=0:1:N-1;
f=Fs*n/N;
t=0:1/Fs:(N-1)/Fs;
subplot(2,2,1);
plot(t(1:150),data1(1:150));
xlabel('時間/s');
ylabel('幅度/v');
title('原始信號波形圖');
h1=fft(data1,N);
subplot(2,2,2);
plot(t(1:150),data2(1:150));
xlabel('時間/s');
ylabel('幅度/v');
title('過濾后信號波形圖');
subplot(2,2,3);
plot(f,abs(h1));
xlabel('頻率/Hz');
ylabel('幅度');
title('原始信號頻譜圖');
subplot(2,2,4);
h2=fft(data2,N);
plot(f,abs(h2));
xlabel('頻率/Hz');
ylabel('幅度');
title('過濾后信號頻譜圖');
運行結果：

可以看出STM32的IIR濾波器的計算結果還是令人滿意的。

全部資料下載地址：
STM32F4-DSP庫學習筆記9-DSP庫函數中IIR濾波器的實現和效果.doc (389 KB, 下載次數: 66)







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