STM32F4-DSP库学习-DSP库函数中IIR滤波器的实现和效果

ID:228907 · 发表于 2017-8-23 09:51

我们来实际操作STM32F4DSP库的IIR滤波器。

与IIR滤波器函数有关的源文件如下图所示：

STM32F4DSP库中采用biquad作为一个单元。一个biquad是2阶，n个biquad串联之后就是n阶滤波器。

基本的单元结构如下所示：

我们可以求出一个biquad的差分函数形式是：

y[n]=b0*x[n]+b1*x[n-1]+b2*x[n-2]-a1*y[n-1]-a2*y[n-2]

Matlab里的计算就是按照上面的式子计算的，但是STM32F4DSP库里的系数a1，a2是取反的。

下面就介绍如何使用MATLAB设计IIR滤波器。

举个例子，我们要设计一个采样率为1kHz，4阶，截止频率100Hz的巴特沃斯滤波器。

首先和设计FIR滤波器一样，首先在MATLAB命令窗口输入fdatool，调出滤波器设计窗口

按照方框所示设置好参数：

点击DesignFilter：

注意红框里面是直接II型，我们要把他改为直接I型。

点击Edit->ConvertStructure，选择I型：

转化好后，点击File-Export，

第一项选择CoefficientFile（ASCII）：

第一项选择好以后，第二项选择Decimal：

点击Export，保存后生成如下文件：

系数对应如下：

1211-1.32091343081942640.63273879288527657

b0b1b2a0a1a2

1211-1.04859957636261170.29614035756166951

b0b1b2a0a1a2

实际使用ARM官方的IIR函数调用的时候要将a1和a2取反。把a0去掉

ScaleValues表示每个biquad的增益系数。所以最后用STM32计算后，要乘以这两个系数。

设计滤波器系数之后，我们来看STM32的IIR滤波器函数：

主要介绍下arm_biquad_cascade_df1_f32

函数定义如下：

voidarm_biquad_cascade_df1_f32(

constarm_biquad_casd_df1_inst_f32*S,

float32_t*pSrc,

float32_t*pDst,

uint32_tblockSize)

参数：

*Spointstoaninstanceofthefloating-pointBiquadcascadestructure.

*pSrcpointstotheblockofinputdata.

*pDstpointstotheblockofoutputdata.

blockSizenumberofsamplestoprocesspercall.

介绍下结构体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指向的数组长度是4倍numStages长度

pCoeffs指向的数组长度是5倍numStages长度，a0默认为1，不需要放入

numStages表示biquad个数；

好，接下来我们就可以使用这个函数了

#define numStages 2
#define TEST_LENGTH_SAMPLES 1024
float32_t testInput_f32[TEST_LENGTH_SAMPLES];
float32_t testOutput[TEST_LENGTH_SAMPLES];
float32_t IIRStateF32[4*numStages];
const float32_t IIRCoeffs32LP[5*numStages] =
{
1.0f, 2.0f, 1.0f, 1.3209134308194264f, -0.63273879288527657f,
1.0f, 2.0f, 1.0f, 1.0485995763626117f, -0.29614035756166951f
};
void arm_iir_f32_lp(void)
{
uint32_t i;
arm_biquad_casd_df1_inst_f32 S;
float32_t ScaleValue;
for(i=0;i<TEST_LENGTH_SAMPLES;i++)
{
testInput_f32[i]=1.2f*arm_sin_f32(2*PI*50*i/1000)+arm_sin_f32(2*PI*250*i/1000)+1;
printf("%frn", testInput_f32[i]);
}
arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&S, numStages, (float32_t *)&IIRCoeffs32LP[0], (float32_t *)&IIRStateF32[0]);
arm_biquad_cascade_df1_f32(&S, testInput_f32, testOutput, TEST_LENGTH_SAMPLES);
ScaleValue = 0.077956340516462552f * 0.061885195299764481f;
for(i=0; i<TEST_LENGTH_SAMPLES; i++)
{
printf("%frn", testOutput[i]*ScaleValue);
}
}

复制代码

把原始信号和过滤后信号打印出来，导入到matlab，用下面程序处理：

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('时间/s');

ylabel('幅度/v');

title('原始信号波形图');

h1=fft(data1,N);

subplot(2,2,2);

plot(t(1:150),data2(1:150));

xlabel('时间/s');

ylabel('幅度/v');

title('过滤后信号波形图');

subplot(2,2,3);

plot(f,abs(h1));

xlabel('频率/Hz');

ylabel('幅度');

title('原始信号频谱图');

subplot(2,2,4);

h2=fft(data2,N);

plot(f,abs(h2));

xlabel('频率/Hz');

ylabel('幅度');

title('过滤后信号频谱图');

运行结果：

可以看出STM32的IIR滤波器的计算结果还是令人满意的。

全部资料下载地址：

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