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  • IIR数字滤波器实现

    题目:16k采样率音频数据下采样到8k采样率

    求解方案分析:直接每隔一个取一个采样值,这样就可以得到8k采样率的数据。但是这样明显会有问题。按照采样率变换理论,首先应该通过一个低通滤波器,滤掉[pi/2, pi]这个区间上的频率,以防止下采样造成的频率混叠。这个低通滤波器在很多书上都用FIR滤波去实现,并且可以用FIR滤波的多相结构去实现。这样滤波和下采样过程可以互换位置。即先下采样再进行多相FIR滤波。

    在嵌入式设备上FIR滤波会占用较长的时间,为此,我们可以采用IIR滤波器来做。滤波器的设计采用MATLABFDATool工具。相关的参数如下:

     

     

    采用最小P阶范数设计IIR滤波器的幅频特性较好。滤波器阶数设定为6阶,需要滤除4k8k的频率段,才能保证无混叠失真。实际由于滤波器的特性没法做到理想的状态,选择滤波器截止频率为3800hz36003800为过渡带宽。其它选项采用默认设置。设计的滤波器幅度响应如下图:

     

    生成的滤波器系数文件如下:

    /*

     * Filter Coefficients (C Source) generated by the Filter Design and Analysis Tool

     *

     * Generated by MATLAB(R) 7.6 and the Signal Processing Toolbox 6.9.

     *

     * Generated on: 03-Dec-2010 10:41:03

     *

     */

     

    /*

     * Discrete-Time IIR Filter (real)

     * -------------------------------

     * Filter Structure    : Direct-Form II, Second-Order Sections

     * Number of Sections  : 3

     * Stable              : Yes

     * Linear Phase        : No

     */

     

    /* General type conversion for MATLAB generated C-code  */

    #include "tmwtypes.h"

    /*

     * Expected path to tmwtypes.h

     * D:/MATLAB/R2008a/extern/include/tmwtypes.h

     */

    #define MWSPT_NSEC 7

    const int NL[MWSPT_NSEC] = { 1,3,1,3,1,3,1 };

    const real64_T NUM[MWSPT_NSEC][3] = {

      {

        0.09065504059673,                 0,                 0

      },

      {

                       1,  -0.1323122149853,   0.9999674089086

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      },

      {

                       1,   0.1670351201308,   0.9999889247428

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      },

      {

                       1,    1.417032671609,   0.9978019623105

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      }

    };

    const int DL[MWSPT_NSEC] = { 1,3,1,3,1,3,1 };

    const real64_T DEN[MWSPT_NSEC][3] = {

      {

                       1,                 0,                 0

      },

      {

                       1,    -0.40321085647,   0.7334254033056

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      },

      {

                       1,  -0.6868636040216,   0.2670185171768

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      },

      {

                       1,  -0.2880720042256,   0.9480010462991

      },

      {

                       1,                 0,                 0

      }

    };

     

    上述系数是32阶节IIR结构的级联。可以转换为我们熟悉的b/a的形式如下:

     

    double a[3][3] = {

         {1,  -0.6868636040216,   0.2670185171768},

         {1,    -0.40321085647,   0.7334254033056},

         {1,  -0.2880720042256,   0.9480010462991}

     

    };

     

    double b[3][3] = {

         {1,   1.417032671609,   0.9978019623105},

         {1,   0.1670351201308,   0.9999889247428},

         {1,  -0.1323122149853,   0.9999674089086},

    };

     

    注意上面系数文件中还有一个增益:

    double gain =  0.09065504059673

    这个增益最好在第一级实现以后加入运算。这样可以减小误差,保证数据 动态范围不被溢出。尤其是在定点计算的时候尤为如此。

     

     

    2阶节IIR滤波的直接实现

    一个2阶节结构是下面这样一个表达式:

     

     

    实现上面这个表达式需要4个过去的历史值,把它定义在结构体

    typedef struct tag_ IIR_State_2order

    {

         float y2;

         float y1;

         float x1;

         float x0;

    } IIR_State_2order;

     

    调用下面函数之前需要把上述结构体所有值初始化为零。滤波按一帧一帧数据进行。

    #define  ONE_FRAME_SAMPLE_SIZE   1024

    void cy_signal_filter_by_iir(signed short* pcmIn, IIR_State_2order* filter_state, float a[], float b[], signed short* pcmOut)

    {

       int i;

       float x2;

       float tmp;

       for ( i = 0; i < ONE_FRAME_SAMPLE_SIZE; i++ )

       {

          x2 = filter_state->x1;

          filter_state->x1 = filter_state->x0;

          filter_state->x0 = pcmIn[i];

          tmp = ( float )(b[0]* filter_state->x0 + b[1]* filter_state->x1 +

    b[2] * x2 - a[1] * filter_state->y1 - a[2] * filter_state->y2);

           if(tmp >= 32767)

           {

               tmp = 32767;

           }

           if(tmp <= -32768)

           {

              tmp = -32768;

           }

          pcmOut[i] = (signed short)tmp;

          filter_state->y2 = filter_state->y1;

          filter_state->y1 = tmp;

       }

    }

    有一个简单的技巧可以把上面的计算简化,使得历史状态数由4减少为2。定义下面的表达式:

     

     

     

     

     

    结构体定义如下:

    typedef struct tag_ IIR_State_2order

    {

         float st1;

         float st2;

    } IIR_State_2order;

     

    void cy_signal_filter_by_iir(signed short* pcmIn, IIR_State_2order* filter_state, float a[], float b[], signed short* pcmOut)

     

    {

       int i;

       float st;

       float Tmp_fl;

       for ( i = 0; i < ONE_FRAME_SAMPLE_SIZE; i++ )

       {

            st = (float)(pcmIn[i] -  a[1] * filter_state->st1  - a[2] * filter_state-> st2);

            Tmp_fl = b[0] *  st + b[1] * filter_state->st1 + b[2] * filter_state->st2;

            filter_state->st2= filter_state->st1;

            filter_state->st1 = st;

            if(Tmp_fl >= 32767.0)

            {

                Tmp_fl = 32767;

            }

            if(Tmp_fl <= -32768)

            {

               Tmp_fl = -32768;

            }

     

             pcmOut[i] = (signed short)Tmp_fl;

       }

    }

     

    6阶节IIR滤波的实现

    有个上面的基础,我们来实现上面设计的6IIR滤波器。

    6阶节分解为32阶节级联实现。每个2阶节需要2个历史状态,总共需要6个历史状态。结构体定义如下:

    typedef struct tag_IIR_State_3Order

    {

         double w01;

         double w02;

         double w11;

         double w12;

         double w21;

         double w22;

     

    }IIR_State_6order;

     

    代码中数组a,b,还有gain的定义见第一部分。

    void cy_signal_filter_by_6th_iir(signed short* pcmIn, IIR_State_6order* filter_state, int sample_size)

    {

         double x1, x2, x3, Tmp_f00, Tmp_f10, Tmp_f20;

         int i;

         double Tmp_pcm;

         for (i = 0; i < sample_size; i++)

         {

             Tmp_pcm = pcmIn[i];

             Tmp_f00 = Tmp_pcm - a[0][1] * filter_state->w01 - a[0][2] * filter_state->w02;

             x1 = Tmp_f00 + b[0][1] * filter_state->w01 + b[0][2] * filter_state->w02;

             filter_state->w02 = filter_state->w01;

             filter_state->w01 = Tmp_f00;

     

             x1 = gain * x1;

     

             Tmp_f10 = x1 - a[1][1] * filter_state->w11 - a[1][2] * filter_state->w12;

             x2 = Tmp_f10 + b[1][1] * filter_state->w11 + b[1][2] * filter_state->w12;

             filter_state->w12 = filter_state->w11;

             filter_state->w11 = Tmp_f10;

     

     

             Tmp_f20 = x2 - a[2][1] * filter_state->w21 - a[2][2] * filter_state->w22;

             x3 = Tmp_f20 * b[2][0] + b[2][1] * filter_state->w21 + b[2][2] * filter_state->w22;

     

             filter_state->w22 = filter_state->w21;

             filter_state->w21 = Tmp_f20;

     

             if (x3 >= 32767)

             {

                  x3 = 32767;

             }

             if (x3 <= -32768)

             {

                  x3 = -32768;

             }

             pcmIn[i] = (signed short)x3;

     

         }

    }

     最后看下滤波的效果:

     

     

    滤波之后的频谱:

    滤波效果不错,下面可以进行下采样了。

     

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