STM32 CMSIS IIR arm_biquad_cascade zwraca wartości inf, STM32 H723

[DeadGeneratio]

Dzień dobry, pacjent to stm32 H723VGT6, dodałem arm_math, deklarację użycia CM7 oraz bibliotekę dla mojego mikrokontrolera tj. M7lfsp. Dane odbieram przez DMA i mam je od razu skonwertowane do float, wysyłane są tak samo z zmiennej typu float przez rzutowanie na uint16_t. Problem jest taki, że przekazywanie parametrów na sucho aby sprawdzić czy same rzutowania stanowią problem działają jak najbardziej w porządku. Problem następuje gdy wykorzystuję funkcję od implementowania filtrów IIR, wówczas wartości wyjściowe zwracają wartość inf. Próbowałem przekazać parametry zarówno w formie wskazania od którego miejsca tablicy ma zacząć odczytywać wartości czyli &l_buf_in[0] jak i wskazać całą tablicę l_buf_in, przy późniejszej deklaracji rozmiaru bloku 256. W obu przypadkach wychodzi na to samo, zarówno nie działa jak i wskazuje na całą tablicę. arm_biquad_casd_df1_inst_f32 mam deklarację dwóch struktur, które później inicjuję. W init mam obie struktury, filtr będzie drugiego rzędu więc wykorzystuje 5 współczynników, stąd iir_coeffs[5], i będą 4 stany - wzorowane na grafice struktury filtru IIR czyli iir_l_state[4]. I numStages czyli drugi parametr inicjalizacji to liczba takich filtrów połączona szeregowo - w tym wypadku jest to pojedyncza filtracja, pojedynczy filtr. Później zapewne jak uda mi się to poprawić to zwiększę liczbę filtrów to będę miał analogicznie 10 współczynników, 8 stanów i numStages = 2, itd itd. Dodatkowo kalibracja i inicjalizacja ADC, mniejsza z nim bo tutaj nic nie robi oraz start DMA dla I2S z rzutowaniem aby otrzymać od razu upragnione wartości float. I potem cała magia - mam dwa stany - halfCplt oraz Cplt callback, i w zależności od tego rozpatruję zakres 0-511 oraz 512-1023 w zmiennej rxBuff. Rozdzielam 512 wartości na dwa bufory zawierające dane dla kanału lewego oraz prawego więc mam 2x 256 próbek w odpowiednich tablicach i próbuję to przefiltrować osobno dla obu kanałów. Wskazuję blok z danymi wejściowymi, blok gdzie mają zostać zapisane i rozmiar bloku. Z racji tego, że wartości l_buf_in oraz r_buf_in są nadpisywane to nie muszę podawać zakresów tak jak w głównej zmiennej rxBuf tylko to co jest w bloku jest gotowe do przetworzenia.Więc na jedno wyjdzie jak wcześniej wspomniałem czy napiszę &l_buf_in[0] czy l_buf_in. I problem jest taki, że na wyjściu dla l_buf_out[0] dostaję inf, tak samo jak wszystkie inne komórki tablicy. Potem obie tablice są sumowane aby utworzyć analogiczny przebieg jak przedtem, nie wiem tylko czy nie zamieniam kolejności dwóch kanałów, ale to wyjdzie w praniu jak zacznie działać normalnie kod. I tutaj moje pytanie, dlaczego arm_biquad_cascade_df1_f32 zwraca wartości inf.

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
 ******************************************************************************
 * @file           : main.c
 * @brief          : Main program body
 ******************************************************************************
 * @attention
 *
 * Copyright (c) 2024 STMicroelectronics.
 * All rights reserved.
 *
 * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
 * in the root directory of this software component.
 * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
 *
 ******************************************************************************
 */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

#include "arm_math.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
ADC_HandleTypeDef hadc1;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;

CORDIC_HandleTypeDef hcordic;

FMAC_HandleTypeDef hfmac;

I2S_HandleTypeDef hi2s1;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;

/* USER CODE BEGIN PV */

volatile static uint16_t adc_val[2];
float rxBuf[1024];
float txBuf[1024];
float l_buf_in[256];
float r_buf_in[256];
float l_buf_out[256];
float r_buf_out[256];

float iir_coeffs[5] = { 1.0041645480379269, -1.9797515357244457,
		0.9759879669583226, -1.9798515425143588, 0.9800525082063363 };

float iir_l_state[4];
float iir_r_state[4];

uint8_t callback_state = 0;

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DMA_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_I2S1_Init(void);
static void MX_CORDIC_Init(void);
static void MX_FMAC_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* USER CODE END 0 */

/**
 * @brief  The application entry point.
 * @retval int
 */
int main(void) {
	/* USER CODE BEGIN 1 */

	/* USER CODE END 1 */

	/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

	/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
	HAL_Init();

	/* USER CODE BEGIN Init */

	/* USER CODE END Init */

	/* Configure the system clock */
	SystemClock_Config();

	/* USER CODE BEGIN SysInit */

	/* USER CODE END SysInit */

	/* Initialize all configured peripherals */
	MX_GPIO_Init();
	MX_DMA_Init();
	MX_ADC1_Init();
	MX_I2S1_Init();
	MX_CORDIC_Init();
	MX_FMAC_Init();
	/* USER CODE BEGIN 2 */
	arm_biquad_casd_df1_inst_f32 iirsettings_l, iirsettings_r;

	arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&iirsettings_l, 1, iir_coeffs, iir_l_state);
	arm_biquad_cascade_df1_init_f32(&iirsettings_r, 1, iir_coeffs, iir_r_state);

	if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1, ADC_CALIB_OFFSET_LINEARITY,
	ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
	HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*) adc_val, 2);

	HAL_I2SEx_TransmitReceive_DMA(&hi2s1, (uint16_t*) txBuf, (uint16_t*) rxBuf,
			1024);

	/* USER CODE END 2 */

	/* Infinite loop */
	/* USER CODE BEGIN WHILE */
	while (1) {
		if (callback_state != 0) {
			if (callback_state == 1) {
				uint16_t x = 0;
				for (int i = 0; i < 511; i = i + 2) {
					l_buf_in[x] =  rxBuf[i];
					r_buf_in[x] =  rxBuf[i + 1];
					x++;
				}
				x = 0;
				arm_biquad_cascade_df1_f32(&iirsettings_l, l_buf_in,
						l_buf_out, 256);
				arm_biquad_cascade_df1_f32(&iirsettings_r, r_buf_in,
						r_buf_out, 256);
				for (int i = 0; i < 511; i = i + 2) {
					txBuf[i] =  l_buf_out[x];
					txBuf[i + 1] =  r_buf_out[x];
					x++;
				}
				x = 0;
			} else if (callback_state == 2) {
				uint16_t x = 0;
				for (int i = 512; i < 1023; i = i + 2) {
					l_buf_in[x] =  rxBuf[i];
					r_buf_in[x] =  rxBuf[i + 1];
					x++;
				}
				x = 0;
				arm_biquad_cascade_df1_f32(&iirsettings_l, l_buf_in,
						l_buf_out, 256);
				arm_biquad_cascade_df1_f32(&iirsettings_r, r_buf_in,
						r_buf_out, 256);
				for (int i = 512; i < 1023; i = i + 2) {
					txBuf[i] =  l_buf_out[x];
					txBuf[i + 1] =  r_buf_out[x];
					x++;
				}
				x = 0;
			}
			callback_state = 0;
		}

		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}
	/* USER CODE END 3 */
}

/**
 * @brief System Clock Configuration
 * @retval None
 */
void SystemClock_Config(void) {
	RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = { 0 };
	RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = { 0 };

	/** Supply configuration update enable
	 */
	HAL_PWREx_ConfigSupply(PWR_LDO_SUPPLY);

	/** Configure the main internal regulator output voltage
	 */
	__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE0);

	while (!__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_VOSRDY)) {
	}

	/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
	 * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
	 */
	RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
	RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_DIV1;
	RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 64;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 34;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 1;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 3;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = 2;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLRGE = RCC_PLL1VCIRANGE_3;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLVCOSEL = RCC_PLL1VCOWIDE;
	RCC_OscInitStruct.PLL.PLLFRACN = 3072;
	if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}

	/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
	 */
	RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
			| RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2 | RCC_CLOCKTYPE_D3PCLK1
			| RCC_CLOCKTYPE_D1PCLK1;
	RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
	RCC_ClkInitStruct.SYSCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
	RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
	RCC_ClkInitStruct.APB3CLKDivider = RCC_APB3_DIV2;
	RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_APB1_DIV2;
	RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_APB2_DIV2;
	RCC_ClkInitStruct.APB4CLKDivider = RCC_APB4_DIV2;

	if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_3) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
}

/**
 * @brief ADC1 Initialization Function
 * @param None
 * @retval None
 */
static void MX_ADC1_Init(void) {

	/* USER CODE BEGIN ADC1_Init 0 */

	/* USER CODE END ADC1_Init 0 */

	ADC_MultiModeTypeDef multimode = { 0 };
	ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = { 0 };

	/* USER CODE BEGIN ADC1_Init 1 */

	/* USER CODE END ADC1_Init 1 */

	/** Common config
	 */
	hadc1.Instance = ADC1;
	hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_ASYNC_DIV1;
	hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_16B;
	hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE;
	hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
	hadc1.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE;
	hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
	hadc1.Init.NbrOfConversion = 2;
	hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
	hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
	hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
	hadc1.Init.ConversionDataManagement = ADC_CONVERSIONDATA_DMA_CIRCULAR;
	hadc1.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN;
	hadc1.Init.LeftBitShift = ADC_LEFTBITSHIFT_NONE;
	hadc1.Init.OversamplingMode = ENABLE;
	hadc1.Init.Oversampling.Ratio = 16;
	hadc1.Init.Oversampling.RightBitShift = ADC_RIGHTBITSHIFT_4;
	hadc1.Init.Oversampling.TriggeredMode = ADC_TRIGGEREDMODE_SINGLE_TRIGGER;
	hadc1.Init.Oversampling.OversamplingStopReset =
	ADC_REGOVERSAMPLING_CONTINUED_MODE;
	if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}

	/** Configure the ADC multi-mode
	 */
	multimode.Mode = ADC_MODE_INDEPENDENT;
	if (HAL_ADCEx_MultiModeConfigChannel(&hadc1, &multimode) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}

	/** Configure Regular Channel
	 */
	sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_10;
	sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
	sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_810CYCLES_5;
	sConfig.SingleDiff = ADC_SINGLE_ENDED;
	sConfig.OffsetNumber = ADC_OFFSET_NONE;
	sConfig.Offset = 0;
	sConfig.OffsetSignedSaturation = DISABLE;
	if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}

	/** Configure Regular Channel
	 */
	sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_16;
	sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;
	if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
	/* USER CODE BEGIN ADC1_Init 2 */

	/* USER CODE END ADC1_Init 2 */

}

/**
 * @brief CORDIC Initialization Function
 * @param None
 * @retval None
 */
static void MX_CORDIC_Init(void) {

	/* USER CODE BEGIN CORDIC_Init 0 */

	/* USER CODE END CORDIC_Init 0 */

	/* USER CODE BEGIN CORDIC_Init 1 */

	/* USER CODE END CORDIC_Init 1 */
	hcordic.Instance = CORDIC;
	if (HAL_CORDIC_Init(&hcordic) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
	/* USER CODE BEGIN CORDIC_Init 2 */

	/* USER CODE END CORDIC_Init 2 */

}

/**
 * @brief FMAC Initialization Function
 * @param None
 * @retval None
 */
static void MX_FMAC_Init(void) {

	/* USER CODE BEGIN FMAC_Init 0 */

	/* USER CODE END FMAC_Init 0 */

	/* USER CODE BEGIN FMAC_Init 1 */

	/* USER CODE END FMAC_Init 1 */
	hfmac.Instance = FMAC;
	if (HAL_FMAC_Init(&hfmac) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
	/* USER CODE BEGIN FMAC_Init 2 */

	/* USER CODE END FMAC_Init 2 */

}

/**
 * @brief I2S1 Initialization Function
 * @param None
 * @retval None
 */
static void MX_I2S1_Init(void) {

	/* USER CODE BEGIN I2S1_Init 0 */

	/* USER CODE END I2S1_Init 0 */

	/* USER CODE BEGIN I2S1_Init 1 */

	/* USER CODE END I2S1_Init 1 */
	hi2s1.Instance = SPI1;
	hi2s1.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_FULLDUPLEX;
	hi2s1.Init.Standard = I2S_STANDARD_PHILIPS;
	hi2s1.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_24B;
	hi2s1.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;
	hi2s1.Init.AudioFreq = I2S_AUDIOFREQ_48K;
	hi2s1.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;
	hi2s1.Init.FirstBit = I2S_FIRSTBIT_MSB;
	hi2s1.Init.WSInversion = I2S_WS_INVERSION_DISABLE;
	hi2s1.Init.Data24BitAlignment = I2S_DATA_24BIT_ALIGNMENT_RIGHT;
	hi2s1.Init.MasterKeepIOState = I2S_MASTER_KEEP_IO_STATE_DISABLE;
	if (HAL_I2S_Init(&hi2s1) != HAL_OK) {
		Error_Handler();
	}
	/* USER CODE BEGIN I2S1_Init 2 */

	/* USER CODE END I2S1_Init 2 */

}

/**
 * Enable DMA controller clock
 */
static void MX_DMA_Init(void) {

	/* DMA controller clock enable */
	__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

	/* DMA interrupt init */
	/* DMA1_Stream0_IRQn interrupt configuration */
	HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream0_IRQn, 0, 0);
	HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream0_IRQn);
	/* DMA1_Stream1_IRQn interrupt configuration */
	HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream1_IRQn, 0, 0);
	HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream1_IRQn);
	/* DMA1_Stream2_IRQn interrupt configuration */
	HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream2_IRQn, 0, 0);
	HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream2_IRQn);

}

/**
 * @brief GPIO Initialization Function
 * @param None
 * @retval None
 */
static void MX_GPIO_Init(void) {
	/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_1 */
	/* USER CODE END MX_GPIO_Init_1 */

	/* GPIO Ports Clock Enable */
	__HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

	/* USER CODE BEGIN MX_GPIO_Init_2 */
	/* USER CODE END MX_GPIO_Init_2 */
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

void HAL_I2SEx_TxRxHalfCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s) {

	callback_state = 1;

}

void HAL_I2SEx_TxRxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s) {

	callback_state = 2;

}

/* USER CODE END 4 */

/**
 * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
 * @retval None
 */
void Error_Handler(void) {
	/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
	/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
	__disable_irq();
	while (1) {
	}
	/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

Dodaję też archiwum jak by ktoś chciał zobaczyć czy nie namieszałem nic w ustawieniach projektu.

IIR_Biquad_ARM.zip

[DeadGeneratio]

Po sporej ilości testowania udało mi się dojść do wniosku, że moje współczynniki powodują przepełnienie i zwracają inf. Przeczytałem z kilka razy stronę od keil o tych filtrach i zauważyłem, że dodatkowo współczynniki a1 oraz a2 muszą być zanegowane z powodu działania wykonywanego przez algorytm.

Jednak i tak jest pewnego rodzaju problem - nie wiem w takim razie skąd brać współczynniki do filtracji, przy budowie equalizera nie obchodzą mnie filtry low-pass ani hugh-pass, ogólnie mówiąc podstawowe, a typu low-shelf, high-shelf oraz peak. A po za taką stroną biquad calculator v3: https://www.earlevel.com/main/2021/09/02/biquad-calculator-v3/ nie wiem gdzie szukać pomocy w tym. Aktualnie działa mi bypass dźwięku przy takim kodzie, gdy współczynniki ustawione są na 1, 0, 0, 0, 0. Ktoś może się wypowiedzieć gdzie tego szukać? Każdy się skupia na implementacji tego typu filtrów, ale gdy przychodzi do omówienia skąd je pozyskać to jest cisza.

[DeadGeneratio]

Kolejny mały update, zaimplementowałem zamiast Direct Form I, Direct Form II. Działania rozbite na więcej części więc miałem nadzieję na drobną zmianę zachowania filtracji, niestety nie. Współczynniki inne niż 1, 0, 0, 0, 0 powodują znaczące zniekształcenie dźwięku. Porównałem plik od filtru, widzę taki wzór: 

Faktycznie jest tutaj wszystko zrobione na dodawaniu przez co a1 oraz a2 muszą być zanegowane stosunku do oryginalnego wzoru, ale porównując do ręcznej implementacji w innym projekcie filtrów IIR nie ma pod względem wzoru żadnej różnicy.

Dla CMSIS podaję wartości float32_t, i to samo otrzymuję na wyjściu i muszę to dopiero skonwertować dalej do wysłania. W mojej funkcji mam od razu konwersję. Główna różnica jest taka, że dokonuję w przypadku użycia CMSIS modyfikacji sygnału zawartego w bloku 256 próbek, natomiast w ręcznej implementacji odbierałem po jednej próbce i ją wysyłałem od razu dalej. Nie mogę zrobić tego samego dla CMSIS ponieważ funkcja oczekuje tablicy o wielkości większej niż 1. Kończą mi się pomału pomysły, bo zajrzałem nawet na 2 oraz 3 stronę googla na temat otrzymywania współczynników filtrów a wszędzie jakiekolwiek wzory byłyby podane nie nadają się. Podglądając co ludzie robili na youtube na cortexach m4 wszystko im pięknie działa, a nie ma żadnego przypadku pokazanego filmu dla M7. W załączniku przy okazji dodaję wersję kodu gdzie działa tylko bypass, z zaimplementowaną 2 formą filtru IIR.

DF2T_CMSIS_DSP.zip