Документация

КИХ-алгоритм фильтра

Полагайте, что простой КИХ-алгоритм фильтра ускоряется. Скопируйте код функции firfilter в файл firfilter.m.

function [y,z1] = firfilter(b,x)
% Inputs:
%   b - 1xNTaps row vector of coefficients
%   x - A frame of  noisy input 

% States:
%   z, z1 - NTapsx1 column vector of states

% Output:
%   y - A frame of filtered output
 
persistent z;

if (isempty(z))
    z = zeros(length(b),1);
end
Lx = size(x,1);
y = zeros(size(x),'like',x);

z1 = z;
for m = 1:Lx
    % Load next input sample
    z1(1,:) = x(m,:);
    
    % Compute output
    y(m,:) = b*z1;
    
    % Update states
    z1(2:end,:) = z1(1:end-1,:);
    z = z1;
end

 Функция firfilter принимает вектор коэффициентов фильтра, b, шумного входного сигнала, x, как входные параметры. Сгенерируйте коэффициенты фильтра с помощью функции fir1.

NTaps = 250;
Fp = 4e3/(44.1e3/2);
b = fir1(NTaps-1,Fp);

Отфильтруйте поток шумного синусоидального сигнала при помощи  функции firfilter. Синусоида имеет формат кадра 4 000 выборок и частоту дискретизации 192 кГц. Сгенерируйте синусоиду с помощью Системы dsp.SineWave object™. Шум является белым, Гауссовым со средним значением 0 и отклонением 0,02. Назовите этот функциональный firfilter_sim. Вызовы функции firfilter_sim firfilter функционируют на шумном входе.

function totVal = firfilter_sim(b)
% Create the signal source
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200);
totVal = zeros(4000,500);
R  = 0.02;

clear firfilter;

% Iteration loop. Each iteration filters a frame of the noisy signal.
for i = 1 : 500
    trueVal = Sig();                        % Original sine wave 
    noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn;     % Noisy sine wave
    filteredVal = firfilter(b,noisyVal);    % Filtered sine wave
    totVal(:,i) = filteredVal;              % Store the entire sine wave
end

Запустите firfilter_sim и измерьте скорость выполнения. Скорость выполнения отличается в зависимости от вашей машины.

tic;totVal = firfilter_sim(b);t1 = toc;
fprintf('Original Algorithm Simulation Time: %4.1f seconds\n',t1);

Original Algorithm Simulation Time:  7.8 seconds

Ускорьте КИХ-фильтр Используя codegen

Вызовите codegen на firfilter и сгенерируйте его эквивалентный MEX, firfilter_mex. Сгенерируйте и передайте коэффициенты фильтра и синусоидальный сигнал как входные параметры к функции firfilter.

Ntaps = 250;
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200); % Create the Signal Source
R = 0.02;           
trueVal = Sig();                    % Original sine wave
noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn; % Noisy sine wave
Fp = 4e3/(44.1e3/2);
b = fir1(Ntaps-1,Fp);               % Filter coefficients

codegen firfilter -args {b,noisyVal}

В функции firfilter_sim замените вызов функции firfilter(b,noisyVal) на firfilter_mex(b,noisyVal). Назовите этот функциональный firfilter_codegen.

function totVal = firfilter_codegen(b)
% Create the signal source
Sig = dsp.SineWave('SamplesPerFrame',4000,'SampleRate',19200);
totVal = zeros(4000,500);
R  = 0.02;

clear firfilter_mex;

% Iteration loop. Each iteration filters a frame of the noisy signal.
for i = 1 : 500
    trueVal = Sig();                           % Original sine wave 
    noisyVal = trueVal + sqrt(R)*randn;        % Noisy sine wave
    filteredVal = firfilter_mex(b,noisyVal);   % Filtered sine wave
    totVal(:,i) = filteredVal;                 % Store the entire sine wave
end

Запустите firfilter_codegen и измерьте скорость выполнения. Скорость выполнения отличается в зависимости от вашей машины.

tic;totValcodegen = firfilter_codegen(b);t2 = toc;
fprintf('Algorithm Simulation Time with codegen: %5f seconds\n',t2);
fprintf('Speedup factor with codegen: %5f\n',(t1/t2));

Algorithm Simulation Time with codegen: 0.923683 seconds
Speedup factor with codegen: 8.5531

Усилением ускорения является приблизительно 8.5.

Ускорьте КИХ-фильтр Используя dspunfold

Функция dspunfold генерирует многопоточный файл MEX, который может улучшить усиление ускорения еще больше.

dspunfold также генерирует однопоточный файл MEX и самодиагностическую функцию анализатора. Многопоточный файл MEX усиливает многожильную архитектуру ЦП хоста - компьютера. Однопоточный файл MEX подобен файлу MEX, который генерирует функция codegen. Функция анализатора измеряет усиление ускорения многопоточного файла MEX по однопоточному файлу MEX.

Вызовите dspunfold на firfilter и сгенерируйте его многопоточный эквивалентный MEX, firfilter_mt. Обнаружьте длину состояния в выборках при помощи опции -f, которая может улучшить усиление ускорения далее. -s auto инициировал автоматическое обнаружение длины состояния. Для получения дополнительной информации об использовании -f и опций -s, смотрите dspunfold.

dspunfold firfilter -args {b,noisyVal} -s auto -f [false,true]

State length: [autodetect] samples, Repetition: 1, Output latency: 8 frames, Threads: 4
Analyzing: firfilter.m
Creating single-threaded MEX file: firfilter_st.mexw64
Searching for minimal state length (this might take a while)
Checking stateless ... Insufficient
Checking 4000 samples ... Sufficient
Checking 2000 samples ... Sufficient
Checking 1000 samples ... Sufficient
Checking 500 samples ... Sufficient
Checking 250 samples ... Sufficient
Checking 125 samples ... Insufficient
Checking 187 samples ... Insufficient
Checking 218 samples ... Insufficient
Checking 234 samples ... Insufficient
Checking 242 samples ... Insufficient
Checking 246 samples ... Insufficient
Checking 248 samples ... Insufficient
Checking 249 samples ... Sufficient
Minimal state length is 249 samples
Creating multi-threaded MEX file: firfilter_mt.mexw64
Creating analyzer file: firfilter_analyzer.p

Автоматический инструмент обнаружения длины состояния обнаруживает точную продолжительность состояния выборок 259.

Вызовите функцию анализатора и измерьте усиление ускорения многопоточного файла MEX относительно однопоточного файла MEX. Обеспечьте по крайней мере два различных кадра для каждого входного параметра анализатора. Кадры добавлены по первому измерению. Анализатор чередуется между этими кадрами при проверке, что выходные параметры соответствуют. Отказ обеспечить несколько кадров для каждого входа может уменьшить эффективность анализатора и может привести к ложным положительным результатам верификации.

firfilter_analyzer([b;0.5*b;0.6*b],[noisyVal;0.5*noisyVal;0.6*noisyVal]);

Analyzing multi-threaded MEX file firfilter_mt.mexw64. For best results, 
please refrain from interacting with the computer and stop other processes until the 
analyzer is done.
Latency = 8 frames
Speedup = 3.2x

firfilter_mt имеет фактор усиления ускорения 3.2 когда по сравнению с однопоточным файлом MEX, firfilter_st. Чтобы увеличить ускорение далее, увеличьте фактор повторения использование опции -r. Компромисс - то, что выходная задержка увеличивается. Используйте фактор повторения 3. Задайте точную длину состояния, чтобы уменьшать издержки и увеличить ускорение далее.

dspunfold firfilter -args {b,noisyVal} -s 249 -f [false,true] -r 3

State length: 249 samples, Repetition: 3, Output latency: 24 frames, Threads: 4
Analyzing: firfilter.m
Creating single-threaded MEX file: firfilter_st.mexw64
Creating multi-threaded MEX file: firfilter_mt.mexw64
Creating analyzer file: firfilter_analyzer.p

Вызовите функцию анализатора.

firfilter_analyzer([b;0.5*b;0.6*b],[noisyVal;0.5*noisyVal;0.6*noisyVal]);

Analyzing multi-threaded MEX file firfilter_mt.mexw64. For best results, 
please refrain from interacting with the computer and stop other processes 
until the analyzer is done.
Latency = 24 frames
Speedup = 3.8x

Фактором усиления ускорения является 3.8, или приблизительно 32 раза скорость выполнения исходной симуляции.

Для этого конкретного алгоритма вы видите, что dspunfold генерирует очень оптимизированный код, не имея необходимость писать любой C или Код С++. Усиление ускорения масштабируется с количеством ядер на вашей хост-машине.

КИХ-функция filter в этом примере является только иллюстративным алгоритмом, который легко понять. Можно применить этот рабочий процесс на любой из пользовательских алгоритмов. Если вы хотите использовать КИХ-фильтр, рекомендуется, чтобы вы использовали Системный объект dsp.FIRFilter в DSP System Toolbox. Этот объект запускается намного быстрее, чем числа сравнительного теста, представленные в этом примере без потребности в генерации кода.