Q格式运算讲解Word格式文档下载.doc
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例如:
16进制数2000H=8192,用Q0表示
16进制数2000H=0.25,用Q15表示
但对于DSP芯片来说,处理方法是完全相同的。
从表3.1还可以看出,不同的Q所表示的数不仅范围不同,而且精度也不相同。
Q越大,数值范围越小,但精度越高;
相反,Q越小,数值范围越大,但精度就越低。
例如,Q0的数值范围是-32768到+32767,其精度为1,而Q15的数值范围为-1到0.9999695,精度为1/32768=0.00003051。
因此,对定点数而言,数值范围与精度是一对矛盾,一个变量要想能够表示比较大的数值范围,必须以牺牲精度为代价;
而想提高精度,则数的表示范围就相应地减小。
在实际的定点算法中,为了达到最佳的性能,必须充分考虑到这一点。
浮点数与定点数的转换关系可表示为:
浮点数(x)转换为定点数():
定点数()转换为浮点数(x):
例如,浮点数x=0.5,定标Q=15,则定点数=,式中表示下取整。
反之,一个用Q=15表示的定点数16384,其浮点数为16384×
2-15
=16384/32768=0.5。
表3.1Q表示、S表示及数值范围
Q表示
S表示
十进制数表示范围
Q15
S0.15
-1≤X≤0.9999695
Q14
S1.14
-2≤X≤1.9999390
Q13
S2.13
-4≤X≤3.9998779
Q12
S3.12
-8≤X≤7.9997559
Q11
S4.11
-16≤X≤15.9995117
Q10
S5.10
-32≤X≤31.9990234
Q9
S6.9
-64≤X≤63.9980469
Q8
S7.8
-128≤X≤127.9960938
Q7
S8.7
-256≤X≤255.9921875
Q6
S9.6
-512≤X≤511.9804375
Q5
S10.5
-1024≤X≤1023.96875
Q4
S11.4
-2048≤X≤2047.9375
Q3
S12.3
-4096≤X≤4095.875
Q2
S13.2
-8192≤X≤8191.75
Q1
S14.1
-16384≤X≤16383.5
Q0
S15.0
-32768≤X≤32767
3.2高级语言:
从浮点到定点
在编写DSP模拟算法时,为了方便,一般都是采用高级语言(如C语言)来编写模拟程序。
程序中所用的变量一般既有整型数,又有浮点数。
如例3.1程序中的变量i是整型数,而pi是浮点数,hamwindow则是浮点数组。
例3.1256点汉明窗计算
int i;
float pi=3.14159;
float hamwindow[256];
for(i=0;
i<
256;
i++)hamwindow[i]=0.54-0.46*cos(2.0*pi*i/255);
如果要将上述程序用某种定点DSP芯片来实现,则需将上述程序改写为DSP芯片的汇编语言程序。
为了DSP程序调试的方便及模拟定点DSP实现时的算法性能,在编写DSP汇编程序之前一般需将高级语言浮点算法改写为高级语言定点算法。
下面讨论基本算术运算的定点实现方法。
3.2.1加法/减法运算的C语言定点模拟
设浮点加法运算的表达式为:
floatx,y,z;
z=x+y;
将浮点加法/减法转化为定点加法/减法时最重要的一点就是必须保证两个操作数的定标值一样。
若两者不一样,则在做加法/减法运算前先进行小数点的调整。
为保证运算精度,需使Q值小的数调整为与另一个数的Q值一样大。
此外,在做加法/减法运算时,必须注意结果可能会超过16位表示。
如果加法/减法的结果超出16位的表示范围,则必须保留32位结果,以保证运算的精度。
1.结果不超过16位表示范围
设x的Q值为Qx,y的Q值为Qy,且Qx>
Qy,加法/减法结果z的定标值为Qz,则
z=x+yÞ
=
=Þ
所以定点加法可以描述为:
intx,y,z;
longtemp;
/*临时变量*/
temp=y<
<
(Qx-Qy);
temp=x+temp;
z=(int)(temp>
>
(Qx-Qz)),若Qx≥Qz
z=(int)(temp<
(Qz-Qx)),若QxQ≤z
例3.2定点加法
设x=0.5,y=3.1,则浮点运算结果为z=x+y=0.5+3.1=3.6;
Qx=15,Qy=13,Qz=13,则定点加法为:
x=16384;
y=25395;
temp=25395<
2=101580;
temp=x+temp=16384+101580=117964;
z=(int)(117964L>
2)=29491;
因为z的Q值为13,所以定点值z=29491即为浮点值z=29491/8192=3.6。
例3.3定点减法
设x=3.0,y=3.1,则浮点运算结果为z=x-y=3.0-3.1=-0.1;
Qx=13,Qy=13,Qz=15,则定点减法为:
x=24576;
y=25295;
temp=25395;
temp=x-temp=24576-25395=-819;
因为Qx<
Qz,故z=(int)(-819<
2)=-3276。
由于z的Q值为15,所以定点值z=-3276即为浮点值z=-3276/32768»
-0.1。
2.结果超过16位表示范围
Qy,加法结果z的定标值为Qz,则定点加法为:
intx,y;
longtemp,z;
(Qx-Qy);
z=temp>
(Qx-Qz),若Qx≥Qz
z=temp<
(Qz-Qx),若Qx≤Qz
例3.4结果超过16位的定点加法
设x=15000,y=20000,则浮点运算值为z=x+y=35000,显然z>
32767,因此
Qx=1,Qy=0,Qz=0,则定点加法为:
x=30000;
y=20000;
temp=20000<
1=40000;
temp=temp+x=40000+30000=70000;
z=70000L>
1=35000;
因为z的Q值为0,所以定点值z=35000就是浮点值,这里z是一个长整型数。
当加法或加法的结果超过16位表示范围时,如果程序员事先能够了解到这种情况,并且需要保证运算精度时,则必须保持32位结果。
如果程序中是按照16位数进行运算的,则超过16位实际上就是出现了溢出。
如果不采取适当的措施,则数据溢出会导致运算精度的严重恶化。
一般的定点DSP芯片都设有溢出保护功能,当溢出保护功能有效时,一旦出现溢出,则累加器ACC的结果为最大的饱和值(上溢为7FFFH,下溢为8001H),从而达到防止溢出引起精度严重恶化的目的。
3.2.2乘法运算的C语言定点模拟
设浮点乘法运算的表达式为:
z=xy;
假设经过统计后x的定标值为Qx,y的定标值为Qy,乘积z的定标值为Qz,则
z=xyÞ
=Þ
=
所以定点表示的乘法为:
temp=(long)x;
z=(temp×
y)>
(Qx+Qy-Qz);
例3.5定点乘法
设x=18.4,y=36.8,则浮点运算值为z=18.4×
36.8=677.12;
根据上节,得Qx=10,Qy=9,Qz=5,所以
x=18841;
y=18841;
temp=18841L;
z=(18841L*18841)>
(10+9-5)=354983281L>
14=21666;
因为z的定标值为5,故定点z=21666即为浮点的z=21666/32=677.08。
3.2.3除法运算的C语言定点模拟
设浮点除法运算的表达式为:
z=x/y;
假设经过统计后被除数x的定标值为Qx,除数y的定标值为Qy,商z的定标值为Qz,则
z=x/yÞ
=Þ
所以定点表示的除法为:
z=(temp<
(Qz-Qx+Qy))/y;
例3.6定点除法
设x=18.4,y=36.8,浮点运算值为z=x/y=18.4/36.8=0.5;
根据上节,得Qx=10,Qy=9,Qz=15;
所以有
x=18841,y=18841;
temp=(long)18841;
z=(18841L<
(15-10+9))/18841=308690944L/18841=16384;
因为商z的定标值为15,所以定点z=16384即为浮点z=16384/215=0.5。
3.2.4程序变量的Q值确定
在前面几节介绍的例子中,由于x、y、z的值都是已知的,因此从浮点变为定点时Q值很好确定。
在实际的DSP应用中,程序中参与运算的都是变量,那么如何确定浮点程序中变量的Q值呢?
从前面的分析可以知道,确定变量的Q值实际上就是确定变量的动态范围,动态范围确定了,则Q值也就确定了。
设变量的绝对值的最大值为,注意必须小于或等于32767。
取一个整数n,使它满足
则有
Q=15-n
例如,某变量的值在-1至+1之间,即<
1,因此n=0,Q=15-n=15。
确定了变量的就可以确定其Q值,那么变量的又是如何确定的呢?
一般来说,确定变量的有两种方法:
一种是理论分析法,另一种是统计分析法。
1.理论分析法
有些变量的动态范围通过理论分析是可以确定的。
(1)三角函数,y=sin(x)或y=cos(x),由三角函数知识可知,|y|≤1;
(2)汉明窗,y(n)=0.54-0.46cos[2pn/(N-1)],0≤n≤N-1。
因为-1≤cos[2pn/(N-1)]≤1,所以0.08≤y(n)≤1.0;
(3)FIR卷积。
y(n)=,设,且x(n)是模拟信号12位量化值,即有≤211,则≤211;
(4)理论已经证明,在自相关线性预测编码(LPC)的程序设计中,反射系数满足下列不等式:
,i=1,2,…,p,p为LPC的阶数。