libdspl-2.0/dspl/src/filter_design/ratcompos.c

/*
* Copyright (c) 2015-2019 Sergey Bakhurin
* Digital Signal Processing Library [http://dsplib.org]
*
* This file is part of libdspl-2.0.
*
* is free software: you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU Lesser    General Public License as published by
* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* DSPL is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.    See the
* GNU General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
* along with Foobar.    If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "dspl.h"





#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup IIR_FILTER_DESIGN_GROUP
\fn int ratcompos(  double* b, double* a, int n, 
                    double* c, double* d, int p, 
                    double* beta, double* alpha)  
\brief  Rational composition

Function calcultes composition \f$Y(s) = (H \circ F)(s) = H(F(s))\f$, here

\f[
H(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{n} b_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{n} a_k s^k}, \quad 
F(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{p} d_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{p} c_k s^k}, \quad 
Y(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{n p} \beta_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{n  p} \alpha_k s^k}
\f]

This function is using for filter frequency transform.

\param[in]  b
Pointer to the \f$H(s)\f$ polynomial function 
numerator coefficients vector. \n
Vector size is `[n+1 x 1]`. \n
\n

\param[in]  a
Pointer to the \f$H(s)\f$ polynomial function 
denominator coefficients vector. \n
Vector size is `[n+1 x 1]`. \n
\n

\param[in]  n
Order of \f$H(s)\f$ numerator and denominator polynomials. \n 
\n

\param[in]  c
Pointer to the \f$F(s)\f$ polynomial function 
numerator coefficients vector. \n
Vector size is `[p+1 x 1]`. \n
\n

\param[in]  d
Pointer to the \f$F(s)\f$ polynomial function 
denominator coefficients vector. \n
Vector size is `[p+1 x 1]`. \n
\n

\param[in]  p
Order of \f$F(s)\f$ numerator and denominator polynomials. \n 
\n

\param[in,out]  beta
Pointer to the numerator coefficients vector of 
\f$Y(s) = (H \circ F)(s)\f$. \n
Vector size is `[n*p+1 x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n 
\n

\param[in,out]  alpha
Pointer to the denominator coefficients vector of 
\f$Y(s) = (H \circ F)(s)\f$. \n
Vector size is `[n*p+1 x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n 
\n


\return
`RES_OK` if rational composition is calculated successfully. \n 
Else \ref ERROR_CODE_GROUP "code error".

\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup IIR_FILTER_DESIGN_GROUP
\fn int ratcompos(  double* b, double* a, int n, 
                    double* c, double* d, int p, 
                    double* beta, double* alpha)  
\brief  Рациональная композиця 

Функция рассчитывает композицию вида \f$Y(s) = (H \circ F)(s) = H(F(s))\f$, где

\f[
H(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{n} b_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{n} a_k s^k}, \quad 
F(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{p} d_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{p} c_k s^k}, \quad 
Y(s) = \frac{\sum\limits_{m = 0}^{n p} \beta_m s^m}
{\sum\limits_{k = 0}^{n  p} \alpha_k s^k}
\f]

Функция рациональной композиции необходима для произведения частотных
преобразований передаточных характеристик аналоговых и цифровых фильтров,
а также для билинейного преобразования передаточных характеристик аналоговых 
фильтров в соответствующие передаточные характеристики цифровых фильтров.

\param[in]  b
Указатель на вектор коэффициентов числителя функции \f$H(s)\f$. \n
Размер вектора `[n+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n

\param[in]  a
Указатель на вектор коэффициентов знаменателя функции \f$H(s)\f$. \n
Размер вектора `[n+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n

\param[in]  n
Порядок полиномов рациональной функции \f$H(s)\f$. \n 
\n

\param[in]  c
Указатель на вектор коэффициентов числителя функции \f$F(s)\f$. \n
Размер вектора `[p+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n

\param[in]  d
Указатель на вектор коэффициентов знаменателя функции \f$F(s)\f$. \n
Размер вектора `[p+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n

\param[in]  p
Порядок полиномов рациональной 
функции \f$F(s)\f$. \n 
\n

\param[in,out]  beta
Указатель на вектор коэффициентов 
числителя функции \f$Y(s) = (H \circ F)(s)\f$. \n
Размер вектора `[n*p+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n

\param[in,out]  alpha
Указатель на вектор коэффициентов знаменателя 
функции \f$Y(s) = (H \circ F)(s)\f$. \n
Размер вектора `[n*p+1 x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n 
\n
      

\return
`RES_OK` --- Рациональная композиция рассчитана успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n

\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ratcompos(double* b, double* a, int n,
                       double* c, double* d, int p,
                       double* beta, double* alpha)
{

    int k2, i, k,    pn, pd, ln, ld, k2s, nk2s;
    double *num = NULL, *den = NULL, *ndn = NULL, *ndd = NULL;
    int res;

    if (!a || !b || !c || !d || !beta || !alpha)
    {
        res = ERROR_PTR;
        goto exit_label;
    }
    if(n < 1 || p < 1)
    {
        res =    ERROR_SIZE;
        goto exit_label;
    }

    k2   = (n*p)+1;
    k2s  = k2*sizeof(double);     /* alpha and beta size */
    nk2s = (n+1)*k2*sizeof(double); /* num, den, ndn and ndd size */

    num = (double*)malloc(nk2s);
    den = (double*)malloc(nk2s);
    ndn = (double*)malloc(nk2s);
    ndd = (double*)malloc(nk2s);

    memset(num, 0, nk2s);
    memset(den, 0, nk2s);
    memset(ndn, 0, nk2s);
    memset(ndd, 0, nk2s);


    num[0] = den[0] = 1.0;
    pn = 0;
    ln = 1;
    for(i = 1; i < n+1; i++)
    {
        res = conv(num+pn, ln, c, p+1, num+pn+k2);
        if(res!=RES_OK)
            goto exit_label;
        res = conv(den+pn, ln, d, p+1, den+pn+k2);
        if(res!=RES_OK)
            goto exit_label;
        pn += k2;
        ln += p;
    }

    pn = 0;
    pd = n*k2;
    ln = 1;
    ld = k2;

    for (i = 0; i < n+1; i++)
    {
        res = conv(num + pn, ln, den + pd, ld, ndn + i*k2);
        if(res!=RES_OK)
            goto exit_label;
        ln += p;
        ld -= p;
        pn += k2;
        pd -= k2;
    }

    for (i = 0; i < n+1; i++)
    {
        for (k = 0; k < k2; k++)
        {
            ndd[i*k2 + k] = ndn[i*k2 + k] * a[i];
            ndn[i*k2 + k] *= b[i];
        }
    }


    memset(alpha, 0, k2s);
    memset(beta,  0, k2s);

    for (k = 0; k < k2; k++)
    {
        for (i = 0; i < n+1; i++)
        {
            beta[k]  += ndn[i*k2 + k];
            alpha[k] += ndd[i*k2 + k];
        }
    }

    res = RES_OK;

exit_label:
    if(num)
        free(num);
    if(den)
        free(den);
    if(ndn)
        free(ndn);
    if(ndd)
        free(ndd);

    return res;
}