вычисление синуса с помощью CORDIC приводит к неточным значениям - PullRequest
3 голосов
/ 15 мая 2019

Я пытаюсь реализовать алгоритм CORDIC для аппроксимации синусоидальной функции с одинарной точностью на архитектуре без FPU.Я сравниваю результат, полученный в моей реализации, с результатами, полученными от стандартных математических функций языка Си.Я попытался реализовать двумя способами: 1) напрямую используя операции с плавающей точкой, 2) преобразовать входные данные в операции с фиксированной точкой и использовать целочисленные операции.Я сравниваю результаты, полученные от sinf (), sin () и sin (), приведенных к float.Сравнение основано на сравнении шестнадцатеричных представлений результата с ожидаемыми математическими функциями.

В (1) реализация использует двойные типы, затем результат приводится к плавающему.Мои вычисленные значения всегда отключены, по крайней мере, на одну шестнадцатеричную цифру, независимо от того, сколько итераций выполнено с помощью CORDIC.

В (2) первоначально вход был отображен в 32-разрядное целое число.Ошибка была такой же, как в (1).Только после увеличения размера фиксированной точки до 64 бит (и количества итераций до 64) точность улучшилась.Но все же есть диапазоны ввода, для которых алгоритм не является точным.Если бы я увеличил размер фиксированной точки до 128 бит (и число итераций до 128), этого может быть достаточно для получения точных значений, но это совершенно непрактично.

Алгоритм в (1) является модифицированнымверсия из книги https://www.jjj.de/fxt/fxtbook.pdf

#include <math.h>
#include <stdio.h>
const double cordic_1K = 0.6072529350088812561694467525049282631123908521500897724;
double *cordic_ctab;

void make_cordic_ctab(ulong na)
{
    double s = 1.0;
    for (ulong k=0; k<na; ++k)
    {
        cordic_ctab[k] = atan(s);
        s *= 0.5;
    }
}


void cordic(int theta, double* s, double* c, int n)
{
    double x, y, z, v;
    double tx, ty, tz;
    double d;

    x = cordic_1K;
    y = 0;
    z = theta;
    v = 1.0;

    for (int k = 0; k < n; ++k) {
        d = (z >= 0 ? +1 : -1);
        tx = x - d * v * y;
        ty = y + d * v * x;
        tz = z - d * cordic_ctab[k];
        x = tx;
        y = ty;
        z = tz;
        v *= 0.5;
    }
    *c = x;
    *s = y;
}

Алгоритм в (2) является модифицированной версией, найденной в http://www.dcs.gla.ac.uk/~jhw/cordic/

#include <math.h>
#include <stdio.h>
#define cordic_1K 0x26dd3b6a10d79600
#define CORDIC_NTAB 64

void cordic(long theta, long *s, long *c, int n) {
  long d, tx, ty, tz;
  long x = cordic_1K, y = 0, z = theta;
  n = (n > CORDIC_NTAB) ? CORDIC_NTAB : n;

  for (int k = 0; k < n; ++k) {
    d = z >= 0 ? 0 : -1;
    tx = x - (((y >> k) ^ d) - d);
    ty = y + (((x >> k) ^ d) - d);
    tz = z - ((cordic_ctab[k] ^ d) - d);
    x = tx;
    y = ty;
    z = tz;
  }

  *c = x;
  *s = y;
}

Таблица CORDIC аналогично генерируется сбиты = 64.

Проверка для (1) выполняется следующим образом:

int main(int argc, char **argv) {
  float angle;
  long s, c;
  int failed = 0;

  cordic_ctab = (double*)malloc(sizeof(double) * 64);
  make_cordic_ctab(64);

  for (int i = 0; i < step; i++) {
    angle = (i / step) * M_PI / 4;

    cordic(angle, &s, &c, 64);
    float result = s;
    float expected = sinf(angle);

    if (angle < pow(2, -27))
      result = angle;

    if (memcmp(&result, &expected, sizeof(float)) != 0) {
      failed += 1;
      printf("%e : %e\n", result, expected);
      printf("0x%x : 0x%x\n", *((unsigned int *)&result),
             *((unsigned int *)&expected));
      printf("\n");

    }
  }
  printf("failed:%d\n", failed);
}

Проверка для (2) выполняется следующим образом:

int main(int argc, char **argv) {
  float angle;
  long s, c;
  int failed = 0;
  double mul = 4611686018427387904.000000;
  double step = 1000000000.0;

  for (int i = 0; i < step; i++) {
    angle = (i / step) * M_PI / 4;

    cordic((angle * mul), &s, &c, 64);
    float result = s / mul;
    float expected = sinf(angle);

    if (angle < pow(2, -27))
      result = angle;

    if (memcmp(&result, &expected, sizeof(float)) != 0) {
      failed += 1;
      printf("%e : %e\n", result, expected);
      printf("0x%x : 0x%x\n", *((unsigned int *)&result),
             *((unsigned int *)&expected));
      printf("\n");

    }
  }
  printf("failed:%d\n", failed);
}

Есть ли что-то, чтоЯ не принимаю во внимание для CORDIC?Возможно ли, что CORDIC совершенно не подходит, и следует рассмотреть другие методы?

1 Ответ

1 голос
/ 16 мая 2019

Я сделал это, но, как уже упоминалось в комментариях, вы не можете ожидать точного совпадения битов, поскольку математическая гониометрия обычно основана на полиномах Чебышева. Также вы не определили константу cordic_1K. После некоторых поисков мне удалось сделать это в C ++ / VCL:

//---------------------------------------------------------------------------
// IEEE 754 single masks
const DWORD _f32_sig    =0x80000000;    // sign
const DWORD _f32_exp    =0x7F800000;    // exponent
const DWORD _f32_exp_sig=0x40000000;    // exponent sign
const DWORD _f32_exp_bia=0x3F800000;    // exponent bias
const DWORD _f32_exp_lsb=0x00800000;    // exponent LSB
const DWORD _f32_exp_pos=        23;    // exponent LSB bit position
const DWORD _f32_man    =0x007FFFFF;    // mantisa
const DWORD _f32_man_msb=0x00400000;    // mantisa MSB
const DWORD _f32_man_bits=       23;    // mantisa bits
const float _f32_lsb     =  3.4e-38;    // abs min number
//---------------------------------------------------------------------------
float CORDIC32_atan[_f32_man_bits+1];
void f32_sincos(float &s,float &c,float a)
    {
    int k;
    float x,y=0.0,v=1.0,d,tx,ty,ta;
    x=0.6072529350088812561694; // cordic_1K
    for (k=0;k<=_f32_man_bits;k++)
        {
        d =(a>=0.0?+1.0:-1.0);
        tx=x-d*v*y;
        ty=y+d*v*x;
        ta=a-d*CORDIC32_atan[k];
        x=tx; y=ty; a=ta; v*=0.5;
        }
    c=x; s=y;
    }
//---------------------------------------------------------------------------
double CORDIC64_atan[_f32_man_bits+1];
void f64_sincos(float &s,float &c,double a)
    {
    int k;
    double x,y=0.0,v=1.0,d,tx,ty,ta;
    x=0.6072529350088812561694; // cordic_1K
    for (k=0;k<=_f32_man_bits;k++)
        {
        d =(a>=0.0?+1.0:-1.0);
        tx=x-d*v*y;
        ty=y+d*v*x;
        ta=a-d*CORDIC64_atan[k];
        x=tx; y=ty; a=ta; v*=0.5;
        }
    c=x; s=y;
    }
//---------------------------------------------------------------------------
//--- Builder: --------------------------------------------------------------
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner):TForm(Owner)
    {
    int i;
    float s0,c0,s1,c1,s2,c2,d32,d64,D32,D64,x;
    AnsiString txt="";

    // init CORDIC tables
    for (x=1.0,i=0;i<=_f32_man_bits;i++,x*=0.5)
        {
        CORDIC32_atan[i]=atan(x);
        CORDIC64_atan[i]=atan(double(x));
        }

    // 32 bit
    D32=0.0; D64=0.0;
    for (x=-0.5*M_PI;x<=+0.5*M_PI;x+=0.025)
        {
        s0=sin(x);
        c0=cos(x);
        f32_sincos(s1,c1,x); d32=fabs(s1-s0); if (D32<d32) D32=d32;
        f64_sincos(s2,c2,x); d64=fabs(s2-s0); if (D64<d64) D64=d64;
        if (d32+d64>1e-16)
            {
            txt+=AnsiString().sprintf("sin(%2.5f) == %2.5f != %2.5f != %2.5f  | %.10f %.10f\r\n",x,s0,s1,s2,d32,d64);
            f32_sincos(s0,c0,x);    // debug breakpoint
            f64_sincos(s2,c2,x);
            }
        }
    txt=AnsiString().sprintf("max err: %.10f %.10f\r\n",D32,D64)+txt;
    mm_log->Lines->Add(txt);
    }
//-------------------------------------------------------------------------

Вы можете игнорировать VCL , например AnsiString (или перенести его в вашу среду), просто для печати результатов ...

Код дал мне этот вывод:

max err: 0.0000002384 0.0000001192
sin(-1.54580) == -0.99969 != -0.99969 != -0.99969  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-1.52080) == -0.99875 != -0.99875 != -0.99875  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(-1.49580) == -0.99719 != -0.99719 != -0.99719  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(-1.44580) == -0.99220 != -0.99220 != -0.99220  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-1.42080) == -0.98877 != -0.98877 != -0.98877  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-1.39580) == -0.98473 != -0.98473 != -0.98473  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-1.37080) == -0.98007 != -0.98007 != -0.98007  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(-1.34580) == -0.97479 != -0.97479 != -0.97479  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-1.27080) == -0.95534 != -0.95534 != -0.95534  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(-1.24580) == -0.94765 != -0.94765 != -0.94765  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-1.22080) == -0.93937 != -0.93937 != -0.93937  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-1.19580) == -0.93051 != -0.93051 != -0.93051  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-1.17080) == -0.92106 != -0.92106 != -0.92106  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-1.14580) == -0.91104 != -0.91104 != -0.91104  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-1.12080) == -0.90045 != -0.90045 != -0.90045  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(-1.07080) == -0.87758 != -0.87758 != -0.87758  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(-1.04580) == -0.86532 != -0.86532 != -0.86532  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(-1.02080) == -0.85252 != -0.85252 != -0.85252  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-0.99580) == -0.83919 != -0.83919 != -0.83919  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(-0.97080) == -0.82534 != -0.82534 != -0.82534  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-0.94580) == -0.81096 != -0.81096 != -0.81096  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-0.92080) == -0.79608 != -0.79608 != -0.79608  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(-0.89580) == -0.78071 != -0.78071 != -0.78071  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(-0.87080) == -0.76484 != -0.76484 != -0.76484  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-0.84580) == -0.74850 != -0.74850 != -0.74850  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-0.82080) == -0.73169 != -0.73169 != -0.73169  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(-0.79580) == -0.71442 != -0.71442 != -0.71442  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-0.77080) == -0.69671 != -0.69671 != -0.69671  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-0.74580) == -0.67856 != -0.67856 != -0.67856  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(-0.72080) == -0.65998 != -0.65998 != -0.65998  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-0.69580) == -0.64100 != -0.64100 != -0.64100  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-0.67080) == -0.62161 != -0.62161 != -0.62161  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(-0.64580) == -0.60184 != -0.60184 != -0.60184  | 0.0000000596 0.0000001192
sin(-0.62080) == -0.58168 != -0.58168 != -0.58168  | 0.0000000596 0.0000001192
sin(-0.59580) == -0.56117 != -0.56117 != -0.56117  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-0.57080) == -0.54030 != -0.54030 != -0.54030  | 0.0000001788 0.0000001192
sin(-0.54580) == -0.51910 != -0.51910 != -0.51910  | 0.0000001788 0.0000001192
sin(-0.52080) == -0.49757 != -0.49757 != -0.49757  | 0.0000000596 0.0000000894
sin(-0.49580) == -0.47573 != -0.47573 != -0.47573  | 0.0000000894 0.0000000596
sin(-0.47080) == -0.45360 != -0.45360 != -0.45360  | 0.0000000894 0.0000000298
sin(-0.44580) == -0.43118 != -0.43118 != -0.43118  | 0.0000000298 0.0000000298
sin(-0.42080) == -0.40849 != -0.40849 != -0.40849  | 0.0000000894 0.0000000596
sin(-0.39580) == -0.38554 != -0.38554 != -0.38554  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(-0.37080) == -0.36236 != -0.36236 != -0.36236  | 0.0000000298 0.0000000000
sin(-0.34580) == -0.33895 != -0.33895 != -0.33895  | 0.0000000000 0.0000000298
sin(-0.32080) == -0.31532 != -0.31532 != -0.31532  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(-0.29580) == -0.29150 != -0.29150 != -0.29150  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(-0.27080) == -0.26750 != -0.26750 != -0.26750  | 0.0000000894 0.0000001192
sin(-0.24580) == -0.24333 != -0.24333 != -0.24333  | 0.0000000894 0.0000001192
sin(-0.22080) == -0.21901 != -0.21901 != -0.21901  | 0.0000000745 0.0000000894
sin(-0.19580) == -0.19455 != -0.19455 != -0.19455  | 0.0000000894 0.0000000596
sin(-0.17080) == -0.16997 != -0.16997 != -0.16997  | 0.0000001043 0.0000000894
sin(-0.14580) == -0.14528 != -0.14528 != -0.14528  | 0.0000000894 0.0000000894
sin(-0.12080) == -0.12050 != -0.12050 != -0.12050  | 0.0000000596 0.0000000671
sin(-0.09580) == -0.09565 != -0.09565 != -0.09565  | 0.0000000522 0.0000000522
sin(-0.07080) == -0.07074 != -0.07074 != -0.07074  | 0.0000000075 0.0000000224
sin(-0.04580) == -0.04578 != -0.04578 != -0.04578  | 0.0000000447 0.0000000335
sin(-0.02080) == -0.02080 != -0.02080 != -0.02080  | 0.0000000596 0.0000000577
sin(0.00420) == 0.00420 != 0.00420 != 0.00420  | 0.0000000545 0.0000000549
sin(0.02920) == 0.02920 != 0.02920 != 0.02920  | 0.0000000447 0.0000000410
sin(0.05420) == 0.05418 != 0.05418 != 0.05418  | 0.0000000149 0.0000000186
sin(0.07920) == 0.07912 != 0.07912 != 0.07912  | 0.0000000224 0.0000000373
sin(0.10420) == 0.10401 != 0.10401 != 0.10401  | 0.0000000820 0.0000000745
sin(0.12920) == 0.12884 != 0.12884 != 0.12884  | 0.0000001043 0.0000000894
sin(0.15420) == 0.15359 != 0.15359 != 0.15359  | 0.0000001043 0.0000001043
sin(0.17920) == 0.17825 != 0.17825 != 0.17825  | 0.0000000447 0.0000000745
sin(0.20420) == 0.20279 != 0.20279 != 0.20279  | 0.0000000596 0.0000000745
sin(0.22920) == 0.22720 != 0.22720 != 0.22720  | 0.0000001043 0.0000001043
sin(0.25420) == 0.25147 != 0.25147 != 0.25147  | 0.0000001192 0.0000000894
sin(0.27920) == 0.27559 != 0.27559 != 0.27559  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(0.30420) == 0.29953 != 0.29953 != 0.29953  | 0.0000000596 0.0000000298
sin(0.32920) == 0.32329 != 0.32329 != 0.32329  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(0.35420) == 0.34684 != 0.34684 != 0.34684  | 0.0000000298 0.0000000298
sin(0.37920) == 0.37018 != 0.37018 != 0.37018  | 0.0000000298 0.0000000298
sin(0.40420) == 0.39329 != 0.39329 != 0.39329  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(0.42920) == 0.41615 != 0.41615 != 0.41615  | 0.0000000894 0.0000000894
sin(0.45420) == 0.43875 != 0.43875 != 0.43875  | 0.0000000298 0.0000000000
sin(0.47920) == 0.46107 != 0.46107 != 0.46107  | 0.0000000596 0.0000000298
sin(0.50420) == 0.48311 != 0.48311 != 0.48311  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(0.52920) == 0.50485 != 0.50485 != 0.50485  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(0.55420) == 0.52627 != 0.52627 != 0.52627  | 0.0000002384 0.0000001192
sin(0.57920) == 0.54736 != 0.54736 != 0.54736  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(0.60420) == 0.56811 != 0.56811 != 0.56811  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(0.62920) == 0.58850 != 0.58850 != 0.58850  | 0.0000000596 0.0000001192
sin(0.65420) == 0.60853 != 0.60853 != 0.60853  | 0.0000001192 0.0000001192
sin(0.67920) == 0.62817 != 0.62817 != 0.62817  | 0.0000000596 0.0000001192
sin(0.70420) == 0.64743 != 0.64743 != 0.64743  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(0.72920) == 0.66628 != 0.66628 != 0.66628  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(0.75420) == 0.68471 != 0.68471 != 0.68471  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(0.77920) == 0.70271 != 0.70271 != 0.70271  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(0.82920) == 0.73739 != 0.73739 != 0.73739  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(0.85420) == 0.75405 != 0.75405 != 0.75405  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(0.87920) == 0.77023 != 0.77023 != 0.77023  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(0.90420) == 0.78593 != 0.78593 != 0.78593  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(0.92920) == 0.80114 != 0.80114 != 0.80114  | 0.0000000596 0.0000001192
sin(0.95420) == 0.81585 != 0.81585 != 0.81585  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(0.97920) == 0.83005 != 0.83005 != 0.83005  | 0.0000000000 0.0000000596
sin(1.00420) == 0.84373 != 0.84373 != 0.84373  | 0.0000001788 0.0000000000
sin(1.02920) == 0.85689 != 0.85689 != 0.85689  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.05420) == 0.86951 != 0.86951 != 0.86951  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(1.12920) == 0.90407 != 0.90407 != 0.90407  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.15420) == 0.91447 != 0.91447 != 0.91447  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(1.17920) == 0.92430 != 0.92430 != 0.92430  | 0.0000001788 0.0000000596
sin(1.20420) == 0.93355 != 0.93355 != 0.93355  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.25420) == 0.95030 != 0.95030 != 0.95030  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(1.27920) == 0.95779 != 0.95779 != 0.95779  | 0.0000001192 0.0000000596
sin(1.30420) == 0.96467 != 0.96467 != 0.96467  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.35420) == 0.97664 != 0.97664 != 0.97663  | 0.0000000596 0.0000000596
sin(1.45420) == 0.99321 != 0.99321 != 0.99321  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.47920) == 0.99581 != 0.99581 != 0.99581  | 0.0000001192 0.0000000000
sin(1.50420) == 0.99778 != 0.99778 != 0.99778  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.52920) == 0.99914 != 0.99914 != 0.99914  | 0.0000000596 0.0000000000
sin(1.55420) == 0.99986 != 0.99986 != 0.99986  | 0.0000000596 0.0000000000

Как вы можете видеть, 64-битные таблицы дают намного лучшее совпадение с математикой sin ошибка составляет до 4 ulp (2 ^ -24) для 32-битных и 2 ulp (2 ^ -24) для 64-битных столы. Так как мантисса 32-разрядного числа с плавающей запятой равна 23+1 битам, результат соответствует 2 наименее значимым битам мантиссы, поэтому его последняя шестнадцатеричная цифра не совпадает ...

PS Таблица atan:

CORDIC64_atan[24]={ 0.785398163397448, 0.463647609000806, 0.244978663126864, 0.124354994546761, 0.0624188099959574, 0.0312398334302683, 0.0156237286204768, 0.00781234106010111, 0.00390623013196697, 0.00195312251647882, 0.00097656218955932, 0.000488281211194898, 0.000244140620149362, 0.00012207031189367, 6.10351561742088E-05, 3.05175781155261E-05, 1.52587890613158E-05, 7.62939453110197E-06, 3.8146972656065E-06, 1.90734863281019E-06, 9.53674316405961E-07, 4.76837158203089E-07, 2.38418579101558E-07, 1.19209289550781E-07 };
...