Buffer

入力シーケンスの小さいフレーム サイズまたは大きいフレーム サイズへのバッファリング

入力データをフレーム サイズの整数倍にバッファリングするには、Buffer ブロックではなく N-Ratio Buffer ブロックを使用します。N-Ratio Buffer ブロックはレイテンシが低く、M_i から kM_i へのフレーム変換において、生成コードで使用されるメモリを最適化します。ここで、k は出力フレーム長と入力フレーム長の比です。

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ライブラリ:
DSP System Toolbox / Signal Management / Buffers

説明

Buffer ブロックは常にフレームベースの処理を実行します。ブロックは入力の各列にデータを再分散して異なるフレーム サイズで出力を生成します。信号をより大きいフレーム サイズにバッファリングすると、入力よりも "遅い" フレーム レートの出力が得られます。たとえば、次の図のようなスカラー入力を検討します。

信号をより小さいフレーム サイズにバッファリングすると、入力よりも "速い" フレーム レートの出力が得られます。たとえば、次の図のようなスカラー出力を検討します。

ブロックによってオーバーラップのないバッファーの出力 "フレーム サイズ" と "フレーム レート" が調整されるため、信号のサンプル周期は次のように入力と出力の両方で同じになっています。T_so = T_si

このブロックは、ブロックの入力レートと出力レートが同じ場合は、Triggered Subsystem をサポートします。

例

ウェルチ法を使用したストリーミング パワー スペクトル推定

平均修正ピリオドグラムのウェルチ法を使用してパワー スペクトルを推定します。

• スクリプトを開く

Buffering Input with Overlap

Buffer a two-channel input using an Output buffer size of three and four and a Buffer overlap of one.

• スクリプトを開く

スライディング ウィンドウを使用した平均の計算

Buffer ブロックを使用してスライディング ウィンドウをモデル化する。Mean ブロックがこのウィンドウを使用して平均を計算する。

• モデルを開く

端子

入力

Port_1 — 入力信号

スカラー | ベクトル | 行列

単一チャネル信号をバッファリングするには、スカラーまたは列ベクトルを入力します。マルチチャネル信号をバッファリングするには、行ベクトルまたは行列を入力します。単一チャネル信号をバッファリングするには、サイズが M_i 行 1 列のスカラーまたは列ベクトルを入力します。ここで、M_i は入力フレーム サイズです。

データ型: single | double | int8 | int16 | int32 | uint8 | uint16 | uint32 | Boolean | fixed point
複素数のサポート: あり

出力

Port_1 — 出力信号

ベクトル | 行列

バッファリングした入力信号。ベクトルまたは行列として返されます。

入力が単一チャネル信号の場合、次のようになります。

• 1 行 1 列 (スカラー) — 出力は、M_o 行 1 列のベクトル。

• M_i 行 1 列 (列ベクトル) — 出力は、M_o 行 1 列のベクトル。

ここで、

• M_i — 入力フレーム サイズ

• M_o — [出力バッファー サイズ] パラメーターの値

入力フレーム周期は M_i · T_si です。ここで T_si は入力サンプル周期です。出力フレーム周期は $$\left(M_o-L\right)T_{si}$$ です。ここで L は [バッファー オーバーラップ] パラメーターの値、T_si は入力サンプル周期です。[バッファー オーバーラップ] パラメーターを M_o – 1 に設定すると、出力フレーム周期が入力サンプル周期と等しくなります。

入力がマルチチャネル信号の場合、次のようになります。

• 1 行 N 列 — 出力は、M_o 行 N 列の行列。

• M_i 行 N 列 — 出力は、M_o 行 N 列の行列。

ここで、

• N — 信号のチャネル数

• M_i — 入力フレーム周期

• M_o は [出力バッファー サイズ] パラメーターの値で、入力フレーム サイズ M_i より大きいまたは小さい場合があります。ブロックは N 個の入力チャネルをそれぞれ個別にバッファリングします。

入力フレーム周期は M_i · T_si となります。出力フレーム周期は $$\left(M_o-L\right)T_{si}$$ で、[バッファー オーバーラップ] が $$M_o-1$$ の場合にシーケンス サンプル周期と等しくなります。したがって、出力サンプル周期 T_so は次のように、入力サンプル周期 T_si と関連付けられます。

$$T_{so}=\frac{\left(M_o-L\right)T_{si}}{M_i}$$

出力は入力と同じデータ型および実数/複素数をもちます。

データ型: single | double | int8 | int16 | int32 | uint8 | uint16 | uint32 | Boolean | fixed point
複素数のサポート: あり

パラメーター

出力バッファー サイズ (チャネルあたり) — バッファー サイズ

64 (既定値) | 正の整数

各チャネルから出力フレームにバッファリングする連続サンプル数 M_o を指定します。

データ型: double | int8 | int16 | int32 | uint8 | uint16 | uint32

バッファー オーバーラップ — バッファー オーバーラップ

0 (既定値) | 整数

サンプル数 L を指定します。連続する出力フレームのそれぞれでオーバーラップまたはアンダーラップする量を指定します。

バッファーでデータをオーバーラップするには、L の値を $$0\le L<M_o$$ の範囲で指定します。ここで、M_o は [出力バッファー サイズ] パラメーターの値です。ブロックは現在の出力から L 個のサンプル (列) を取得し、次の出力でそれを繰り返します。オーバーラップする場合、ブロックは $$M_o-L$$ の "新しい" 入力サンプルを取得してから、バッファリングされたデータを出力に伝播します。

$$L<0$$ の場合、信号をアンダーラップでバッファリングしています。ブロックはバッファーが満杯になると L 個の入力サンプルを破棄し、周期 $$\left(M_o-L\right)T_{si}$$ でバッファーを出力します。それにより、オーバーラップがゼロの場合よりも長くなります。

出力フレーム周期は $$\left(M_o-L\right)T_{si}$$ で、入力シーケンス サンプル周期 T_si と等しくなります。ここで [バッファー オーバーラップ] は $$M_o-1$$ です。

データ型: double | int8 | int16 | int32 | uint8 | uint16 | uint32

初期条件 — 初期出力

0 (既定値) | スカラー | ベクトル | 行列

非ゼロ レイテンシの場合のブロックの初期出力値を指定します。スカラー、ベクトルまたは行列のいずれかとして指定します。

ゼロタスク レイテンシに記載されたケースを除くすべてのシングルタスク演算では、Buffer ブロックのバッファーは [初期条件] パラメーターで指定される値に初期化されます。ブロックはこのバッファーから読み取って最初の D 個の出力サンプルを生成します。ここで、

$$D=\{\begin{array}{cc}{M}_o+L& (L\ge 0)\\ M_o& (L<0)\end{array}$$

[初期条件] パラメーターの次元は [バッファー オーバーラップ] L と入力が単一チャネルであるかマルチチャネルであるかによって異なります。

• $$L\ne 0$$ の場合、[初期条件] パラメーターはスカラーでなければなりません。

• $$L=0$$ の場合、[初期条件] パラメーターはスカラーまたは次のいずれかの制約のあるベクトルにすることができます。

  • 単一チャネル入力の場合、[初期条件] パラメーターは長さが M_o のベクトル (M_i が 1 の場合) または長さが M_i のベクトル (M_o が 1 の場合) にすることができます。

  • マルチチャネル入力の場合、[初期条件] パラメーターは長さが M_o * N のベクトル (M_i が 1 の場合) または長さが M_i * N のベクトル (M_o が 1 の場合) にすることができます。

すべてのマルチタスク演算では、rebuffer_delay 関数を使用して、Buffer ブロックが指定の組み合わせのバッファー サイズとバッファー オーバーラップに対して生成する遅延の正確な値 (サンプル数) を計算します。

任意のフレーム サイズ間での全般的なバッファリングでは、[初期条件] パラメーターはスカラーでなければなりません。その後、この値は初期出力のすべての要素で繰り返されます。ただし、入力が 1 行 N 列の行ベクトルで、ブロックの出力が M_o 行 N 列の行列である特別なケースの場合、[初期条件] は次のいずれかになります。

• M_o 行 N 列の行列

• 初期出力のすべての列で繰り返される、長さが M_o のベクトル

• 初期出力のすべての要素で繰り返されるスカラー

出力が 1 行 N 列の行ベクトル、つまり M_i 行 N 列の行列をバッファー解除した結果として得られる、特別なケースの場合、[初期条件] は次のいずれかになります。

• 最初の M_i サンプル時間中に各チャネルに対して順番に出力される M_i サンプルを含むベクトル

• 初期出力のすべての要素で繰り返されるスカラー

レイテンシと Simulink^® タスク モードの詳細については、Excess Algorithmic Delay (Tasking Latency)と時間ベースのスケジューリングとコード生成 (Simulink Coder)を参照してください。

データ型: single | double | int8 | int16 | int32 | uint8 | uint16 | uint32 | Boolean | fixed point
複素数のサポート: あり

ブロックの特性

データ型	Boolean | double | fixed point | integer | single
直達	いいえ
多次元信号	いいえ
可変サイズの信号	いいえ
ゼロクロッシング検出	いいえ

詳細

ゼロタスク レイテンシ

"ゼロタスク レイテンシ" とは、t = 0 で受信した最初の入力サンプルが最初の出力サンプルとして表示されることを意味します。Simulink シングルタスク モードでは、Buffer ブロックは次のような特別な場合にゼロタスク レイテンシになります。

• スカラー入力と出力 ($$M_o=M_i=1$$) にゼロまたは負の [バッファー オーバーラップ] ($$L\le 0$$) がある

• 入力フレーム サイズが出力フレーム サイズの整数倍である

  $$M_i=k{M}_o$$

  ここで k は [バッファー オーバーラップ] ($$L=0$$) がゼロの整数です。このような主な例として以下が挙げられます。

  • スカラー出力 ($$M_o=1$$) をもち、[バッファー オーバーラップ] がゼロ ($$L=0$$) の任意の入力フレーム サイズ M_i

  • [バッファー オーバーラップ] がゼロ ($$M_o=M_i$$) で、等しい入力フレーム サイズと出力フレーム サイズ ($$L=0$$)

オーバーランとアンダーラン

次の条件では、Enabled Subsystem で Buffer ブロックを使用できません。

• マルチレートのマルチタスク環境内

• [バッファー オーバーラップ] パラメーターが負の値に設定されている場合

Buffer ブロックは一時的にデータを格納する内部貯蔵庫をもっています。Buffer ブロックが Enabled Subsystem で使用されると、この貯蔵庫がオーバーランまたはアンダーラン状態になる可能性があります。ブロックはこの状況の発生に対するセーフガードを実装します。

オーバーランは、バッファーの容量以上のデータがバッファーに入力されると発生します。たとえば、サイズ 3 のフレームへのスカラー入力のバッファリングが、1 秒ごとに入力を受け入れて 3 秒ごとに出力を行うバッファーを使用する場合を考えます。このバッファーを、t = 3 秒、t = 6 秒のように 3 秒ごとにディセーブルになる Enabled Subsystem 内に配置すると、バッファーは内部貯蔵庫を空にすることなくデータを蓄積します。この条件では、結果としてオーバーランが発生します。

アンダーランは、バッファーに十分な出力データがない場合に発生します。たとえば、サイズ 3 のフレームへのスカラー入力のバッファリングが、1 秒ごとに入力を受け入れて 3 秒ごとに出力を行うバッファーを使用する場合を再度考えてみます。このバッファーを t = 10 秒、t = 11 秒、t = 13 秒、t = 14 秒、t = 16 秒および t = 17 秒でディセーブルになる Enabled Subsystem 内に配置すると、内部貯蔵庫は枯渇して t = 18 秒で出力するデータがなくなります。この条件では、結果としてアンダーランが発生します。

オーバーランやアンダーランの発生を防ぐため、Buffer ブロックは内部貯蔵庫のデータ量を記録します。Buffer ブロックがデータを読み取ると、貯蔵庫のデータ量は増加します。Buffer ブロックがデータを出力すると、貯蔵庫のデータ量は減少します。オーバーランを回避するため、貯蔵庫のデータ量が実際のバッファー サイズを上回るたびに貯蔵庫内の最も古いサンプルが破棄されます。アンダーランを回避するため、出力時に貯蔵庫にデータがない場合は直近のサンプルが繰り返されます。

拡張機能

C/C++ コード生成

Simulink® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

Buffer ブロックは Simulink Real-Time™ のコード生成をサポートします。このターゲット用に生成されるコードは同時実行されます。このコードを生成するには、モデルのシステム ターゲット ファイルを [speedgoat.tlc] または Simulink Real-Time でサポートされているその他のターゲット ファイルに設定します。また、Buffer ブロックは特定の条件を満たす必要があります。

システム ターゲット ファイルを設定するには、次のようにします。

1. Simulink モデル ウィンドウで、[モデル化] タブの [モデル設定] をクリックします。

2. [モデル設定]、[コード生成] ペインで、[システム ターゲット ファイル] を [speedgoat.tlc] または Simulink Real-Time でサポートされているその他のターゲット ファイルに設定します。

さらに、Buffer ブロックは、以下の条件を満たさなければなりません。

• 出力と入力のバッファー サイズの比は純粋な整数、つまり 1/N または N/1 である必要があります。3/12、1/7、7/1、2/4 などの比は、すべて有効な比です。Buffer ブロックでは、[出力バッファー サイズ (チャネルあたり)] パラメーターを使用して、適切な出力バッファー サイズを指定できます。

• フレーム間でオーバーラップがあってはなりません。Buffer ブロックでは、[バッファー オーバーラップ] パラメーターを 0 に設定します。

バージョン履歴

R2006a より前に導入

R2023a: Simulink Real-Time ターゲットでのみサポートされるマルチコア同時実行

Buffer ブロックは、Simulink Real-Time ターゲット以外のターゲット向けにそこから生成されたコードについて、マルチコア同時実行をサポートしていません。詳細については、コード生成のセクションを参照してください。

R2023a 以降、ターゲットを Simulink Real-Time に設定せず、Simulink モデル設定の [ソルバー] ペインで [ターゲット上でタスクの同時実行を許可] パラメーターを選択してマルチコア同時実行を許可した場合、Buffer ブロックを含むモデルから実行するかコードを生成すると、そのブロックはエラーをスローします。

参考

関数

• rebuffer_delay

ブロック

• N-Ratio Buffer | Delay Line | Unbuffer

トピック

• Convert Sample and Frame Rates in Simulink Using Frame Rebuffering Blocks
• Buffering and Frame-Based Processing
• Tasking Modes and Execution Order (Simulink Coder)