Individální projekty MPOA

Tato stránka je pouze pro čtení. Můžete si pouze prohlédnout zdrojový kód, ale ne ho měnit. Zeptejte se správce, pokud si myslíte, že něco není v pořádku.
========= Audio spektrální analyzátor ======

Vypracoval: Petr Jedlička

----
===== Zadání =====

Implementujte spektrální analyzátor pro audio signály s využitím vývojové desky STM32F746G Discovery. Jako vstup bude sloužit digitální mikrofon a audio jack. Spektrální analýza bude provedena pomocí banky pásmových propustí pro jednotlivé třetiny oktáv. Výsledek bude zobrazen na barevném dotykovém displeji.

===== Úvod =====

V rámci tohoto projektu bylo vytvořeno zařízení pro měření frekvenčních vlastností audio signálů. Vzhledem k povaze signálu bylo pro spektrální analýzu zvoleno měření efektivní hodnoty signálu ve 30 frekvenčních pásmech, která odpovídají třetinám oktáv. Výsledkem měření je graf obsahující 30 frekvenčních sloupců, kde frekvenci odpovídá horizontální osa s logaritmickým rozložením a na vertikální ose je v závislosti na nastaveném audio vstupu vynesena intenzita signálu buď v dBmV pro audio jack, nebo v dB pro digitální mikrofon. Volba zdroje vstupního signálu je prováděna klepnutím na dotykový displej.

===== Hardware =====

K realizaci projektu byla použita vývojová deska [[http://www.st.com/en/evaluation-tools/32f746gdiscovery.html|STM32F746G Discovery]] od společnosti STMicroelectronics. Tato vývojová deska je vybavena celou řadou periferií, z nichž za zmínku stojí například rozhraní ethernet, rozhraní USB FS/HS, 128-Mbit SDRAM, 128-Mbit Quad-SPI Flash paměť, 2x digitální MEMS mikrofon, SAI audio kodek, vstupní a výstupní audio jack a 4,3" barevný dotykový LCD-TFT displej s rozlišením 480x272 pixelů. 

Z výše uvedených periferií byl využit dotykový displej, audio kodek, SDRAM paměť a digitální mikrofon. Vzhledem k tomu, že žádné jiné periferie nebyly potřeba, nebylo nutné vyvíjet ani žádný přídavný hardware. Vývojová deska je 
zobrazena na následujícím obrázku (obr. 1.1).

{{ :2018:audio-analyzer:stm32f746_discovery.jpg |Obr 1.1: Vývojová deska }}

===== Číslicové zpracování signálu =====

V rámci spektrální analýzy audio signálu bylo vytvořeno a implementováno 30 třetinooktávových filtrů (pásmové propusti), 8 decimačních filtrů (dolní propusti) a 30 průměrovacích filtrů (dolní propusti). Všechny filtry byly navrženy v prostředí MATLAB, které zároveň sloužilo ke generaci koeficientů filtrů do zdrojového souboru.

Spektrální složky audio signálu jsou počítány jako efektivní hodnoty na výstupech jednotlivých třetinooktávových filtrů, a to postupně od nejvyšších frekvenčních pásem směrem k nižším frekvenčním pásmům, přičemž se snižujícími se frekvencemi pásem jsou postupně prováděny decimace signálu s decimačním faktorem rovným dvěma. Mezi jednotlivými decimacemi je počítáno 3 až 5 spektrálních složek. Na obrázku níže (obr. 1.2) je znázorněno blokové schéma spektrální analýzy.

{{ :2018:audio-analyzer:diagram1.jpg?504x404 |Obr 1.2: Blokové schéma spektrální analýzy }}

Jednotlivé výstupy v blokovém schématu spektrální analýzy představují druhé mocniny efektivních hodnot signálu v jednotlivých pásmech. Pásmové propusti představují třetinooktávové filtry, dolní propusti následované změnou vzorkovacího kmitočtu představují decimační filtry a kvadrátory společně s následujícími dolními propustmi tvoří základ výpočtu efektivních hodnot. Z rozměrových důvodů jsou zobrazeny pouze dvě sekce mezi jednotlivými decimacemi, celkem je však těchto sekcí devět. Blokové schéma neobsahuje převod hodnoty do decibelové míry, ta je z jednoho bloku dat prováděna pouze pro poslední hodnotu, která je určená pro zobrazení na displeji.

==== Třetinooktávové filtry ====

Třetinooktávové filtry byly navrženy na základě specifikace ANSI S1.11-2004, podle které je poměr krajních kmitočtů všech třetin oktáv roven třetí odmocnině čísla 2. Po softwarové stránce návrh odpovídá nulté, tedy nejvyšší, třídě přesnosti dle výše zmíněné specifikace. Přesnost měření je však snížena vlastnostmi použitého mikrofonu, který není určen pro měřící aplikace. Pro návrh byla zvolena Chebyshevova aproximace prvního typu. Výsledkem bylo 30 číslicových filtrů šestého řádu. Na následujících 6 obrázcích (obr. 1.3 až 1.8) jsou zobrazeny frekvenční modulové charakteristiky tří vybraných pásem vždy v pořadí – celková charakteristika, detail pásma. Čárkované křivky značí horní a dolní mez charakteristiky, kterou definuje specifikace, a spojitá křivka značí výslednou navrženou charakteristiku. Návrh byl naprogramován ve skriptu s názvem third_octave_PB_filters_characteristics_and_design.m .

{{ :2018:audio-analyzer:ok1.jpg |Obr 1.3: Pásmo 1 }}

{{ :2018:audio-analyzer:ok1_detail.jpg |Obr 1.4: Pásmo 1 - detail }}

{{ :2018:audio-analyzer:okt17.jpg |Obr 1.5: Pásmo 17 }}

{{ :2018:audio-analyzer:okt17_detail.jpg |Obr 1.6: Pásmo 17 - detail }}

{{ :2018:audio-analyzer:okt28.jpg |Obr 1.7: Pásmo 28 }}

{{ :2018:audio-analyzer:okt28_detail.jpg |Obr 1.8: Pásmo 28 - detail }}

==== Decimační filtry ====

Důvodem návrhu decimačních filtrů bylo jednak dosažení menší výpočetní náročnosti díky snížení vzorkovací frekvence, a jednak jednodušší návrh pásmových propustí pro nízké kmitočty vzhledem k původní vzorkovací frekvenci, která byla nastavena na 44,1 kHz. Filtry byly navrženy s ohledem na vzorkovací teorém. Pro návrh byla zvolena Chebyshevova aproximace druhého typu. Výsledkem bylo 8 číslicových filtrů pátého řádu. Vzhledem k tomu, že vždy byla prováděna decimace dvěma a tudíž byly vždy kladeny stejné požadavky na frekvenční modulovou charakteristiku v závislosti na relativní frekvenci, koeficienty všech decimačních filtrů jsou totožné. Frekvenční modulová i fázová charakteristika  decimačních filtrů je na obrázku níže (obr. 1.9.). Návrh byl naprogramován ve skriptu s názvem decimation_filters_design.m .

{{ :2018:audio-analyzer:dec.jpg |Obr 1.9: Decimační filtr - modulová a fázová charakteristika }}

==== Průměrovací filtry ====

Průměrovací filtry slouží jako integrátory při výpočtu efektivní hodnoty signálu a byly navrženy jako dolní propusti prvního řádu s časovou konstantou 100 milisekund, což je i obnovovací perioda displeje. Pro návrh byla zvolena Butterworthova aproximace. Příklad frekvenční modulové a fázové charakteristiky průměrovacího filtru je na následujícím obrázku (obr. 1.10). Návrh byl naprogramován ve skriptu s názvem avrg_filters.m .

{{ :2018:audio-analyzer:avrg.jpg |Obr 1.10: Průměrovací filtr - modulová a fázová charakteristika }}

===== Firmware =====

Pro naprogramování mikrokontroléru bylo použito Atollic TrueSTUDIO. Pro ovládání periferií mikrokontroléru byly použity HAL knihovny od výrobce mikrokontroléru. Pro ovládání periferií na vývojové desce byly použity BSP (Board Support Package) knihovny.

Veškeré funkce vytvořené za účelem měření a zobrazení spektra jsou zahrnuty v knihovně asa.h (Audio Spectrum Analyzer). Struktura programu by se dala přirovnat ke kooperativnímu multitaskingu. V nekonečné smyčce běží funkce, která sleduje nastávající události, na základě kterých spouští odpovídající funkce (úlohy). Mezi události patří:
  * polovina DMA bufferu naplněna
  * celý DMA buffer naplněn
  * čas pro obnovu displeje
  * čas pro obnovu horizontální osy grafu
  * čas pro kontrolu dotyku displeje
  * požadavek na změnu zdroje signálu.
Události jsou nastavovány prostřednictvím callback funkcí pro DMA a 1ms systick časovač.
Individální projekty MPOA

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Nástroje pro stránku
