Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- 2019:audio-resample [2020/01/19 19:30]
Filip Šterc [Soubory]
+++ 2019:audio-resample [2020/01/20 19:41] (aktuální)
Filip Šterc [Schéma zapojení]
@@ Řádek 7: / Řádek 7: @@
 ===== Teorie =====
+V této části se budeme zabývat teorií kolem převzorkování signálu z jednoho kmitočtu na druhý pomocí celočíselného poměru vzorkovacích frekvencí. V tomto projektu je konkrétně použit poměr 2:3 s frekvencemi 8 kHz a 12 kHz. Avšak tento algoritmus s poměrem 2:3 lze bez jakýcholiv změn použít i pro další frekvence vzorkování v tomto poměru.
 ==== Interpolace ====
@@ Řádek 12: / Řádek 14: @@
 Pro převzorkování signálu na jiný kmitočet je nutné kmitočet nejdříve interpolovat na nejbližší společný celočíselný násobek kmitočtů (vstupního a výstupního), v tomto případě se jedná o kmitočet 24kHz. Toto je provedeno přidáním nulových vzorků mezi každý vzorek vstupního signálu. Pro interpolaci na N*fvz kmitočet je třeba přidat N-1 nul mezi každý vzorek.\\
-x1…x2…x3…x4…x5…  ->  x1…0…0…x2…0…0…x3…0…0…x4…0…0…x5...0…\\
+x1…x2…x3…x4…x5…  ->  x1…0…0…x2…0…0…x3…0…0…x4…0…0…x5…0…\\
 Toto sice způsobí přesun vzorkovacího kmitočtu na N násobek původního kmitočtu, ale spektra přítomna na nižších násobcích vzorkovací frekvence zůstanou stále přítomna a zároveň způsobují nulovou úroveň nově přidaných vzorků. Proto je pro rekonstrukci signálu potřeba tyto spektra odfiltrovat pomocí vhodného FIR filtru.
@@ Řádek 50: / Řádek 52: @@
 ===== Schéma zapojení =====
-signál ze zvukové karty počítače je v napěťovém rozmezí (-1 - 1) V. Použitý procesor však zvládá zpracovávat pouze kladná napětí, proto je třeba úroveň signálu nejdříve zvednout nad zem. Toto lze snadno vyřešit pomocí sériového kondenzátoru a napěťového děliče, který úroveň signálu posune na úroveň poloviny napájecího napětí 3V.
+Signál ze zvukové karty počítače je v napěťovém rozmezí (-1 - 1) V. Použitý procesor však zvládá zpracovávat pouze kladná napětí, proto je třeba úroveň signálu nejdříve zvednout nad zem. Toto lze snadno vyřešit pomocí sériového kondenzátoru a napěťového děliče, který úroveň signálu posune na úroveň poloviny napájecího napětí 3V.
 {{2019:sch_xsterc02.png?500}}
-Při výběru hodnot kondenzátoru, je třeba brát ohled na frekvenci signálu. Pro signál se toto zapojení jeví jako filtr horní propusti s odpory zapojenými paralelně, proto pro vybrané hodnoty je mezní frekvence f<sub>mez</sub> = 1/(2*pi*0,5R*C) = 28,9 Hz. Pro člověka je slyšitelný pouze zvuk v rozmezí 16 Hz - 20 kHz, tudíž kromě malé krajní oblasti mezi (16 - 29) Hz, slyšitelný signál může projít beze změny. ¨
+Při výběru hodnot kondenzátoru, je třeba brát ohled na frekvenci signálu. Pro signál se toto zapojení jeví jako filtr horní propusti s odpory zapojenými paralelně, proto pro vybrané hodnoty je mezní frekvence f<sub>mez</sub> = 1/(2*pi*0,5R*C) = 28,9 Hz. Pro člověka je slyšitelný pouze zvuk v rozmezí 16 Hz - 20 kHz, tudíž kromě malé krajní oblasti mezi (16 - 29) Hz, slyšitelný signál může projít beze změny.
 ===== Implementace =====
-Pro realizaci kódu jsem použil prostředí STM32CubeIDE, které kombinuje IDE založené na Eclipse společně s prostředím STM32CubeMX pro generování inicializačního kódu jednotlivých periferií. Bohužel se mi při pokusu o realizaci nepovedlo zprovoznit ovladače DMA, které byly součástí zadání. A to ani při sledování nejrůznějších návodů, či pokusu importovat dříve fungující projekt do tohoto prostředí. Z tohoto důvodu je finální realizace vytvořena pomocí přímého čtení hodnot z periferií.\\
+Pro realizaci kódu jsem použil prostředí EmBitz, společně s nástrojem STM32CubeMX pro generování inicializačního kódu procesorů od STMicroelectronics.
-Systém je časován pomocí přerušení dvou časovačů. Tyto časovače jsou nastaveny na časy čtení a zápisu vstupu a výstupů, tudíž 8 a 12 kHz. Aby nedocházelo k blokování jádra přerušením, je obsluha přesunuta do hlavní smyčky a přistupuje se k ní pomocí příznaků v podobně globálních funkcí, které jsou nastavovány příslušnými přerušeními.\\
+Systém funguje následujícím způsobem. Vstupní signál je vzorkován periferií ADC1, kanál 1 (PA1), pomocí ovladače DMA, který ukládá data vždy do vrchní poloviny bufferu adc_buffer[]. Po naplnění bufferu jsou tyto data přesunuta do spodní poloviny odkud jsou čteny pomocí periferie DAC, kanálu 1 (PA4), opět přes ovladač DMA. Tento výstup slouží pouze pro srovnání s později převzorkovaným signálem. Oba ovladače DMA jsou řízeny pomocí timeru TIM2 nastaveného na frekvenci 8 kHz. Aby bylo možné data zpracovávat každých 100 ms, je celková délka adc_bufferu nastavena na 2*800 vzorků.\\
-Pro zpracování dat je použit kruhový buffer adcBuffer[] s délkou 1024 vzorků. Do tohoto bufferu jsou ukládány interpolované data ze vstupu, avšak zatím bez rekonstrukce, která je prováděna až před ukládáním na výstup.
+Při přesunu dat mezi polovinami adc_bufferu, jsou tyto vzorky zároveň zkopírovány do bufferu upsample_buffer[], společně s 82 starými vzorky a proloženy dvěma nulami, pro realizaci nadvzorkování 3x. Dodatečných 82 vzorků z nižší poloviny adc_bufferu se zde nachází kvůli FIR filtru, který vyžaduje paměť 244 předchozích vzorků. (Po nadvzorkování je 82*3 = 246).\\
-Pro pohyb v tomto bufferu jsou použity 2 ukazatele/indexy: adc_readptr a adc_writeptr. Tyto ukazatele jsou incializovány s offsetem poloviny délky bufferu aby nedocházelo k dočasnému vzájemnému přebíhání. Tento offset však zavede do signálu zpoždění, které je ale pro člověka nevnímatelné:\\ t<sub>d</sub> = offset/(N<sub>dec</sub>*f<sub>resamp</sub>) = 21ms.\\
+Přesun dat je realizován funkcí buffer_prepare():
 <code c>
-static uint32_t adcBuffer[ADC_BUFFER_LEN] = {0};
+void buffer_prepare(void){
-static uint16_t adc_readptr = ADC_BUFFER_LEN/2;
+    for(uint16_t i = 0; i < (ADC_BUFFER_LEN + 82); i++){
-static uint16_t adc_writeptr = 0;
+        upsample_buffer[i*3] = adc_buffer[ADC_BUFFER_LEN - 82 + i];
+        if(i >= 82){
+            adc_buffer[i - 82] = adc_buffer[ADC_BUFFER_LEN - 82 + i];
+        }
+    }
+}
 </code>
-Vzhledem k délce bufferu, která je mocnina dvojky, lze kruhovost bufferu realizovat jednoduchým logickým součinem při inkrementaci/dekrementaci ukazatelů:
+Po přesunu dat do upsample_buffer[] jsou tyto data následně interpolována FIR filtrem. Pro snížení náročnosti je společně s interpolací okamžitě prováděna decimace zpracováním pouze každého druhého vzorku (liché vzorky by stejně byly zahozeny). Převzorkované data jsou ukládány do posledního bufferu dac_buffer[]. Aby se zamezila nutnost čekání mezi navzorkováním nových dat a jejich převzorkováním, je použit buffer dvojnásobné délky 2*1200 vzorků, kdy do jedné poloviny jsou ukládány zpracovávané data a z druhé poloviny jsou data čtena do kanálu 2 (PA5), periferie DAC. Čtení je prováděno ovladačem DMA, který je řízen timerem TIM4 s frekvencí 12 kHz.\\
-<code c>
+Převzorkování je umístěno ve funkci resample() se vstupním argumentem dac_buff_side, který určuje do které poloviny dac_bufferu mají být data ukládána:
-adc_writeptr = (adc_writeptr + 1) & (ADC_BUFFER_LEN - 1);
+<code c>
-</code>
+void resample(uint8_t dac_buff_side){
+    float sum;
+    uint16_t out;
+    uint16_t readBuf;
-Vstup je realizován pomocí periferie ADC2, kanálu 1 (pin PA1). Analogová hodnota na tomto pinu je čtena s frekvencí 8 kHz a okamžitě zapisována do pole adcBuffer[], následována dvěma nulovýma hodnotama pro okamžitou realizaci interpolace. Současně je tato hodnota i poslána na kanál 1 (pin PA4) periferie DAC pro možnost porovnání nepřevzorkovaného signálu s převzorkovaným.\\
+    for(uint16_t i = 0; i < DAC_BUFFER_LEN*2; i+=2){        //inkrementování read pointeru +2 pro decimaci 2*
+        sum = 0;
+        out = 0;
+        readBuf = i + 246;				    //uložení ukazatele pro ctení
-<code c>
+        for(uint8_t j = 0; j < FIR_LENGTH; j++){            //rekonstrukce interpolovaného signálu
-HAL_ADC_Start(&hadc2);
+            sum += upsample_buffer[readBuf-j]*fxcoef[j];
-HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, HAL_MAX_DELAY);
+        }
-value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
-HAL_ADC_Stop(&hadc2);
+        if(sum > 4095){			                    //prevedení na 32 bit hodnotu požadovanou DAC, se saturací
+            out = 4095;
+        }else if(sum < 0){
+            out = 0;
+        }else{
+            out = (uint32_t)(sum);
+        }
+        dac_buffer[dac_buff_side*DAC_BUFFER_LEN + (i>>1)] = out;
+    }
-HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, value);
-adcBuffer[adc_writeptr] = value;
-for(uint8_t i = 0; i < 2; i++){                 //upsampling
-	adc_writeptr = (adc_writeptr + 1) & (ADC_BUFFER_LEN - 1);
-	adcBuffer[adc_writeptr] = 0;
 }
 </code>
-Převzorkovaný výstup je realizovaný pomocí kanálu 2 (pin PA5) periferie DAC. Obsluha je opět v hlavní smyčce a je na ni přistupováno s frekvencí 12kHz. Zároveň je z této obsluhy volána funkce resample(), která realizuje rekonstrukci vzorku předem interpolovaného signálu z pole adcBuffer[], pomocí předem navrženého FIR filtru a následnou saturaci vzorku předávaného na výstup. Saturace však v tomto případě není nezbytná, protože vzhledem k poklesu energie signálu vlivem interpolace by výstupní signál měl mít vždy nižší amplitudu než vstupní signál.\\
+===== Video =====
-Decimace je definována pouze jako vynechávání vzorků a tak je zde realizována pomocí inkrementace ukazatele pro čtení o 2.
+Na následujícím videu je ukázána funkčnost tohoto projektu při zpracování signálu o frekvenci 1 kHz. Na osciloskopu jsou zobrazeny signály od vrchu dolů:\\ CH3 - vstupní signál na pinu PA1,\\ CH1 - nepřevzorkovaný výstupní signál na pinu PA4,\\ CH2 - převzorkovaný výstupní signál na pinu PA5.\\
-<code c>
+Na nastavení osciloskopu je možné si všimnou, že i přes to, že se signály zdají být podobné, tak převzorkovaný signál na CH2 má rozlišení pouze 200mV/div, oproti ostatním s 500mV/div. Tato nižší amplituda je vlastností interpolace, kdy je prováděna rekonstrukce signálu odfiltrováním přebytečných kopií spektra, což způsobí pokles energie signálu (pro interpolaci 3x, pokles energie na 1/3). Pokud by bylo požadavkem zachování amplitudy signálu, bylo by třeba převzorkovaný signál vynásobit třemi, což ale vede i ke zvýšení šumu signálu.
-float sum = 0;
-uint32_t out;
-uint16_t readBufTmp = adc_readptr;			//uložení ukazatele pro čtení
-for(uint8_t i = 0; i < FIR_LENGTH; i++){		//rekonstrukce interpolovaného signálu
+[[https://www.youtube.com/watch?v=_VB4ujhArGU|Video ukázka]]
-	sum += adcBuffer[readBufTmp]*fxcoef[i];
-	readBufTmp = (readBufTmp - 1) & (ADC_BUFFER_LEN - 1);
-}
-adc_readptr = (adc_readptr + 2) & (ADC_BUFFER_LEN - 1);	//inkrementování read pointeru +2 pro decimaci 2*
-if(sum > 4095){			//převedení na 32 bit hodnotu požadovanou DAC, se saturací
-	out = 4095;
-}else if(sum < 0){
-	out = 0;
-}else{
-	out = (uint32_t)(sum);
-}
-return out;
-</code>
 ===== Soubory =====
-== STM32CubeIDE projekt ==
+== EmBitz projekt ==
-{{2019:xsterc02_projekt_MPOA.zip}}
+{{2019:xsterc02_projekt_mpoa.zip}}
 == Matlab soubory ==
 {{2019:xsterc02_matlab.zip}}

Individální projekty MPOA

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Rozdíly

Nástroje pro stránku