Chapter 13 Working with Digital Audio

Introduction

เสียงที่เป็นสัญญาณ Analog สามมารถเอาสัญญาณเข้าและออกจากระบบ Digital ได้ผ่าน Audio interface ที่เป็น DACs และ ADCs โดยจะถูกแปลงเป็นสัญญาณ Digital และสามารถถูกเปลี่ยนแปลงหรือปรับแต่งได้ด้วย DSP (Digital Signal Processing) และแน่นอน การลดขนาดไฟล์ก็เป็นส่วนหนึ่งของ DSP เช่นกัน เช่นการบีบอัดไฟล์เสียง

MIDI

MIDI หรือ Musical Instrument Digital Interface คือโปรโตคอลที่เครื่องดนตรี Digital คุยกันโดยจะมีข้อมูลสำคัญคือ - Note On or Note Off - Pitch of the Note

เราสามารถใช้ MBED เพื่อต่อและส่งข้อมูลด้วย Protocol MIDI ผ่าน USB ได้ด้วย Library USBMIDI

/* Program Example 13.1: MIDI messaging with variable scroll speed
*/
#include "mbed.h"
#include "USBMIDI.h"
USBMIDI midi; // initialise MIDI interface
AnalogIn Ain(p19); // create analog input (potentiometer)
int main() {
    while (1) {
        for(int i=48; i<72; i++) { // step through notes
            midi.write(MIDIMessage::NoteOn(i)); // note on
            wait(Ain); // pause
            midi.write(MIDIMessage::NoteOff(i)); // note off
            wait(2*Ain); // pause
        }
    }
}

Digital Audio Processing

• DSP คือการประมวลผลสัญญาณด้วยวิธีแบบ Digital
• ชิพ DSP เร็วเรื่องการ shift-and-add และก็ multiply-and-add มากเพราะเป็นพื้นฐานของการประมวลสัญญาณ
• นอกจากนั้นยังชิพมี Instruction ที่เอาไว้สำหรับ Filter และ Frequency Analysis ได้ด้วยเพื่อให้ทำงานได้เร็วและเขียนโปรแกรมได้ง่าย
• จริงๆใช้ Microcontroller ก็ได้แต่จะช้ากว่าในเรื่องของเวลาการทำงาน

DSP on MBED

MBED สามารถทำ DSP ได้โดยรับสัญญาณเข้าผ่าน ADC ประมวลผลและส่งสัญญาณออกผ่านทาง DAC (สัญญาณเสียงอ่ะนะ) เรื่องก็คือสญญาณเสียงเป็นสัญญาณ AC ที่มีทั้งบวกและลบแต่ MBED อ่านสัญญาณได้แค่ฝั่งบวกเท่านั้น ก็เลยต้องใส่ Offset ของสัญญาณให้มันนิดนึง

โดยจะใส่วงจรนี้เพื่อเพิ่ม Offset ให้กับสัญญาณด้วยวงจรนี้

/* Program Example 13.5 DSP input and output using a 20 kHz ticker object
*/
#include "mbed.h"
//mbed objects
AnalogIn Ain(p15);
AnalogOut Aout(p18);
Ticker s20khz_tick;
//function prototypes
void s20khz_task(void);
//variables and data
float data_in, data_out;
//main program start here
int main() {
    s20khz_tick.attach_us(&s20khz_task,50); // attach task to 50us tick
}
// function 20khz_task
void s20khz_task(void){
    data_in=Ain;
    data_out=data_in;
    Aout=data_out;
}

Signal Reconstuction

DAC ไม่สามารถ Output ให้หน้าตาเหมือนกับ Input ได้เนื่องจากมีความละเอียดที่จำกัด

เส้นบนสุดคือสัญญาณ Input, เส้นกลางคือ Output จาก DAC

สังเกตว่าเส้นล่างคือสัญญาณที่ออกจาก DAC มันเป็นขั้นบันได้ เพราะงั้นต้องเอาไปใส่ Reconstruction Filter เพื่อให้หน้าตาสัญญาณเหมือน input มากขึ้น

Digital Filtering Example

เอาง่ายๆ หลักๆถ้ามีสัญญาณที่ผสมกันหลายๆความถี่ ถ้าอยากได้สัญญาณความถี่สูงก็ใช้ High Pass แต่ถ้าอยากได้สัญญาณเฉพาะความถี่ต่ำก็ใช้ Low Pass Filter

Digital Filters

ไม่สนเรื่องสูดรละกัน แต่จะพูดถึง IIR และ FIR Filter - FIR (Finite Impulse Response) ไม่มี Feedback แต่มีข้อดีเรื่อง Phase Shift - IIR (Infinite Impulse Response) ใช้ Feedback จาก Output กลับมาคำนวนใหม่

Working with ave audio files

นามสกุลไฟล์เสียงยอดนิยมคือ .wav โดยจะมี Header เพื่อบอกข้อมูลของไฟล์เช่น Bit rate, Sample Frequency ที่ต้องมี Header เพื่อเครื่องอ่านจะได้เล่นถูก หน้าตามันก็จะประมาณนี้

ข้อมูลเป็น Last Significant Byte First เช่น Sample Rate ที่มีค่า Hex เป็น 80 3E 00 00 ให้อ่านจากขวาไปซ้าย ก็จะกลายเป็น 00 00 3E 80 ซึ่งแปลงเป็นเลขฐาน 10 ก็จะได้ 16000 นั่นเอง

/* Program Example 13.8 Wave file header reader (wav data stored on SD card)
*/
#include "mbed.h"
#include "SDFileSystem.h"
SDFileSystem sd(p5, p6, p7, p8, "sd");
Serial pc(USBTX,USBRX); // set up terminal link
char c1, c2, c3, c4; // chars for reading data in
int AudioFormat, NumChannels, SampleRate, BitsPerSample ;
int main() {
    pc.printf("\n\rWave file header reader\n\r"); // binary file in read mode
    FILE *fp = fopen("/sd/sinewave.wav", "rb"); // open SD card wav file
    fseek(fp, 20, SEEK_SET); // set pointer to byte 20
    fread(&AudioFormat, 2, 1, fp); // check file is PCM
    if (AudioFormat==0x01) {
        pc.printf("Wav file is PCM data\n\r");
    }
    else {
        pc.printf("Wav file is not PCM data\n\r");
    }
    fread(&NumChannels, 2, 1, fp); // find number of channels
    pc.printf("Number of channels: %d\n\r",NumChannels);
    fread(&SampleRate, 4, 1, fp); // find sample rate
    pc.printf("Sample rate: %d\n\r",SampleRate);
    fread(&BitsPerSample, 2, 1, fp); // find resolution
    pc.printf("Bits per sample: %d\n\r",BitsPerSample);
    fclose(fp);
}

ในต้วอย่างนี้จะเช็คไฟล์ใน SD Card ว่าเป็น File PCB มั้ย ถ้าเป็นก็บอก ไม่เป็นก็บอก ทีนี้ก็อ่านและก็เล่นออกมาผ่าน DAC

Circular Buffer

ก็เขียนข้อมูลใส่ Buffer ไปเรื่อยๆจนจบ Array แล้วกลับมาเริ่มต้นใหม่ เอาไว้ควบคุม Timing ระหว่างการอ่านและส่งข้อมูลของข้อมูลแต่ละ Byte

/* Program Example 13.9: 16-bit mono wave player
*/
#include "mbed.h"
#include "SDFileSystem.h"
#define BUFFERSIZE 4096 // number of data in circular buffer
SDFileSystem sd(p5, p6, p7, p8, "sd");
AnalogOut DACout(p18);
Ticker SampleTicker;
int SampleRate;
float SamplePeriod; // sample period in microseconds
int CircularBuffer[BUFFERSIZE]; // circular buffer array
int ReadPointer=0;
int WritePointer=0;
bool EndOfFileFlag=0;
void DACFunction(void); // function prototype
int main() {
    FILE *fp = fopen("/sd/testa.wav", "rb"); // open wave file
    fseek(fp, 24, SEEK_SET); // move to byte 24
    fread(&SampleRate, 4, 1, fp); // get sample frequency
    SamplePeriod=(float)1/SampleRate; // calculate sample period as float
    SampleTicker.attach(&DACFunction,SamplePeriod); // start output tick
    while (!feof(fp)) { // loop until end of file is encountered
        fread(&CircularBuffer[WritePointer], 2, 1, fp);
        WritePointer=WritePointer+1; // increment Write Pointer
        if (WritePointer>=BUFFERSIZE) { // if end of circular buffer
            WritePointer=0; // go back to start of buffer
        }
    }
    EndOfFileFlag=1;
    fclose(fp);
}

// Program Example 13.9 Continued
// DAC function called at rate SamplePeriod
void DACFunction(void) {
    if ((EndOfFileFlag==0)|(ReadPointer>0)) { // output while data available
        DACout.write_u16(CircularBuffer[ReadPointer]); // output to DAC
        ReadPointer=ReadPointer+1; // increment pointer
        if (ReadPointer>=BUFFERSIZE) {
          ReadPointer=0; // reset pointer if necessary
        }
    }
}

อันนี้คือตัวอย่างของ Circular Buffer ที่อ่านจาก SD Card มาใส่ ตัวแปรเป็นแบบ Circular แล้วส่งออกทาง DAC

High-fidelity Audio

เอาง่ายๆ ADC กับ DAC ของบอดมันกากครับ เพราะงั้นเลยต้องหาตัวช่วยถ้าอยากให้ Sample เสียงคุณภาพดีขึ้นเช่นตัวนี้ TLV320AIC23B เป็นทั้ง ADC และ DAC (ก็คือ CODEC อ่ะแหละ) ความละเอียดสูงสุด 16, 20, 24 หรือ 32 bit และก็ Sample Rate สูงสุด 96kHz

และแน่นอน จะส่งสัญญาณเสียงไปให้มันต้องผ่านโปรโตรคอล I2S (I Square S) มันจะมีสายหลักๆอยู่ 3 เส้นก็คือ

Pin	Name	Function
WS	Word Select	เอาไว้เลือกซ้ายขวา 0 = Left
SCK	Data Clock	เอาไว้ Sync สัญญาณ
SD	Serial Data	สัญญาณ

ที่เหลือต่อใน Slide