Форум гитаристов

Потихоньку приступаем к реализации нашего амбициозного проекта. И начнём, как это водится, с середины. Задумайтесь ненадолго и не читая следующего абзаца попробуйте ответить на вопрос: какой эффект в процессоре (и не только) самый важный для гитариста?

Правильный ответ - байпасс (даже если вы так не считаете на моё мнение повлиять не сможете, и начнём мы именно с него).

Как известно, правильный Ъ-байпасс сохраняет всю теплоту звука являясь классикой жанра, а также предметом особой гордости любого примочкостроителя. Но в данном случае слово Ъ не несёт в себе никакой информации ни о его надёжности ни о сложности реализации (это всего лишь контакты переключателя, соединяющие вход с выходом). И вообще, это не наш путь, мы будем делать холодный цифровой байпасс для митола.

Пока у нас ничего нет, нужно решить 2 проблемы: оцифровка входного сигнала и вывод куда-нибудь выходного (про входные и выходные аналоговые цепи пока что задумываться не станем).

Оцифровка входного сигнала.

Как известно, частота дискретизации является не последним параметром, влияющим на качество звука. Не менее важно, чтобы она была фиксированной, поэтому для синхронизации оцифровки (а также вывода) сигнала будем использовать один из таймеров. И выберем эту частоту не абы какую, а самую что ни наесть стандартную (а то мало ли что ). Мне нравится 48000 Гц.

Не хотелось бы плодить невежество, знаете ведь как в интернетах - один объяснил на пальцах, другой понял по-своему и, посчитав это объяснение слишком сложным, адаптировал для не таких умных как он. Поэтому не стану объяснять суть теоремы (тем более, что сам не до конца её понимаю ), только отмечу два важных момента. Первый из них очевиден - нет никакой возможности воспроизвести гармонику с частотой выше половины частоты дискретизации. Второй (уже не такой очевидный) - выше этой частоты (половины от дискретизации) будет сплошное бяко. В данном случае бяко будет выше 24кГц, "тебе страшно? мне нет"(с)

В результате, получается у нас времени на обработку очередного сэмпла при тактовой частоте 72МГц с учётом "туда-сюда" чуть поболе 1000 тактов. Прямо скажем, не жирно, но постараемся уложиться, на основное должно хватить.

Теперь разрядность, я уже писал что в STM32F103 есть встроенные АЦП (аж 2 штуки) с разрядностью 12 бит. Кстати вот этот жук

выглядит чуть более по-китайски, чем что-то среднекитайское, но вроде как работает, и вполне неплохо.
Так вот, для иллюстрационного проекта хватило бы и 12 бит, но здесь достаточно быстрый АЦП и можно легко увеличить разрядность до 16 бит оверсемплингом (делаем 16 измерений и складываем результаты). Конечно же, излишне самоуверенно заявлять, что всего 16 измерений прям дадут 4 дополнительных значащих разряда (к тому-же, у меня эвалюэйшн борд, и таких категорий как "аналоговая земля" здесь не существует в принципе). Но хоть сколько-то добавится, пусть будет, заодно посмотрим и сравним, тем более это почти ничего нам не будет стоить.

Итак, алгоритм простой:
1. По таймеру вызывается прерывание - здесь выводится результат предыдущей обработки и запускается новый цикл преобразования.
2. АЦП ацпирует, контроллер DMA пишет измерения в память.
3. По заполнении буфера контроллер DMA генерирует прерывание, там мы складываем результаты и выпихиваем получившуюся цифирьку как входной сигнал для обработки.

Красивая картинка номер один:

Жёлтая кривулина - обработчик прерывания по таймеру (при входе дёргаем вверх, перед выходом вниз), это наша синхронизация дискретизации. Синяя - прерывание контроллера dma (то-же самое на входе дёргаем ногу вверх, делаем чо надо и перед выходом - вниз).
Как видите всё по плану, выше указанные пункты 1, 2 и 3, 3-й немного тилипаица, потому что ацп не отключаем и первое измерение попадает после включения пдп как придётся (думаицо мне это всё мелочи, разве что впечатление от картинки немного портится).

Частота дискретизации - обведена красным (если не видно, там написано "48.0021kHz").

Буквой t отмечено время на обработку - её мы пристроим к первому пункту (прерывание от таймера) на всё время съёма следующего измерения и (даже можем потеснить 3-й пункт)

Не удивляйтесь, как много времени занимают 1 и 3, здесь почти половина времени уходит на дёрганье ножек (пока оставим для контроля) + всё делается через библиотечные функции (потом можно будет это дело выкинуть и работать с периферией напрямую через регистры).

ЦАП

Теперь наша задача - преобразовать цифру в аналоговый сигнал. Проблема в том, что ЦАПов на борту контроллера и нет вовсе. Выкрутиться из ситуации помогут таймеры, на которых мы реализуем ШИМ (широтно-импульсная модуляция, по-басурмански PWM).

Для тех кто не в курсе шим - это приближение среднего значения дискретного сигнала (способного принимать 2 значения) за определённый период к какому-то уровню между этими значениями. Можете нагуглить картинок там всё доступно нарисовано.

Прикинем, что у нас получается, не закапываясь в глубины математики и используя только расчёты на которые хватает пальцев одной руки (ладно, двух ).
у нас есть:
16 бит, которые надо выплюнуть на ШИМ (максимальное значение получается 65535)
максимальная частота таймера = внутренней частоте ядра = 72МГц (тут есть некоторые нюансы, но я про них не скажу))))
получается:
частота ШИМ = 72МГц/65535 = 1.1кГц
кашмар-катастрофа, шим медленней сигнала, который мы собираемся воспроизводить!!!

Заходим с другого края - делаем два 8-битных ШИМа и смешивая результаты в соотношении 1/256, городим из них 16-битный ЦАП. Для начала это будет выглядеть вот так:

частота ШИМ = 72МГц/255 = 282кГц
Супииир , частота ШИМа почти в 12 раз выше максимальной частоты воспроизводимого сигнала.

...но здесь достаточно быстрый АЦП и можно легко увеличить разрядность до 16 бит оверсемплингом (делаем 16 измерений и складываем результаты).

Частота обоих одинакова 282кГц (поскольку оба эти шима передают величину от 0 до 255).