Przetwarzanie sygnalow akustycznych w oparciu o procesor

Seminarium dyplomowe
Przetwarzanie sygnałów
akustycznych w oparciu o procesor
wielordzeniowy
Temat pracy:
P romotor:
dr inż. Krzysztof C zyż
P lan prezentacji:
●
●
●
●
Dygresja dotycząca układu z filtrowaniem
osobnych kanałów
Synchronizacja rdzeni – instrukcje oraz ich
wykorzystanie
Arytmetyka stałoprzecinkowa i jej
zastosowanie
Identyfikacja odpowiedzi impulsowej
Filtrowanie osobnych kanałów
L
Fl
Kanały wejściowe:
lewy i prawy
R
Fr
Filtrowanie osobnych kanałów
Problem filtracji osobnych kanałów na
osobnych rdzeniach w powyższym przypadku
nie wprowadza praktycznie żadnych
komplikacji (poza synchronizacją w czasie) w
stosunku do standardowego
filtrowania dźwięku stereo na pojedynczym
procesorze. Na dowód tego można
przedstawić różnicę z punktu widzenia
programistycznego:
Filtrowanie osobnych kanałów
Zaimplementowana na jednym rdzeniu sekwencja:
iChannel1LeftOut = przetw(iChannel1LeftIn);
iChannel1RightOut = przetw(iChannel1RightIn);
Wymaga jedynie umieszczenia próbek w pamięci do której oba rdzenie mają
swobodny dostęp (bądź zadeklarowanie ich jako zmienne globalne) oraz
„przeklejenia” instrukcj iChannel1RightOut = przetw(iChannel1RightIn); do
kodu dedykowanego dla rdzenia drugiego.
Jedynym problemem, który może tu wystąpić jest brak synchronizacji próbek
sygnału na wyjściu spowodowany dedykowaniem jednego z rdzeni do obsługi
przerwań sprzętowych oraz obsługą przez oba rdzenie mechanizmów wymiany
informacji między sobą, o czym w dalszej części prezentacji.
Filtrowanie osobnych kanałów
Mikrofon
L
Fl
Kanały wejściowe:
lewy i prawy
R
Sprzężenie
skrośne
Fr
Mikrofon
Filtrowanie osobnych kanałów
Mikrofon
L
Fl
-
Frl
Flr
R
Fr
-
Mikrofon
Synchronizacja filtracji
Sygnał wejściowy
Kanał lewy
rdzeń A
Może zdarzyć się, że:
t≠t
Kanał prawy
Należy więc zadbać
o jakąś wymianę
informacji pomiędzy
rdzeniami tak, by próbki
przetworzone przez nie
docierały do odbiorcy z
takim samym (możliwie
jak najmniejszym)
opóźnieniem.
rdzeń B
t
t
t
Synchronizacja Filtracji
Wymiana informacji między rdzeniami możliwa
jest w bardzo prosty sposób: wystarczy
zadeklarować globalną flagę (lub kilka flag),
którą oba rdzenie będą zmieniać w zależności
od sytuacji, która aktualnie ma miejsce. Tu
pojawia się problem: jak zapewnić obu
rdzeniom dostęp do tego samego miejsca w
pamięci układu tak, by uniknąć ewentualnych
konfliktów? Tutaj z pomocą programiście
przychodzi instrukcja „TESTSET”
Instrukcja TESTSET
TESTSET jest atomiczną instrukcją która
ładuje pośrednio zaadresowany bajt pamięci,
sprawdza, czy jest on równy “0” a następnie
ustawia najbardziej znaczący bit tego bajtu.
Jeśli bajt jest pierwotnie niezerowy, TESTSET
ustawia bit CC (Condition Code Flag), jeśli był
zerem, czyści bit CC.
W bibliotekach ADI dla C/C++ instrukcja ta
używana jest w 3 funkcjach:
adi_acquire_lock, adi_release_lock, adi_try_lock
Instrukcja TESTSET
Aby skorzystać z tych funkcji należy zadeklarować
wskaźnik do obiektu typu testeset_t. Działanie funkcji:
●
●
●
adi_acquire_lock(*testset_t) – funkcja ta cyklicznie
próbuje uzyskać możliwość zablokowania obszaru
pamięci, sprawdzając bajt będący obiektem w/w typu
adi_release_lock(*testset_t) – jest to funkcja
„odblokowująca” flagę dostępu do danego obszaru
adi_try_lock(*testset_t) – funkcja dokonująca
jednorazowego sprawdzenia, czy obszar jest dostępny
w danej chwili. Jako jedyna z 3 powyższych funkcja ta
zwraca wartość (typu bool).
Instrukcja TESTSET
Przykład wykorzystania praktycznego:
iChannel0RightIn = iRxBuffer1[INTERNAL_ADC_R0];
rdzeń B
adi_acquire_lock(jt);
przyszlo=true;
adi_release_lock(jt);
if (przyszlo==true)
{
adi_acquire_lock(jt);
rdzeń A
przyszlo=false;
adi_release_lock(jt);
liczba=iChannel0RightIn;
ADSP BF-561 Blackfin jest procesorem stałoprzecinkowym,
więc wskazane jest przeprowadzanie wszelkich operacji
arytmetycznych właśnie na typach stałoprzecinkowych.
W tym celu producent wyposażył kompilator w zestaw
gotowych funkcji arytmetycznych oraz specjalne typy
zmiennych, których wykożystanie zapewnia maksymalną
wydajność aplikacji.
Typy fract16 oraz fract32
Zakres wartości obu tych typów mieści się w
przedziale <-1,1)
Tak reprezentowane są liczby obu tych typów w pamięci
Typy fract16 oraz fract32
Kompilator C/C++ VisualDSP++ posiada
wbudowane funkcje służące do wykonywania
operacji matematycznych na tych typach, jak
również funkcje służące do konwersji wartości
z typu float na typ fract16 lub fract32.
Dla języka C należy użyć specjalnych funkcji
arytmetycznych aby zapewnić poprawne
obliczenia na zmiennych tych typów.
Dla C++ zdefiniowane są klasy w których
zaimplementowane
jest
przeładowanie
standardowych operatorów arytmetycznych.
Typy fract16 oraz fract32
Funkcje
arytmetyczne
dla
typów
stałoprzecinkowych na przykładzie fract32:
ADI dostarcza dwa zestawy funkcji wbudowanych:
− zestaw podstawowy – obejmuje takie funkcje jak:
dodawanie, odejmowanie, mnożenie, shiftowanie,
negacja bitowa itp.
− ETSI Lib – podobnie jak powyżej, z tym, że
niektóre funkcje połączone są w jedną całość (np.
MAC) i użytkownik sam dba o ewentualne skutki
nasycenia lub przeniesienia (rejestr ASTAT)
Typy fract16 oraz fract32
Przykład wykorzystania funkcji bibliotecznych
dla algorytmu FIR w dziedzinie czasu:
wartosc=add_fr1x32(wartosc,(mult_fr1x32(fr16
_tofr32(wspol[ILETEGOi]),probki[ind2])));
add_fr1x32 – dodawanie dwóch liczb fract32
mult_fr1x32 – mnożenie dwóch liczb fract32
fr16_tofr32 – konwersja z fract16 na fract32
Eksperyment Identyfikacyjny
Komputer PC
Głośnik
Mikrofon
W późniejszym czasie: rejestrator dźwięku z laboratorium,
jako jego źródło wciąż komputer.
Eksperyment Identyfikacyjny
●
●
Eksperyment na podstawie którego można
uzyskać
model
odpowiedzi
impulsowej
pomieszczenia składa się z następujących
kroków:
Wygenerowanie kilku (lub kilkunastu) sekwencji
białego
szumu
jako
pobudzenia.
(wł.
wygenerowanie jednej sekwencji i powielenie
jej kilkakrotnie);
Odegranie wygenerowanej sekwencji w
badanym
pomieszczeniu
jednocześnie
nagrywając ustawionym w pewnej odległości
od głośników mikrofonem odpowiedzi;
Eksperyment Identyfikacyjny
C.D.
● Uśrednienie otrzymanych wyników do długości
wejsciowej sekwencji białego szumu
● Obliczenie
korelacji wzajemnej sygnału
wejściowego oraz wyjściowego, co daje w
sumie 2*n-1 próbek (n – długość pojedynczej
sekwencji)
● Pierwsza „połowa” próbek jest odbitą w czasie
poszukiwaną odpowiedzią impulsową;
Eksperyment Identyfikacyjny
Ważniejsze fragmenty m-file'a:
wavplay(calosc,czestotliwosc,'async');
nagranie=wavrecord(10* dlug,czestotliwosc,1);
Niewielkie opóźnienie
while i<(dlug+1);
wyj(i)=nagranie((2* dlug)+i)+nagranie((3* dlug)+i...
Problem czasochłonności
obliczeń
kor=xcorr(wej,wyj);
odimp=kor(1:dlug-1)';
plot(odimp);
Eksperyment Identyfikacyjny
Przykładowa odpowiedź impulsowa rzeczywistego pomieszczenia:
3000
2000
1000
0
-1 0 0 0
-2 0 0 0
-3 0 0 0
-4 0 0 0
0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1
1 .2
1 .4
1 .6
1 .8
2
x 10
5
Kolejne problemy:
●
●
●
●
Wydajność obliczeń przy dużym rzędzie filtru i
dużej częstotliwości próbkowania
Lepsze wyniki identyfikacji odpowiedzi
impulsowej (?)
Rozlokowanie w pomiędzy dostępnymi
pamięciami danych oraz kodu
Identyfikacja on-line odwrotnego modelu
pomieszczenia + equalizacja
C ele na przyszłość
●
●
●
Identyfikacja odpowiedzi impulsowych
pomieszczeń uzyskanych z pomiarów za
pomocą aparatury znajdującej się w
laboratorium
Implementacja alternatywnych form filtru FIR
w celu maksymalnej optymalizacji wydajności
obliczeń
Próba zaimplementowania identyfikacji
odpowiedzi impulsowej „on-line” oraz
„equalizacji” pomieszczenia odsłuchowego
Dziękuję za uwagę