Projet audio Analyse des Signaux ELE2700

ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Département de Génie Électrique
Projet audio
Analyse des Signaux ELE2700
Saad Chidami - 2014
Table des matières
Objectif du laboratoire ............................................................................................................................... 4
Caractérisation du bruit ............................................................................................................................. 5
Filtrage ......................................................................................................................................................... 9
Implémentation sur DSP ......................................................................................................................... 11
Conclusion ................................................................................................................................................. 14
2
Liste des figures
Figure 1 : Localisation du bloc « From Multimedia File »..................................................................... 5
Figure 2 : Configuration du bloc « From Multimedia File » .................................................................. 6
Figure 3 : Localisation du bloc « To Audio Device » ............................................................................ 6
Figure 4 : Test audio Simulink .................................................................................................................. 7
Figure 5 : Localisation du bloc « Spectrum Analyzer » ........................................................................ 7
Figure 6: Test audio Simulink avec analyse fréquentielle .................................................................... 8
Figure 7 : Fenêtre de configuration du module fdatool ........................................................................ 9
Figure 8 : fenêtre pour la configuration permettant la génération d’un fichier .h ........................... 10
Figure 9 : structure du code source pour le projet Audio ................................................................... 11
Figure 10 : Schéma des connections avec la carte DSP ................................................................... 12
3
Objectif du laboratoire
L’objectif du laboratoire est une mise en situation « réelle », afin de mettre en pratique les
notions théoriques vues en classe ainsi que les techniques et le matériel vu dans les
précédents laboratoires.
Mise en contexte :
Lors d’un enregistrement de concert, le régisseur du son a oublié d’activer les filtres adéquats
afin d’obtenir un enregistrement de bonne qualité.
La compagnie d’enregistrement fait appel à vos connaissances et à votre expertise dans le
domaine du traitement de signal, afin de de corriger le problème.
Votre mandat est clair, vous devez effectuer ces trois étapes :
•
Caractérisation du bruit à l’aide d’outils comme Matlab et Simulink
•
Recherche et mise en place d’une solution
•
Test de la solution sur carte DSP
Un fichier d’enregistrement, vous est donné afin de pouvoir effectuer tous les tests et analyses
nécessaires.
Un dossier contenant le code C de base, un compilateur vous est également fourni.
4
Caractérisation du bruit
Un fichier audio (type Wave), doit être traité, afin de retirer le bruit qui s’est ajouté lors de
l’enregistrement.
La nature du bruit est une sinusoïde dont l’amplitude est assez élevée pour être audible mais la
fréquence est inconnue.
Mais ce que nous savons, par-contre, c’est que le bruit ne contient qu’une seule composante
fréquentielle.
Afin de pouvoir ouvrir le fichier à l’aide de Simulink, vous devez ajouter le bloc suivant à votre
fenêtre Simulink :
Figure 1 : Localisation du bloc « From Multimedia File »
Ce bloc permet d’ouvrir un fichier disponible sur un support (disque dur, clef USB,…) à partir de
Simulink afin de pouvoir effectuer différents traitements. Assurez-vous que la configuration est
semblable que celle sur la figure 2. Et que le nom du fichier pointe sur le nom et la destination
de votre fichier.
À partir de ce point, vous pouvez effectuer toutes les opérations usuelles disponibles sur
Simulink (addition, soustraction, etc…) sur 1024 échantillons successifs.
5
Figure 2 : Configuration du bloc « From Multimedia File »
On peut accéder à la sortie audio de votre ordinateur à l’aide du bloc Simulink « To Audio
Device »
Figure 3 : Localisation du bloc « To Audio Device »
6
Pour tester vos configurations, vous pouvez effectuer un simple test, comme sur la figure 4, afin
d’écouter le document audio qui vous est fourni, directement à la sortie de l’ordinateur.
Figure 4 : Test audio Simulink
Dans les laboratoires précédents, l’utilisation de scripts Matlab ont été utilisés pour calculer le
spectre fréquentiel (FFT) de vos signaux d’intérêts. Il existe un bloc Simulink qui permet
d’appliquer le même traitement sur le signal d’entrée.
Ce bloc est disponible dans la « DSP System Toolbox » :
Figure 5 : Localisation du bloc « Spectrum Analyzer »
Un test simple est fourni à la figure 6 :
7
Figure 6: Test audio Simulink avec analyse fréquentielle
La caractérisation du bruit nécessite les modules de base présentés dans cette section du
document et la théorie acquise durant le cours. Mais un élément essentiel est l’intuition, un œil
averti peut déterminer la fréquence du bruit en observant simplement la FFT.
8
Filtrage
Une fois que le bruit a été caractérisé, l’étape suivante, consiste à développer un filtre
qui permet d’atténuer et dans le meilleur des cas d’éliminer ce bruit. Cette étape s’inspire des
laboratoires précédents.
La commande fdatool 1,2, est un module disponible sur Matlab qui permet de développer
et implémenter un filtre.
Figure 7 : Fenêtre de configuration du module fdatool
Cette étape nécessite quelques restrictions :
-
La méthode doit être de type FIR
-
La fréquence d’échantillonnage doit être de 48kHz
1
http://www.mathworks.com/help/signal/ref/fdatool.html
2
http://www.mathworks.com/help/signal/ug/opening-fdatool.html
9
-
Le filtrage doit se faire en une seule étape, c’est-à-dire que le signal ne doit pas passer
par plusieurs blocs de filtres (passage par un filtre passe-bas puis par un filtre passehaut).
Avant d’implémenter votre filtre sur le DSP, Simulink peut être utilisé pour valider votre
filtre.
Récupération du filtre
Dans le domaine numérique un filtre peut être caractérisé par des coefficients
(voir cours). Afin de récupérer le design du filtre il suffit donc de récupérer les
coefficients du module fdatool.
Pour cela il faut cliquer sur l’onglet : Target -> Generate C header …
Et configurer la fenêtre comme illustré sur la figure 8.
Figure 8 : fenêtre pour la configuration permettant la génération d’un fichier .h
10
Implémentation sur DSP
Un DSP est un processeur spécialisé adapté pour le domaine du traitement de signal.
Pour tirer profit de la capacité de calcul, il est nécessaire d’utiliser les outils fournis par le
fabricant pour implémenter des solutions réelles d’ingénierie. Dans ce laboratoire nous allons
avoir un aperçu des outils disponibles.
Un projet en langage C vous est fourni. Ce projet comporte tout le nécessaire pour configurer
les périphériques d’entrée et sortie (ADC et DAC) et l’implémentation d’un filtre FIR.
Figure 9 : structure du code source pour le projet Audio
La première étape consiste à modifier le fichier main.h (à l’aide d’un éditeur texte) et d’y coller
les coefficients générés par le module fdatool et de modifier également l’ordre du filtre en
fonction de votre design (ne pas oublier de sauvegarder).
Lancez le script « run_linux_environnment » et tapez « make all ». Ainsi votre fichier devra
normalement compiler et générer un fichier binaire « Programme.bin ».
11
Connectez votre carte et lancer le programme : « STM32 ST-LINK Utility », cet utilitaire permet
de programmer votre microcontrôleur :
-
Target -> Connect
-
Target -> Program & Verify
Choisir le fichier « Programme.bin » en cliquant sur le bouton « Browse »
Cliquer sur Start, ainsi le DSP est programmé et pour lancer le programme le bouton reset
doit être appuyé.
Ces étapes doivent être répétées à chaque modification du fichier « main.h »
Installation sur la carte audio
La carte audio est une extension matériel qui permet d’ajuster les niveaux électriques entre
l’ordinateur, la carte DSP et les haut-parleurs.
Placez votre carte sur la carte adaptatrice de telle façon que le port USB de programmation
pointe vers l’entrée et la sortie audio. Les connecteurs doivent parfaitement s’ajuster avec les
broches (point blanc sur la carte) sinon il y a un risque de briser vos cartes.
Brancher la sortie audio de votre ordinateur à l’entrée de la carte DSP et les haut-parleurs à la
sortie du DSP (figure 10).
Figure 10 : Schéma des connections avec la carte DSP
12
Fonctionnement
Pour vérifier si la carte a été bien programmée, les DELs orange et bleues doivent alterner. La
carte est en attente (donc fonctionnelle).
Vous devez lancer le fichier audio à traiter directement de l’ordinateur, et appuyer sur le bouton
bleu (USER) de la carte, vous devez entendre le son sortir des haut-parleurs branchés à la
carte DSP.
Si vous alternez des pressions sur le bouton User, le filtre sera activé ou désactivé et en
fonction de l’efficacité de votre filtre vous atténuerez ou éliminerez le bruit.
13
Conclusion
Ce laboratoire est une introduction dans le monde de l’ingénierie et dans le traitement de signal.
Arriver à développer la solution idéale ne va dépendre que de la maitrise de la théorie, la
technique et la compréhension du problème.
Par contre, vous avez appris qu’un problème aussi simple, ou du moins qui peut paraitre
simple, nécessite beaucoup de notions fondamentales et techniques et de rigueur.
Le laboratoire suivant est assez complexe en réalité, car n’importe quel traitement va altérer la
qualité du signal original, mais c’est un bon exercice et libre à vous d’essayer d’améliorer la
qualité de votre filtre !
14