Konvertierung Audiosample 24->16 Bit, DC-Offset Problem

Ja und ja.

Oliver

Oliver S. schrieb:
> Ja und ja.
>
> Oliver

Hmm, auch wenn die Antwort nur bedingt hilfreich war hat sie mich darin 
bestätigt folgenden Testcode zu schreiben. Das fehlende Stichwort war 
hier "sign extension", also bei der Erweiterung von 24-bit auf 32-bit 
die zusätzlichen Bits mit dem höchstwertige Bit des Samples aufzufüllen. 
Das weiß Oliver S. natürlich alles und setzt es auch bei allen anderen 
als Grundwissen voraus ;-)

Dieser Code löst mein Problem:

1

int sample;

2

signed short out;

3

signed int negative;

4

5

sample = SPI1BUF;   // get sample data from I2S buffer (outputs 32 bits data)

6

7

negative = (sample & (1 << 23)) != 0; // check if MSB is set 

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if (negative)

10

  sample = sample | ~((1 << 24) - 1);  // extend sign bit to bits 24 - 31

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sample -= 0xFF91640;    // remove DC offset (in this case 0xFF91640)

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out = sample >> 6;  // remove lower 6 bits (unused) and cast to 16 bit signed int (note: the two most significant bits of the 18-bit sample data get lost here!)

Da diese Operation für jedes Sample in einem Interrupt durchgeführt 
wird, würde ich die gerne so effizient wie möglich durchführen. Gibt es 
da noch Optimierungspotenzial?

Danke & Gruß
Daniel

Moin,

Daniel P. schrieb:
> 2) um das DC-Offset zu entfernen (nehmen wir mal an F91FC0 ist der
> Output des Mikrophons bei vollständiger Stille), kann ich das einfach
> per Subtraktion vom Sample entfernen?

Kannste natuerlich machen, aber wenn du das so machst, und im Datenblatt 
des Mikros steht nicht explizit drinnen: "Der Offset ist immer F91FC0", 
dann wird der auch irgendwann mal anders sein (Anderes Mikro, andere 
Temperatur, andere Schuhgroesse,...).

Da waer's wohl sinnvoller, einen Hochpass mit niedriger Grenzfrequenz 
einzubauen, der dann den Offset sicher entfernt, egal wie gross der 
grad' ist. So aehnlich wie ein Koppelkondensator in der Analogtechnik.

Gruss
WK

Hallo zusammen,
ich würde gerne noch einmal den Vorschlag des digitalen High-Pass 
Filters aufgreifen, um das DC-Offset loszuwerden.
Verwendet wird ein PIC32MX150F128B, der mit 48 MHz getaktet ist. Es gibt 
also keine dedizierte DSP-Hardware. Da ich die Berechnung des Filters 
sowie die Konvertierung in 16-Bit Samples innerhalb eines Interrupts 
ausführen muss, sollte das ganze möglichst Effizient ablaufen.
Ein digitaler DC-Blocker kann ja bekanntlich über eine einfache 
Differenzengleichung implementiert werden:

1

  y = x - xm1 + R * ym1;

2

  xm1 = x;

3

  ym1 = y;

(z.B. https://ccrma.stanford.edu/~jos/fp/DC_Blocker.html)

Dabei sind:

1

x  - aktuelles Input-Sample 

2

y  - aktuelles Output-Sample 

3

xm1 – letztes Input-Sample 

4

ym1 – letztes Output-Sample 

5

R – Filterparameter (0.995 scheint hier ein üblicher Wert zu sein)

Mit der Information, dass vom Mikrophon nur 18 Nutzbits ausgegeben 
werden, würde ich natürlich versuchen die gesamte Berechnung in maximal 
32-Bit durchzuführen. Mein bisheriger Ansatz dazu sieht so aus:

1

int sample,y,ym1,xm1;

2

signed short out;

3

signed int negative;

4

5

sample >>= 6;  // ungenutze niederwertige Bits entfernen

6

negative = (sample & (1 << 17)) != 0;   // prüfen, ob höchstwertiges Bit gesetzt ist 

7

if (negative)  

8

      sample = sample | ~((1 << 18) - 1);  // “sign extension” für Bits 18 – 31

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// mit ~0.995 multiplizieren (1019/1024 = 0.995117)

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ym1 *= 1019;

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ym1 >>= 10;

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y = sample – xm1 + ym1;

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xm1 = sample;

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ym1 = y;

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out = (signed short) y;  // cast zu 16-Bit integer

Was meint ihr, ist das ein sinnvoller Ansatz oder seht ihr noch 
Optimierungspotenzial?
Ich arbeite gerade noch an der Infrastruktur, um das ganze mit realen 
Daten zu testen/simulieren zu können, d.h. ich muss mich vorerst auf 
Trockenübungen beschränken. Feedback daher sehr willkommen.

Danke & Gruß
Daniel

Daniel P. schrieb:
> Trockenübungen

Du kannst das doch simulieren. Füttere deine Funktion mit simulierten 
Daten und schaue ob die sich richtig verhält. Das kannst du gut auf dem 
PC machen.

Daniel P. schrieb:
> // mit ~0.995 multiplizieren (1019/1024 = 0.995117)
> ym1 *= 1019;
> ym1 >>= 10;

Hallo Daniel,
die Multiplikation (Zeile 10..12) würde ich durch folgendes ersetzen:
ym1 -=ym1>>8;

Erklärung: 0,995 = 1 - 0,005 ~ 1 - 5/1000 ~ 1 - 4/1024 ~ 1 - 1/256 = 
0,9961

Mit dem Faktor 0,9961 machst Du auch nichts falsch, aber so geht es auch 
ohne die Multiplikation...

So gehts' auch ohne Multiplikation
x*(1019/1024) = x-x*5/1024 = x-(x*4+x)/1024 = x-((x<<2+x)>>10)

DC Blocker auch hier, Kap. 13.23
https://www.mikrocontroller.net/attachment/341426/Understanding_digital_signal_processing.pdf

Lass den Compiler die sign extension machen, der wird seinen 
Zielassembler schon kennen:
samplesignextended = ((int32_t)((uint32_t)(sample<<(31-23))))>>(31-17)

C rulez!
Cheers
Detlef

Ich bin begeistert, vielen Dank für die Tips!

@Wolfgang, Detlef: Eure Vorschläge sind klasse, damit wird das noch ein 
ganzes Stück effizienter. Ich denke, ich werde die Variante ym1 
-=ym1>>8; weiter verfolgen, denn damit kann ich - wie weiter oben von 
Maxe bereits empfohlen - die Samples zunächst linksbündig ausrichten, 
ohne die Gefahr eines Überlaufs durch Multiplikation.

Ich habe mir ein kleine Programm geschrieben, das die Filter auf eine 
Wav-Datei anwendet und habe dazu Samples mit meiner Hardware 
aufgenommen. Test erfolgreich!
Das I²S Mikrophon (SPH0645LM4H) hat nach dem Powerup ein DC-Offset, 
welches sich über ca. 1-4 Sekunden auf sein Minimum einpendelt. Der 
high-pass Filter löst dieses Problem sehr elegant (siehe Anhang, 
oben=Originaldaten, unten=gefiltert).

Danke auch für die DSP-Lektüre, sowas habe ich schon länger gesucht!

Gruß
Daniel

M. W. schrieb:
> Woher kommt der überhaupt?

Ich könnte mir vorstellen, dass alleine durch den Lötprozess bleibende 
mechanische Spannungen in das Sensorelement eingeprägt werden, die zu 
einem DC-Offset führen.
Sofern das Sensorelement nicht perfekt temperaturkompensiert ist, 
könnten auch thermische Einflüsse (ggf. sogar durch Eigenerwärmung) zu 
einem variablen DC-Offset führen.