Hallo :)
Wie im Titel schon angekündigt möchte ich ein Stimmgerät mit einem AVR
(vermutlich ein ATTiny) bauen. Das Problem ist nur die erkennung der
Grundwelle, also ein mathematisches Problem. Das Signal was der AVR
reinbekommt, sieht in z.b. so aus wie im Anhang. Die roten Markierungen
sind genau eine Periode (ca 12mS, 82Hz). Die Frage ist jetzt, wie kann
ich so ein Signal erkennen?
Das Gerät soll nachher nur "zu hoch" oder "zu tief" ausgeben, allerdings
von selber erkennen welche saite den gemeint war. Dazu müsste ich die
Frequenz der Grundwelle kennen, aber eine FFT ist mit den begrenzen
Ressourcen vermutlich nicht drin.
MfG Akkubohrer
Der Königsweg dazu ist per linearer Prädiktion. Die gibt Dir dann die
Grundfrequenz als Prädiktionsfehler aus.
Da gibts einen Algorithmus, der die Parameter itterativ bestimmt, der
könnte hier auch funktionieren.
Ach ja, falls Du nur ein Stimmgerät bauen willst, kannst Du auch einfach
das Signal heruntermischen.
Für jedes Sample x machst Du dann:
a=x*sin(2*pi*f*t)
b=x*cos(2*pi*f*t)
Und tiefpasst dann die Signale a und b. f ist die Frequenz die Du
suchst.
A und b kannst Du als Drehzeiger ansehen. Hat das Eingangssignal eine
Komponente bei f, so ändert sich sein Winkel nicht. Gibt es einen
Unterschied, so dreht sich der Zeiger in eine Richtung die vom
Vorzeichen des Unterschiedes abhängig ist. Wenn Du also den Winkel grob
bestimmst, kannst Du sehen ob er größer oder kleiner wird, oder gleich
bleibt.
Damit bestimmst Du aber nicht die Grundfrequenz, sondern nur einen
Anteil bei einer bestimmten Frequenz.
Hui das hört sich beides schonmal sehr interessant an, ich werde dieses
WE mal in diese Richtung recherchieren :)
Zur misch-methode: Kann man nicht einfach die Frequenz f solange
anpassen bis der Zeiger nicht mehr wandert und hat damit die gesuchte
Frequenz?
Es gibt schon Ansätze für FFT auf dem AVR (gidf), das sollte niocht das
Problem sein. Und zur Frage der Grundfrequenz: Sind Harmonische nicht
einfach vielfache der Grundfrequenz? -> Grundfrequenz = niedrigste freq.
in dem mischmasch...
Der Vorschlag mit dem mischen ist an sich nur ein herausfiltern einer
Frequenz. Dabei ist nicht sicher das man auch wirklich die Grundfrequenz
findet, und nicht eine Oberwelle. Auch muss man damit immer noch
probieren, und an sich ist das auch nicht mehr als die DFT für je eine
Frequenz.
So einfach ist das suchen der Grundfrequenz nicht. Die DFT ist da schon
ein guter Ansatz und auch mit einem µC noch zu machen, braucht aber
schon leicht etwas mehr RAM als ein Tiny.. bietet. Wegen des eher
begrenzten Speichers und damit geringen Sampelzahl ist aber die
Auflösung eher schlecht. Das reicht also nur um damit grob die
Frequenzen zu finden und dann die Grundfrequenz als kleinsten
gemeinsamen Teiler zu finden. Die Grundfrequenz selber muss im
Extremfall nicht einmal vorhanden sein. Für die genaue Bestimmung der
Frequenz braucht es dann aber noch eine andere Methode: mit einem groben
Schätzwert als Ausgangspunkt kann man dazu z.B. die Korrelationsfunktion
direkt berechnen, für 2 Blöcke (z.B. je 50 Punkte) mit etwas mehr
Abstand (z.B. ca. 100 ms).
Der Markt der Stimmgeräte wird praktisch nur von einer einzigen Firma
beherrscht. Schau dir ihre Patente an, öffne eines ihrer Geräte. Viel
ist da nicht drin bei dem Preis.
chris schrieb:> die Grundtöne
Es ist erstmal nur ein Grundton. Laut Kommentar im Audacity-Screenshot
liegt die Periodenzeit bei 12ms, also ist die Grundfrequenz 83,3Hz. Das
ist in etwa der Ton E in der zweiten Oktave unterm Kammerton A mit
440Hz.
mfg mf
Dann würde ich folgendes Verfahren vorschlagen:
1. Signal Tiefpassfiltern
( Beitrag "Grenzfrequenz digitaler Tiefpass" )
lässt sich sehr effizient mit Shift Operationen berechnen, gut für
Attiny
2. Nulldurchgänge des resultierenden Signals zur Bestimmung der
Periodendauer verwenden.
Das ist vielleicht nicht der übliche Weg in der Signalverarbeitung,
dürfte aber für den Attiny mit seinem kleinen Speicher und dem fehlenden
Multiplizierer am geeignetsten sein.
Hallo :)
Erstmal vielen Dank an die zahlreichen Helfer hier, super!
Die Frequenzen der gestimmten Gitarre werden
> 82,41 Hz> 110,0 Hz> 146,8 Hz> 196,0 Hz> 246,9 Hz> 329,6 Hz
sein. Ein einfacher Tiefpassfilter hilft da nicht, da z.b. die 3te
Oberwelle von 82,41 Hz genau 329,6Hz ist. Wenn ich jetzt die Frequenz
329,6Hz herausfiltere hilft das noch nicht wirklich weiter. Ein
Tiefpassfilter der alles über 400Hz abschneidet wäre zwar hilfreich ein
sauberes Signal zu bekommen, allerdings ist er alleine noch nicht die
Lösung. Aber der Filter ist ja ziemlich sparsam was Rechenoperationen
angeht, bei 20Mhz sollte das kein Problem sein.
WAV-File kann ich am Montag hochladen, im Augenblick befinde ich mich ca
100km von meinem Hauptrechner entfernt.
Könnte man nicht das Signal auf 1 Bit reduzieren um es paltzsparend zu
speichern und dann mittels Autokorrelation die Frequenz suchen? Oder
geht bei der Reduktion zuviel Information verloren?
MfG Akkubohrer
Ich wundere mich immer wieder, wie es Leute schaffen, sich für ein
Problem die ungünstigste Lösung zu suchen, obwohl deutlich bessere, aber
nicht wesentlich teurere Alternativen existieren. In diesem Fall:
dsPIC33EP64GP502: 28 Pins, gibts auch in DIL, kostet etwa 4-5 Euro in
Einzelstückzahlen, läuft mit 70 MHz Instruktions-Takt, hat spezielle
DSP-Erweiterungen, zwei 40-Bit Akkus, Bit-reverse und
Module-Adressierungsarten für FFT und ähnliches, flexiblere Peripherie,
12 Bit ADC.
Warum sich mit was schlechterem herumschlagen?
Die 44-Pin-Version von den Teil gibts für 4.95€ bei Reíchelt.
fchk
Frank K. schrieb:> Ich wundere mich immer wieder, wie es Leute schaffen, sich für ein> Problem die ungünstigste Lösung zu suchen, obwohl deutlich bessere, aber> nicht wesentlich teurere Alternativen existieren.
Ja, wobei man das natürlich genauso gut mit einem AVR machen kann,
wenn man bei diesem bleiben will. Für einen größeren AVR ist eine
FFT genauso wenig ein Problem wie für deinen dsPIC, Beispiele dafür
gibt's genügend. Warum man sich (sofern man nicht gerade 100000
Stück davon verkaufen will) dann unbedingt den allerkleinsten
Controller antun muss, ist mir auch nicht klar.
chris schrieb:> Das ganze auf einem Attiny13 ist aber eine schönere Herausforderung.
Ließe sich allerdings noch übertreffen, indem man versucht, es auf
einem ATtiny5 zu implementieren. =:-)
Jörg Wunsch schrieb:> Ließe sich allerdings noch übertreffen, indem man versucht, es auf> einem ATtiny5 zu implementieren. =:-)
[ironie]
Ja mit den üppigen 32 Byte RAM lässt sich das mit Sicherheit
implementieren.
[/ironie]
:)
Gruß Oliver
Hallo und tschuldigung für die Verspätung ;)
Hier das versprochene file. es muss ja kein ATTiny13 sein, das wäre
schon arg klein. Eher ein ATTiny85, das macht schon unglaubliche 512
Byte :)
Akkubohrer schrieb:> e-a-d-g-b-e.mp3
Super. Dir ist klar, dass es zig verschiedene MP3-Decoder da draußen
gibt und jeder davon eine andere Waveform generiert? MP3 ist _kein
verlustloses_ Kompressionsverfahren.
Stell dir vor, du lädst jeden, der hier mitschreibt, zu dir ein, er soll
ein Foto von deinem Auto machen. Naja, ist doch dasselbe Auto wirst du
sagen...
Kommt also ungefähr dasselbe bei raus. Grund ist, dass vielleicht noch
die Frequenzen des Signals richtig abgebildet werden können. Aber die
Phasenlage macht auch noch ihriges. Wir wollen ein unkomprimiertes oder
ein verlustfrei komprimiertes Signal!
mfg mf
>Super. Dir ist klar, dass es zig verschiedene MP3-Decoder da draußen>gibt und jeder davon eine andere Waveform generiert? MP3 ist _kein>verlustloses_ Kompressionsverfahren.
Eigentlich hätte ich gerne ein Wav-File gehabt. Aber Spektrum der MP3
Aufnahme dürfte nich so unterschiedlich sein.
Akkubohrer schrieb:> Es ist etwas groß und ich wollte nicht von Falk> einen auf den Deckel wegen der Dateigröße bekommen.
Nee, es sind ja nützliche Quelldaten zur Analyse. Vielleicht gibt es ja
ein Wavelet zum drüber falten, das das Ganze einfacher macht.
mfg mf
Ich werde mal dieses Wwochenende die ganzen Tipps versuchen umzusetzen
(erstmal in einem C-Demoprogramm, zwecks besserem Debugging), am meisten
Hoffnung habe ich noch für die Autokorrelation. Ich melde mich sobald es
Ergebnisse gibt :)
Bis hierhin schonmal vielen Dank an alle die mir bisher geholfen haben.
Klasse!
>Ich werde mal dieses Wwochenende die ganzen Tipps versuchen umzusetzen>(erstmal in einem C-Demoprogramm, zwecks besserem Debugging)
Du hast Recht, zuerst sollte man den Algorithmus offline entwickeln.
Allerdings wären meiner Meinung nach Matlab ( oder als Open Source
"Octave") besser geeignet.
In den Spektren der Signal fällt mir folgendes auf:
Beim niedrigen TonE ist ist die Grundfrequenz ( 82Hz ) um 20dB
schwächer als die Frequenz der ersten harmonischen ( 164 Hz ) und der
noch höheren Frequenzen. 20dB bedeutet, dass die Amplitude der gesuchten
Grundfrequenz um den Faktor 10 schwächer ist.
Das Verhältnis wird beim TonB deutlich besser.
Die Schwäche beim TonE könnte vielleicht aus dem Frequenzgang deines
Aufnahmegerätes resultieren.
Die Frage wäre, ob man für den TonE auch die erste harmische zum
"Stimmen" verwenden könnte.
Nach einigem Nachdenken sind mir noch ein paar Ideen zum Algorithmus
gekommen.
1. eine FFT ist nicht notwendig
Für die Maximumsbestimmung eines Peaks werden nur 3 Frequenzpunkte
benötigt: Ein Punkt genau auf der gesuchten Frequenz sowie jeweils ein
Punkt links und rechts daneben. Mit diesen 3 Punkten sollte sich durch
Interpolation das Maximum bestimmen lassen und damit auch die
Frequenzverschiebung.
2. Die drei Frequenzpunkte können mit dem Görtzel Algorithmus bestimmt
werden bzw. mit dem Verfahren welches weiter obeben beschrieben wurde (
das Heruntermischen ). Also: Multiplikation jedes Abtastwertes mit Sinus
und Cosinuns und daran angehängter Tiefpassfilterung und danach
geometrische Betragsbildung aus den beiden Werten.
3. Wie man im Spektrum sieht, wäre vor der AD-Wandlung ein guter
Tiefpassfilter vorteilhaft. Damit lassen sich die hochfrequenten
Harmonischen unterdrücken. Dann kann man mit der Abtastfreuqenz herunter
gehen und hat mehr Rechenzeit für die Signalverarbeitung.
signalform.png
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