filter_avr.rst

   1 Beacon RX
   2 =========
   3
   4 Main design
   5 -----------
   6
   7 We use a DRA886RX that receives the signal transmitted by the TX
   8 beacon. The output of this component is a digital signal that could be
   9 used to drive a buzze through a transistor. Doing this will be a
  10 punishment for our ears because if there is no signal, we will output
  11 a digital noise.
  12
  13 To detect the presence of the signal, we will use a microcontroler. It
  14 will have 2 modes:
  15
  16 - bypass mode: in this case, the input is copied on the output, there
  17   is no filtering.
  18 - filter mode: the microcontroler will apply some filters on the input
  19   signal and detect the square signal sent by the TX beacon. If it is
  20   detected, a pure square signal is transmitted on the output, else
  21   the output port stays to 0.
  22
  23 Filter details
  24 --------------
  25
  26 To detect a 500 Hz square signal, we could use a FFT... but the AVR is
  27 clearly too slow to do this in real time. So we decided to use 3
  28 filters (FIR) running in parallel on specific frequencies.  We know
  29 from its Fourier decomposition that a square signal is composed of
  30 odd-integer harmonic frequencies (of the form 2π(2k-1)f). The power of
  31 the first harmonic (n=3) is one third of the power of the fondamental
  32 frequency.
  33
  34 ::
  35
  36                +----------+       +----------+
  37                |          |       |          |
  38          +-----> fondamen.+-------> mean     +---------+
  39          |     | bandpass |       | filter   |         |
  40          |     |          |       |          |         |
  41          |     +----------+       +----------+         |
  42          |                                             |
  43          |                                             v
  44          |     +----------+       +----------+       +----------+
  45          |     |          |       |          |       | is it the|
  46   +------+-----> harm1    +-------> mean     +-------> signal we|
  47          |     | bandpass |       | fiter    |       | are looking
  48          |     |          |       |          |       | for ?    |
  49          |     +----------+       +----------+       +----------+
  50          |                                             ^
  51          |                                             |
  52          |     +----------+       +----------+         |
  53          |     |          |       |          |         |
  54          +-----> otherfreq+-------> mean     +---------+
  55                | bandpass |       | filter   |
  56                |          |       |          |
  57                +----------+       +----------+
  58
  59
  60 Generation of filter parameters
  61 -------------------------------
  62
  63 We use a python script and the pylab module. This module contains a
  64 function to generate the parameters of a simple low pass FIR from its
  65 cutoff frequency and its order. We added some code done by Matti
  66 Pastell found on the Internet to calculate the parameters of a
  67 bandpass filter.
  68
  69 The script is ``fir.py``. It generates a graph of the filters, and a
  70 function to be copied in the AVR code. This function has the loop
  71 unrolled and all parameters in the code to enhance speed and memory
  72 consumption.
  73
  74 .. figure:: filter.png
  75    :width: 75%
  76
  77    Output of fir.py
  78
  79 The script assumes Fe=5Khz, Ffond=500hz, Fharm1=1500hz, Fother=850hz
  80 but this can be modified. The order of the filter is 32. Run the
  81 script as following::
  82
  83   python fir.py [filename]
  84
  85 Listen and view the result
  86 --------------------------
  87
  88 The code can be compiled on a host. Thanks to this, we can try the
  89 effect of the filter on a real audio input.  Four wav files have been
  90 generated. They are sampled at 5Khz 16 bits, but each sample is
  91 either -32768 or 32767, simulating a 1 bit sampling (like the output
  92 of the DRA886RX):
  93
  94 - tone.wav: the perfect tone at 500 hz
  95 - tone-lownoise.wav: the tone plus some noise
  96 - tone-highnoise.wav: the tone plus a lot of noise
  97 - noise.wav: only noise
  98
  99 These files are our reference test inputs.
 100
 101 Depending on how the code is compiled, it will use one of these files::
 102
 103   make H=1 WAV=WAV_TONE
 104   make H=1 WAV=WAV_TONE_LOWNOISE
 105   make H=1 WAV=WAV_TONE_HIGHNOISE
 106   make H=1 WAV=WAV_NOISE
 107
 108 A script ``output_to_audio.py`` is used to display the result, and save
 109 the output of each filter (fond, harm1 and other) in a separate wave
 110 file.
 111
 112 In the figures below, the top graph represents the output power of
 113 each filter. In blue "fond1", in green "harm1" and in red "other". The
 114 bottom graph displays the output of the "signal detector". When the
 115 green line is 500, the signal is detected.
 116
 117 To generate the images, start ``gen-img.sh``.
 118
 119 .. figure:: tone.png
 120    :width: 75%
 121
 122    Filtering the pure tone
 123
 124 .. figure:: lownoise.png
 125    :width: 75%
 126
 127    Filtering the tone with some noise
 128
 129 .. figure:: highnoise.png
 130    :width: 75%
 131
 132    Filtering the tone wich a lot of noise
 133
 134 .. figure:: noise.png
 135    :width: 75%
 136
 137    Filtering pure noise
 138
 139 Performance Test
 140 ----------------
 141
 142 We can check that the program will run correctly on an AVR by using a
 143 simulator. We use an atmega128 on the simulator because ATtiny45 is
 144 not supported::
 145
 146   make
 147   simulavr -g -p 1234 -d atmega128 -F binary main.bin
 148
 149 Then launch gdb::
 150
 151   avr-gdb main.elf
 152   (gdb) target remote 127.0.0.1:1234
 153   Remote debugging using 127.0.0.1:1234
 154   0x00000000 in __vectors ()
 155   (gdb) b main
 156   (gdb) c
 157   Continuing.
 158   Breakpoint 1, main () at /home/zer0/projects/zavr/projects/fir/main.c:371
 159   371
 160    if ((pow_fond/3) > (pow_harm1/2) &&
 161
 162 Then add a breakpoint somewhere in the loop, and do several
 163 "cont". The simulator displays the cycle value each time we go in a
 164 breakpoint.
 165
 166 We measure between 450 and 750 cycles for one loop iteration, so it's
 167 large enough to have Fe=5Khz !