Funktionen im Notebook:

Diese Funktionen sind Bestandteil von my_Overlay_v2.py und dienen der Vereinfachung von Datenübertragung und Signalverarbeitung.

FormatChange(np.array)

Diese Funktion bereitet ein np.array so auf, dass es über den AXI-DMA an den Filter übertragen werden kann.
- Die Werte werden in 24-Bit-Integer konvertiert, entsprechend dem Format der Audiodatei. - Anschließend erfolgt eine Umwandlung in 32-Bit-Integer, da der AXI-DMA auf diese Datenbreite ausgelegt ist. - Die Daten werden in das Format uint32 angepasst, wie es für die Ein- und Ausgabepuffer erforderlich ist. - Als Ergebnis gibt die Funktion ein Array mit den konvertierten Werten zurück.

Diese Funktion wird innerhalb der Transmission verwendet.

Normierung(np.array)

Eine einfache Funktion welche Werte eines Arrays auf [-1.0, +1.0] normiert.
Diese Funktion wird innerhalb der Transmission verwendet.

Transmission(np.array, ip_buffer)

Diese Funktion übernimmt das Senden und Empfangen von Arrays über den AXI-DMA.
- Die Eingangsdaten werden zunächst mithilfe der Funktionen Normierung und Transmission in ein für den AXI-DMA geeignetes Format konvertiert. - Anschließend werden Input- und Outputbuffer über Pynq-Funktionen zugewiesen. Der Inputbuffer wird zusätzlich per Zero-Padding aufgefüllt. - Die vorbereiteten Eingangsdaten werden in den Inputbuffer geladen. - Der Sende- und Empfangskanal wird gestartet. Die Funktion wartet, bis alle Datenübertragungen abgeschlossen sind. - Es erfolgt eine Fehlerprüfung für beide Kanäle. - Die empfangenen Ausgangsdaten werden zurückgerechnet – Formatänderungen werden rückgängig gemacht und erneut normiert. - Abschließend werden Input- und Outputbuffer freigegeben - Die verarbeiteten Ausgangsdaten werden zurückgegeben.

Diese Funktion kann erst verwendet werden, nachdem der entsprechende AXI-DMA ausgewählt und initialisiert wurde.

Split2Packets(np.array, packet_size)

Diese Funktion unterteilt ein Array in kleinere Abschnitte mit definierter Größe.
Damit können Datensätze, die größer als der Puffer des Filters sind, in mehreren Schritten verarbeitet und gefiltert werden.

send2receive(Data_In)

Führt die Übertragungen für alle Teil-Arrays nacheinander aus.
Diese Funktion kann erst verwendet werden, nachdem der entsprechende AXI-DMA ausgewählt und initialisiert wurde.

read_wav(wav_path)

Hinweis: Diese Funktion wurde aus den Beispielen zu Audio aus den Pynq-Beispielen auf dem Board übernommen. Diese Funktion liest eine WAV-Datei ein und wandelt die Audiodaten in ein Format um, das weiterverarbeitet werden kann.
- Die Datei wird geöffnet, und es werden wichtige Informationen wie Anzahl der Frames, Kanäle, Abtastrate und Sample-Breite ausgelesen. - Die Audiodaten werden als Byte-Array geladen und in einen temporären Buffer einsortiert, der jedem Sample 4 Byte zuweist. - Die eigentlichen Audiodaten (z. B. 24-Bit = 3 Byte) werden an den Anfang jedes 4-Byte-Blocks kopiert. - Das Vorzeichen wird korrekt erweitert, sodass aus z. B. 24-Bit-Werten gültige 32-Bit-Werte entstehen. - Anschließend wird der Buffer als 32-Bit-Integer interpretiert und als mehrdimensionales Array zurückgegeben.

Die Funktion gibt zudem die Anzahl der Kanäle, die Abtastrate und die ursprüngliche Sample-Breite zurück.

save_to_24bit_wav(chan_l, chan_r, sample_rate, path)

Diese Funktion basiert auf read_wav.
Diese Funktion speichert zwei Audiokanäle (links und rechts) als 24-Bit-WAV-Datei.
- Die beiden Kanäle chan_l und chan_r werden zu einem Stereo-Array zusammengefügt. Erwartet wird, dass die Daten im Bereich [-1.0, 1.0] liegen (normalisierte Gleitkommazahlen). - Die Werte werden auf den gültigen Bereich begrenzt und anschließend in 24-Bit-Integer (als 32-Bit gespeichert) umgerechnet. - Die umgerechneten Integer-Werte werden in Bytes konvertiert, wobei nur die unteren 3 Byte (24 Bit) verwendet werden. - Anschließend wird die WAV-Datei im 24-Bit-Format erstellt: Stereo, 24 Bit, 48000 kHz - Die Rohdaten werden in die Datei geschrieben und die Datei gespeichert.

Diese Funktion ist besonders nützlich, um Audiodaten aus numpy-Arrays im professionellen 24-Bit-Format zu exportieren.

plot_simple_spectrum(frames, Fs, fft_size=2048, start=0)

Diese Funktion erstellt ein einfaches Frequenzspektrum für die beiden Audiokanäle eines Signals, um die Auswirkung der Filter veranschaulichen zu können. - Es wird ein Signalabschnitt mit der Länge fft_size ab der angegebenen Startposition aus den Audiodaten (frames) ausgewählt. - Die Funktion betrachtet maximal zwei Kanäle (links und rechts) und entfernt jeweils den Gleichanteil (DC-Offset) vom Signal. - Es wird eine schnelle Fouriertransformation (FFT) durchgeführt, um das Frequenzspektrum zu berechnen. - Die Amplituden werden logarithmisch in dB dargestellt und normalisiert auf den Maximalwert im betrachteten Abschnitt. - Das Spektrum beider Kanäle wird in einem Diagramm logarithmisch auf der Frequenzachse dargestellt (x-Achse: 20 Hz bis Fs/2, y-Achse: −80 dB bis 0 dB). - Die Darstellung erfolgt farbig und halbtransparent zur besseren Unterscheidung der Kanäle. - Die Funktion zeigt das fertige Spektrum direkt an, inklusive Achsenbeschriftungen, Gitterlinien und Legende.

plot_audio(frames, num_frames, channels, Fs)

Hinweis: Diese Funktion wurde aus den Beispielen zu Audio aus den Pynq-Beispielen auf dem Board übernommen.
Diese Funktion stellt die Audiodaten im Zeitbereich dar, getrennt für jeden Kanal. - Für jeden vorhandenen Kanal (z. B. links und rechts) wird eine eigene Grafik erzeugt. - Auf der x-Achse wird die Zeit in Sekunden dargestellt, basierend auf der Anzahl der Frames und der Abtastrate Fs. - Auf der y-Achse wird die Amplitude des Signals dargestellt. - Die Funktion erzeugt ein Liniendiagramm für den kompletten Signalverlauf pro Kanal. - Die Darstellung enthält eine Gitterlinie zur besseren Lesbarkeit und wird direkt angezeigt.

Audio Aufnahme und Ausgabe über Pynq-Z2

Lautstärke und Input

Alle Funktionen zu den Audio Codec auf dem Pynq-Z2 lassen sich auf Docs » pynq Package » pynq.lib Package » pynq.lib.audio Module finden.

Mit set_volume() wird die Ausgangslautstärke eingestellt. Der Wertebereich reicht von 0 (−57 dB) bis 63 (+6 dB). Die Eingangslautstärke kann nicht geregelt werden und ist von der jeweiligen Signalquelle abhängig.
select_line_in() wählt den LINE_IN-Port auf dem Board als Audioeingang. Die Ausgabe erfolgt über den kombinierten Kopfhörer-/Mikrofonanschluss (HP+MIC).
select_microphone() wählt den MIC-Anschluss des Boards als Eingangsquelle. Dabei handelt es sich um einen Kombianschluss: Wird ein Headset angeschlossen, kann dessen Mikrofon als Eingang und die Kopfhörer als Ausgang verwendet werden. Sollten Ein- und Ausgang getrennt verwendet werden, ist ein entsprechender Splitter erforderlich.
play() gibt die aktuell im Puffer befindliche Audiodatei über den HP+MIC-Kombianschluss wieder.
load(file) lädt eine Audiodatei im .wav-Format in den internen Puffer. Die Datei sollte in 24-Bit bei 48 kHz Samplingrate vorliegen.
record(sec) zeichnet Audio über den Audiocontroller in den internen Puffer auf. Die Aufnahme erfolgt in 24-Bit bei einer Abtastrate von 48 kHz.
save(file) speichert den aktuellen Inhalt des Puffers als .wav-Datei.