しゃべれ！H8！

H8で音声データを扱ってみよう

2003/JUN/10

たとえばWindowsで良く見るWAV形式ですが、ちょっとしたヘッダの後ろにA/D変換した結果がずらずら並んでいるだけです。そのままD/A変換すれば音声が再生できます。ってあまりに当たり前すぎるのでしょうか、あんまり製作例を見ないように思います。

無保証です。各自の責任においてお願いします。

ハードウェア

cpuボードはD/Aできるものであれば何でもいいのですが、8bits/sampleの圧縮なしでいきますので、一秒間に22KBとか11KBとか食います。ROMサイズと収録時間と相談してください。 RAM4KB機では、音声データを「えいやっ」とROMに焼いてから、ということになりますでしょうか。一方、2MB増設済の3069Fボードだとちょっとしたシンセ遊びもできそうです。

出力段はD/Aコンバータの出力をオーディオアンプに入れるだけです。LM386等のオペアンプ一発の奴が専用基板付で700円とかで売られています。お手軽、ウチにも何かの実験に使った奴が余っていたので、そのまま使いました。もちろんユニバーサル基板に組んでも可。どーせ積むなら４回路入りの奴にしとくと将来重宝するかも。別にf特がどうの、という世界ではありませんから、スピーカー駆動できる馬力があれば何でも可でしょう。逆にパルス性信号とか聞こえない高調波とかはたんまりでますので、、高価な再生システムは×です。

オーディオアンプの入力段には直流カットの電解コンデンサ(数uF程度)を忘れず入れておきます。 (ウチに転がってた奴には入っていませんでした) また、普通のオペアンプにとってはかなり入力電圧が高くなりますので、入力ボリュームと別に固定アッテネータをかますと使いやすいかもしれません。 (音声データをROMに焼いてしまうと、音量調整が外付けVRでしかできなくなります)

　　　　　　　　

こんな感じです。LM386のオーディオアンプに関してはあちこちに詳細な例がありますので(途中まで書いて^^;)省略。ステレオでいきたい、という方はDA1にも同様にアンプをつないでください。(そんな奴いねーよ^^;)

音声データを用意しよう

とりあえずのソースとしてはWAV形式をやってみます。データフォーマットは勝手にリンク等に詳しいので、WAV形式を解析して…と思っていたら、A/D後のデータをテキストアウトしてくれるツールは結構フリーである様です。

まっさきに目に付いた WaveGraph 2,1,0,3というのを使ってますが、勝手にリンクで配布されているspwave.exeとか高機能で楽しそうです。

またWAV以外の形式でも、生データが吸い出せれば同様ですし、WAV形式へのコンバータも多数発表されています。

H8でサンプリングしてみよう(計画中？)

近くにMacRecorderをお持ちの方がいない方のために。(おおうそ)
同様のオーディオアンプをA/D入力にいれればサンプリングも可能だと思いますが… きょうびサンプリング機能を持つ機械なんてゴロゴロしている(ウチのNotePCですらマイクジャックらしきものがついてるので可能かと…よくわかってない(^^;;)わけで、さらにデータをPCなりに吸い上げる手間考えると…あえてH8でサンプリングできるメリットがいまいち思いつかないんですよね。
いずれおもしろ半分でやるかもですが。

でWindows上にWAV形式があるとして

とにかくWaveGraph 2,1,0,3に食わせてテキストで吐かせて見ます。

LEFT BIT=16 : CHANNEL=1 22050 44100 7424 0.00004535147392290250 1002 905 604 21 -728 -1427 -1854 -1888 -1518 以下略

えっと、16bits/sampleで、モノラル(CHANNEL=1)左側(LEFT ただしモノラルなんで意味なし)、22kHzサンプリング(1データで0.00004535147392290250秒)で7424個の電圧データがあります、ということだそうです。実際の電圧データは1002から。

ちょろいじゃん。唯一の問題は
電圧データが、元データはいわゆるshort型で「-32768～無音(0)～32767」で表現されているのに対し、 8bitで片側にしかスピーカーを駆動できないアンプでは「0～無音(128)～255」で表現する必要があることです。

そんなツールがあるのかもしれませんし書くかも知れませんが、ここでは手で(^^;)

/****** LEFT BIT=16 : CHANNEL=1 22050 44100 7424 0.00004535147392290250 *****/ #define Scale (40000/128) #define Offset (128) long soundCount =7424; unsigned char sound[] = { 1002/Scale +Offset, 905/Scale +Offset, 604/Scale +Offset, 21/Scale +Offset, -728/Scale +Offset, 以下略};

とでもCソースの形に書き換えてしまいます(awkかsedかperlが使えれば簡単です)。Scaleはデータの中で絶対値最大のもので100～110位振るように決めます。(127めいっぱい振らせると直線性が悪く歪みそうな気がします)このデータでは-31000～26000程度でしたので、適当に40000で振り切るようにしてみました。

いよいよ22kB/secのデータができました。秋月さんの3067F/3068F/3069Fボードの様にRAMに展開できる機種では、単独でコンパイル･リンクしてRAM上に(後のプレーヤルーチンと当たらないアドレスに)配置しておきます。さらにRAMに余裕のある方は、生のshort型のままH8に展開し、8bit型への変換もH8でやる、という手もあります。「変換しながら再生」は…ギリギリ間に合うかなぁ…

ベアフット3048F/3052Fな方でRAMに展開はきびしい…と言う方はデバッガモニタとリンクしてROMに焼いておけ、ということですね。プレーヤルーチンはRAMで作っていくようおすすめします。

WAVプレーヤルーチン

いよいよ本題！と言っても45.3usごとにD/Aコンバータに叩きつけるだけなんで…
以下いずれも3067F/3068F/3069F(20MHz)版。合わない方は適宜変更してください。ヘッダは純正品です。

割込みなんもなし版
#define VECTOR ((void **)0xfffd30) speechNonIntr() { uchar *cp; long count; cp=sound; DA.CR.BIT.DAOE0=1; /*Enable DA CH0A */ itu1Init(0) ; ITU.TSTR.BIT.STR1=1; /*** Counter Starts */ for(count=0;count<soundCount;count++) { DA.DR0 = *cp++; while(!ITU.TISRA.BIT.IMFA1) ; ITU.TISRA.BIT.IMFA1 = 0; } DA.CR.BIT.DAOE0=0; /*Disable DA CH0A */ trapa(3); } itu1Init(int intrSW) { VECTOR[28]=(void *)itu1A; ITU1.TCR.BYTE = 0x20|0x00; /* 0:20MHz, 1:10MHz 2:5MHz 3:2.5Mhz */ ITU.TSTR.BIT.STR1=0; /*** Counter Stops */ ITU.TISRA.BIT.IMFA1 = 0; ITU.TISRA.BIT.IMIEA1 =intrSW; ITU1.GRA = 20000/22-1; /* 908**22kHz @20MHz*/ } void itu1A() { ITU.TISRA.BIT.IMFA1 = 0; return; }
とまぁなんとも味気ない(^^;)。ちょっときどって
ITUは割込み版
speechITUIntr() { uchar *cp; long count; cp=sound; DA.CR.BIT.DAOE0=1; /*Enable DA CH0A */ itu1Init(1) ; /*** 45usecごとにituで割り込んで、ハンドラルーチンで1バイト転送… のつもりでしたが、45usecごとの割り込みって日立デバッガ上ではギリギリきびしいんでしたっけ…ということで書いていません(^^;)。**/
ということでDMAC利用版
#define VECTOR ((void **)0xfffd30) speechDMAC() { uchar *cp; long count; cp=sound; DA.CR.BIT.DAOE0=1; /*Enable DA CH0A */ dmac0AInit(); itu1Init(1) ; ITU.TSTR.BIT.STR1=1; /*** Counter Starts */ while(DMAC0A.DTCR.BIT.DTE) ; /* She seems to be busy*/ DMAC0A.DTCR.BIT.DTE=1; /*startDMA*/ set_ccr(0); for(;;)sleep(); trapa(3); /*wont come*/ } dmac0AInit() { VECTOR[44]=(void *)dend0A; /*Only when completed*/ DMAC0A.MAR = (void *)sound; /*From*/ DMAC0A.IOAR = (uchar )&(DA.DR0); /*To*/ DMAC0A.ETCR = (ushort )soundCount; /*Counts*/ DMAC0A.DTCR.BIT.DTE=0; /*to read*/ DMAC0A.DTCR.BYTE=0x01; /*1byte at each ITU1AMatch*/ DMAC0A.DTCR.BIT.DTIE=1; /*IntrEnable*/ } itu1Init(int intrSW) { VECTOR[28]=(void *)itu1A; ITU1.TCR.BYTE = 0x20|0x00; /* 0:20MHz, 1:10MHz 2:5MHz 3:2.5Mhz */ ITU.TSTR.BIT.STR1=0; /*** Counter Stops */ ITU.TISRA.BIT.IMFA1 = 0; ITU.TISRA.BIT.IMIEA1 =intrSW; ITU1.GRA = 20000/22-1; /* 908**22kHz @20MHz*/ } void itu1A() { ITU.TISRA.BIT.IMFA1 = 0; return; } void dend0A { trapa(3); }
DMAC0AをI/Oモードで使っています。ITU1Aのコンペアマッチが発生するたびに１バイトを(ソフトの知らない間に)I/O空間に書き込んでくれます。ソースポインタは転送ごとに次に進みますが、デステネーションポインタは動きません。カウンタが16bitであることからわかるように、64KBを超える転送ではいったんcpuが介在する必要があります。

ちなみに前々から…putsRS232C()をDMA化したいと思ってはいるのですが…
	sprintf(charBuf,"Hello World!");
	putsRS232C(charBuf);
	return;
	
charBuf[]をローカルに取ると、returnで開放されてしまい、DMAを受ける前に破壊される可能性があります。また、グローバルに取ると、ここのsprintf()がDMA待ちのデータに上書きする危険性があります。結局、ローカルにsprintf()して、グローバルな送信バッファによいしょよいしょ転送する必要がありそうですが、めんどくさくてほってあります(^^;)。

で再生音質はどうよ

何を言っているのかはどうにか聞き取れます。というのはおおうそで、 PC等で再生するのと同じでしょう。ウチのNotePCの2cm角の圧電ブザーとみまごうばかりのスピーカーとでは完全にスピーカーの差がでます。

さて22kHzしか見てませんが…ちなみにデータを一個飛ばしにしたり、単純平均でニコイチにして 11kHzで再生してみると…安いボイスレコーダ特有のキンキンした感じが出ます。ただ昔Macのsndリソースとかは11kHzが当たり前だったような。で、そんなに悪くなかったような気がするので、(1)専用サンプリングレート変換ツール(2)入力CRフィルタの定数見直し…等で改善できるかもしれません。 (実験で22kHzを聞き慣れてしまったんでこの11kHzは悲しい…)

なるほどぉ。で何に使うんだ？

そ・そ・それは聞かない約束では… (^^;;;)

完全に話はそれますがディレイ系エフェクタ

もはやH8がどうのDMAがどうのと言う話ではないので、PC/Mac/UNIX上の優れたツールでやっていただければ良いのですが、実験としてはなかなか楽しいので紹介しておきます。

早い話、デイレイ(ちなみにディレイじゃなかったりする)というと、だいたい100-200ms程度遅らせて、減衰させた信号をもう一度再生すれば良いだけです。つまり電圧データsound[n]をd/aコンバータに送ったら
sound[n+DELAY] += (sound[n] *ATTENATION); /*たして行きますので振り切れないよう注意*/
としておけばおっけい。(ただしこのコーディングではコンコンコンコン…になります)
　　　　　でいれい

ワンショットデイレイ…カン・カン。文字通り一発だけ来ます。
エコーデイレイ…カン・カン・カン・カン…。
ピンポンデイレイ…一発目を左、二発目を右、と左右交互に振ります。まさにピンポン。
リバーブ…遅れ時間(間隔)を短く10発20発戻す(減衰量も滑らかに変化)と滑らかにもどってきます。一般に言う「エコー」
リフレクション…バンドパスフィルタを通した信号でデイレイを作ります。

で？いえつまり…もちろんビープ音ではデイレイ効果はわかりにくいのですけど、１秒級アニメ声ソロ(でたな^^;) だと「150ms後に1/4に減衰したやつを混ぜるワンショット」でリバーブに聞こえます。180msあたりになるとデイレイっぽくなります。また1/8減衰や1/16減衰でもドライと聞き比べれば明らかに効果は出てますが、単発で聞くとはっきりしません。

でさらに話はそれて

コーラス…周波数(位相もかな)をわずかにずらします。さらに周波数↓を左、周波数↑を右に振る(さらに左右の振り方が秒単位で変わる)のをステレオコーラスと言い、カラオケ機にはいってる「エコー」ではリバーブの手前に普通に入ってるみたいですね。
ディストーション…電圧レベルがある一定値を超えたら、そこで頭打ち(一定かわずかしか増加しないか) にします
ピッチシフタ…周波数(位相もかな)を大きく(?)ずらします。わずかにずらすのはコーラスと言うような。周波数2倍の信号を重ねるオクターバや同じく1.5倍の5thなどがあります。脅迫電話かける時に使うボイスチェンジャとかってこいつの親戚みたいですね。
レゾナンス…バンドパスの一種で特定の周波数(帯)をぐわっともちあげます
フランジャ…どうやって作るのか忘れました(^^;)。テープデッキの縁(フランジ)をグリグリ押して作った…のは昔の話。

問題点・注意点

はいろいろあるでしょうけど、

無信号時、D/A出力を2.5V出したままにしてよいか、という話があります。電力消費の点からは D/A自体disableが好ましいわけですが、enableと切替時に気をつけないと プツッが出ます。
音を出したいと思ったときにすでに再生中だった場合…キューを組めばいいのですけど
データフォーマットの問題…22kHzと11kHz混在して抱く場合とかは簡単なヘッダつけるといいですね。
繰り返し再生やアタックとループ形式対応
周波数をいじる系エフェクタも楽しそうですぞ
3048F/52Fで外付けメモリからのDMAはチップバグ注意です。

っつうわけで書いてみました。WAV形式⇒Cソースコンバータ(cygwinレジデントgcc版)

wav2c.c

/****************************
*** wav2c.c
****
* usage: cygwinShell>gcc -o wav2c wav2c.c
*        cygwinShell>./wav2c file1.wav [file2.wav...] > snd.c
*
*
* 03/AUG/17
*******************************/

#define Amp (220) // Amplitude max=256

#include <stdio.h>
typedef unsigned short  ushort;
typedef unsigned long	ulong;
typedef unsigned char	uchar;

#define BUFBUF 0x100000
uchar hdr[BUFBUF];
long  dat[BUFBUF];

main(int argc,char *av[])
{
	int	i;
	for(i=1;i<argc;i++)
		doIt(i,av[1]);
	return(0);
}

doIt(int num,char *file)
{
	int i,j,c,min,max,min2,max2;
	int chan,rate,bits,count;
	uchar *cp;
	short *sp;
	FILE *fpi;

fpi=fopen(file,"rb");
	if(fpi==(FILE *)NULL) {
		fprintf(stderr,"Cant open %s\n",file);
		return(-1);
	}
	i=fread(hdr,1,BUFBUF,fpi);
	fprintf(stderr,"Total %d bytes\n",i);

if(	(char2Long(hdr+0 )!=0x46464952)||
		(char2Long(hdr+8 )!=0x45564157)||
		(char2Long(hdr+12)!=0x20746d66)  ) {
		fprintf(stderr,"Not a WAV? %s\n",file);
		return(-2);
	}
	printf("/* Source : %s */\n",file);
	chan=char2Short(hdr+22) ; printf("/* Channels :  %d */\n",chan);
	rate =char2Long(hdr+24) ; printf("/* Rate :  %d */\n",rate);
	bits =char2Short(hdr+34);printf("/* Bits :  %d */\n",bits);
	fprintf(stderr,"chan=%d rate=%d bits=%d\n",chan,rate,bits);
	
	switch(rate) {
	case 44100 : rate=0x16; break;
	case 22050 : rate=0x14; break; 
	case 11025 : rate=0x12; break; 
	case 5512  : rate=0x10; break; 
	}
	for(i=36;i<58;i++) 
		if( (char2Short(hdr+i)==0x6164) && (char2Short(hdr+i+2)==0x6174)) break; //data
	if(i==58) {
		fprintf(stderr,"magic 'data' not Found %s\n",file);
		return(-3);
	}
	count=char2Long(hdr+i+4) ; printf("/* Count :  %d */\n",count);
	if(bits==16) count>>=1;
	if(chan==2)  count>>=1;
	
	cp=(uchar *)(hdr+i+8);
	 
	printf("\nconst unsigned char  SndHere%03d[] = {\n",num);
	printf("  'w', 'a', 'v', 'H',  /***Magic **/\n");
	printf(" 0x00,0x00,0x00,0x00,  /***Resrved **/\n");
	printf("    1, %3d,   8,   0,  /***chan/rate/bits/reserved **/\n",rate);
	printf(" 0x%02x,0x%02x,0x%02x,0x%02x,  /***count*/\n",
			(count>>24)&0xff, (count>>16)&0xff,(count>>8)&0xff,(count)&0xff);

if((bits==8)&&(chan==1)) {
		for(i=0;i<count;i++)  dat[i]=(ushort)cp[i]-0x80;
	}
	if((bits==8)&&(chan==2)) {
		for(i=0;i<count;i++) dat[i]=(short)cp[i*2]+(short)cp[i*2+1]-0x100;
	}

sp=(short *)cp;
	
	if((bits==16)&&(chan==1)) {
		for(i=0;i<count;i++)  dat[i]=sp[i];
	} /*OK?*/
	if((bits==16)&&(chan==2)) {
		for(i=0;i<count;i++)  dat[i]=sp[i*2]+sp[i*2+1];
	}
	
	
	min2=min=0x7fffffff;
	max2=max=0x80000000;
	for(i=0;i<count;i++) {
		if(dat[i]>max) max=dat[i];
		if(dat[i]<min) min=dat[i];
	}
	printf("/**** max=%d  min=%d ***/\n",max,min);
	for(i=0;i<count;i++) {
		c=(dat[i]-min)*Amp/(max-min)+(256-Amp)/2;
		/*c=dat[i]; */
		printf(" %3d," , c);
		if(c>max2) max2=c;
		if(c<min2) min2=c;
		if((i&0x07)==0x07) printf("   /** cnt %d */\n",i-7);
	}
	printf("  128 };" );
	printf("\n/**** max2=%d  min2=%d ***/\n",max2,min2);
/*	printf("\nmain(){}\n");*/
	fclose(fpi);
	return(0);
}

char2Long(uchar *cp)
{
	int  n;
	n  = (cp[3]<<24);
	n += (cp[2]<<16);
	n += (cp[1]<< 8);
	n += (cp[0]    );
	return(n);
}

char2Short(uchar *cp)
{
	int n;
	n  = (cp[1]<< 8);
	n += (cp[0]    );
	return(n);
}

win(cygwin)上にあるfile.wavからCソース形式へのコンバータです。自身はcygwinレジデントのgcc で動きます。
出力されたsnd.cは8bits*Mono形式で、(uchar配列の定義のみですから)まあ汎用です。
出力されたsnd.cは頭に簡単なヘッダ(16バイト)を抱いています。意味はソースを参照してください(^^;)
そのヘッダにワード/ロングワードアクセスするためには、偶数境界に乗っている必要がありますが、処理系によっては偶数アラインメントしてくれないかもしれません。適当に対応してください。
元のWAV形式もいろいろあって、手元にあった各種でひととおり動いてます。が、まだみたことないWAV形式があるかも知れません。
元がStereoの場合はL+Rを採用してます
いったんlong dat[i]に作り、最大/最小を求め、128±110程度に収まるように定数倍してます。 (一番単純な自動ボリューム調整)

dmac0AInit()　…3052F(25MHz)+wavH形式対応版
extern unsigned char SndHere001[]; dmac0AInit(int sw) { if(sw) { DA.DACR.BIT.DAOE0=1; DA.DASTCR.BIT.DASTE = 1; /* VECTOR[44]=(void *)dend0A; */ DMAC0A.MAR = (void *)(SndHere001+16); DMAC0A.ETCR = *(short *)(SndHere001+14); switch(SndHere001[9]) { case 0x16 : ITU1.GRA = 566; break; /* 25MHz/44.1k=566.89*/ case 0x14 : ITU1.GRA =1133; break; /* 22050Hz*/ case 0x12 : ITU1.GRA =2262; break; /* 11025Hz*/ case 0x10 : ITU1.GRA =4535; break; /*5.5kHz?*/ } DMAC0A.IOAR = (uchar )&(DA.DADR0); DMAC0A.DTCR.BIT.DTE=0; /*to read*/ DMAC0A.DTCR.BYTE=0x01; /*ITU1A*/ DMAC0A.DTCR.BIT.DTIE=0; /*IntrEnable*/ DMAC0A.DTCR.BIT.RPE=0; /*Repeat*/ DMAC0A.DTCR.BIT.DTE=1; /*startDMA*/ } else { while(DMAC0A.DTCR.BIT.DTE) ; DA.DACR.BIT.DAOE0=0; DA.DASTCR.BIT.DASTE = 0; DA.DADR0=0; ITU.TSTR.BIT.STR1=0; /*** Counter Stop! */ ITU1.TIER.BIT.IMIEA =0; } }

感想などは

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からどうぞ。
つっこみもやんわりとなら歓迎します。

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