USBオーディオ出力を試す

Index

• 概要
  • USB Audio I/F
  • D級アンプ
  • スピーカーをつなぐ
• Windowsで USB Audio出力
  • 正弦波生成
  • ロジックアナライザで確認
  • 0.985倍の謎
  • ピークリミッタを無効に
  • I2Sの出力波形
• MacOSXで USB Audio出力
  • フィルタが掛かっている？
  • 出力レートの変更
• raspberryPiで USB Audio
  • 出力サンプルレートの変更
• まとめ
  • 参考

概要

• デジタルフィルタを、実際に作ってみたいと思ったんだけど、
• データをどうやって用意するかということで、ちょっと困った。

• 複雑な波形を生成するも、サンプリングするのも、やっぱり面倒なので、
• PCからデータを送信して、処理したいんだけど。

• 普通のUSBシリアル送信で、高速に大量のデータを送るのは、自分には難しい。
• うーん。USB接続のスピーカーってあるけど、あれはデジタル出力出来ないのかな？
• と思って探してみると、 デジットの USBオーディオインターフェイスキットっていうのがあった

• とりあえずUSB Audio出力で、どんなデータが出力されるのか調べてみた。

USB Audio I/F

• これは、USB接続で、I2S出力やSPDIF出力が出来る
• I2Sって、I2Cみたいなものかな〜と思っていたんだけど、調べてみると単なるシリアル出力みたい
• これって、なかなか都合が良いんじゃないかな。

• CN6ピン配置

• これは、キットなので、久々にハンダ付け。

D級アンプ

• ついでに、I2S入力のアンプとかないかな〜と探してみると、こんなのがあった。
• MAX98357A搭載 I2S 3W D級アンプボード

• SD_MODE端子は、内部100kΩでPullDown、外部で1MΩPullUpされているので、約0.45V（L+R）、
• さらに例えば680kΩPullUpで約0.99V（R）、180kΩ以下でPullUpすれば約1.98V以上になる（L）

• モノラルアンプなので、ステレオにするためには、２個必要になる。
• Adafruit_I2S_3W_ClassD_Amplifier_Breakout-MAX98357A
• MAX95357_datasheet

スピーカーをつなぐ

• USB Audio I/Fと、D級アンプ２個を、LRCLK,BCLK,DATAの３本で配線¹して、スピーカーを鳴らせるようにした。

• それにしても、D級アンプは凄い。かなり大きな音量で鳴らしても、全然発熱しない。
• 音楽を鳴らしている時の出力波形

• 無音時の出力波形

• 周波数は、300〜350kHzぐらいで、Dutyも微妙に変化しているが、
• 音楽が鳴っていても、無音でも波形では区別が付かない。。

• こんな波形なのに、スピーカーに直接接続して、
• フィルタレスで、ちゃんと聞こえるから不思議。

Windowsで USB Audio出力

• WindowsのUSBAudio出力が、どうなっているか調べてみる

正弦波生成

• サンプリング周波数44.1kHz、16bitで正弦波を生成する（dds16.c）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<math.h>

//１秒分のデータを生成
#define FREQ   (1000)
#define SAMPLE (44100)          //サンプリング周波数
#define N      (44100)          //サンプル数
#define MAX             32767           //16bit

int sin_table[N/4+1];

void make_table(void)
{
        int x;

        for (x=0; x<=N/4 ;x++)
          sin_table[x] = sin(2*M_PI/N*x)*MAX;
}

int sin_x(int x)
{
        int xx;

        xx = x%(N/4);
        if      (x < N/4*1) return sin_table[xx];
        else if (x < N/4*2) return sin_table[N/4-xx];
        else if (x < N/4*3) return -sin_table[xx];
        else return -sin_table[N/4-xx];
}

main( int argc, char *argv[] )
{
        int i, d, t=0;
        double f, s;

        f = FREQ;
        s = SAMPLE;
        make_table();
        if (argc>1)
          f = atof(argv[1]);

        d = f*N/s;

        for (i=0; i<s ;i++) {
                printf("%d\n",sin_x(t));
                t = (t+d)%N;
        }
}

ロジックアナライザで確認

• 1kHzのWAVファイルを作成して、Windows Media Playerで出力してみる
• txt2wavについては、 こちらを参照

  $ dds16 1000 > sin1000.dat
  $ txt2wav -44100 sin1000.dat
  

• Saleaeのロジックアナライザのプロトコル解析機能²を使って、I2Sのデータを読んでみた。
• I2Sの設定がいまいち分かりづらかったけど、以下のように設定したら読めた

• Analyzer Settings (I2S/PCM)
• CLOCK： BCK
• FRAME： LRCLK
• DATA ： DOUT
• DATA arrives MSB first
• DATA is valid (shuld be read) on the CLOCK rising edge
• 16 Bits/Word (Audio bit depth, bits/sample)
• FRAME signal transitions (changes state) twice each word.
• DATA bits are left-aligned with respect to FRAME edges
• Bits are right-shifted by one with respect to FRAME edges (I2S typical)
• Samples are signed (two's complement)
• Word select high is channel 2 (right) (I2S typical)

• Volumeを変えると、I2Sのデータ自体が小さくなる。
• 音を小さくすると、有効ビット数が減ってしまうことになるのか。。

0.985倍の謎

• CSVファイルとして、Exportも出来るので、元のWAVファイルの計算値と比較してみた
• Volumeを100%で出力して、I2SのDout値と、元ファイルの値（計算値）を比較した

• 100%で出力しているはずなのに、何故0.985倍になってしまうんだろう？
• ググって見る³と、 Windowsのピークリミッタの記事を見つけた。

• なるほど。ピーク制限しているのか。。

ピークリミッタを無効に

• Disable_Peak_Limiter_in_Windows_Audio_Engineというソフトで、ピークリミッタを無効に出来るらしい
• で、これを起動してから、もう一度やってみた

• 今度は、100%の値が出力されるようになった！
• でも、±1の雑音が乗っている。まぁこれは音のある部分だけではない。

I2Sの出力波形

• I2Sの出力を見ると、LRCLKとBCLKは常に出力されているが、BOUTは音が鳴っている時だけ出力される。
• ロジックアナライザで、BOUTの立ち上がりでトリガを掛けてデータを取っている
  • LRCLKはサンプリング周波数で44.08kHz⁴、BCLKは2.667MHzだった

• だが１秒の音なのに、約1040msの長さがある
• 音が開始する約12ms前から、雑音が入り始める。
  • 雑音は図の0〜12msの区間、実際の音データ出力は12msから始まる

• 音が終了してから、約28msの間は雑音が入っている。
  • 図の 12ms（1012ms）までが実際の音データの出力、それ以降 40ms（1040ms）まで雑音

• 雑音は±１だけしか入っていないので、Windowsによって人為的に入っているっぽい
• これは、例えばI2S入力のアンプが、サスペンド状態になっていた場合に、
• 音が鳴るより12ms前から信号が入ることで、回路を起動させるためにあるのかもしれない⁵

• まぁ実際±１の雑音とか0.985倍の処理とかは、音で聞く分には全く問題にならないレベルの話しだけど、
• 自分がやろうとしているいろいろな実験的には、データ確認がいちいち面倒⁶になってしまうなぁ。

• それから、リミッタを無効にすると、ちょっとWindowsが不安定になるようなので、注意。

MacOSXで USB Audio出力

• Mac Miniがあるので、そちらでもUSB Audio出力を試してみる

フィルタが掛かっている？

• Macから出力して、I2S信号を確認したら、ちょっと不可解なデータだった。
• 最初の立ち上がりが少し遅い。フィルタが掛かっているようにみえる

• MacOSXでは、デフォルトで48ks/sで出力されるらしい
• 波形の立ち上がりが遅いのは、サンプルレート変換されている所為か。。

出力レートの変更

• MacOSXでは、48ks/s出力が標準の様だ。
• どうやって設定するのか調べてみる

• アプリケーション/ユーティリティ/Audio MIDI設定.appを起動して、USB AUDIO DACを見ると、
• 2ch 16ビット整数48.0kHz になっているので、
• 2ch 16ビット整数44.1kHz に変更する

• 今度は、完全に一致した
• Windwosと違って、ピークリミッタも、変なノイズも無く、そのまま出力されている。

raspberryPiで USB Audio

• ではUnixから出力してみたい。でもレンタルサーバなので、現状、自宅にあるUnixマシンは、、
• ということで raspberryPi から出力してみる
• こちらの記事を参考に、というかそのままですが

• まず、接続前にオーディオデバイスの番号を確認する

$ cat /proc/asound/cards
 0 [ALSA           ]: bcm2835 - bcm2835 ALSA
                      bcm2835 ALSA

• USBに挿してみると、USB Audioとして、ちゃんと認識された

$ cat /proc/asound/cards
 0 [ALSA           ]: bcm2835 - bcm2835 ALSA
                      bcm2835 ALSA
 1 [DAC            ]: USB-Audio - USB AUDIO    DAC
                      BurrBrown from Texas Instruments USB AUDIO    DAC at usb-3f980000.usb-1.5, full

• 自分の環境

$ uname -a
Linux raspberrypi 4.4.34-v7+ #930 SMP Wed Nov 23 15:20:41 GMT 2016 armv7l GNU/Linux

• /usr/share/alsa/alsa.conf を変更して、rebootする

#
#  ALSA library configuration file
#

# pre-load the configuration files

@hooks [
  {
    func load
    files [
      {
        @func concat
        strings [
          { @func datadir }
          "/alsa.conf.d/"
        ]
      }
      "/etc/asound.conf"
#     "~/.asoundrc"             # コメントアウトする
    ]
    errors false
  }
]
：
：
#
defaults.ctl.card 1             # 0→1に変更
defaults.pcm.card 1             # 同上
defaults.pcm.device 0
defaults.pcm.subdevice -1
：
：

• aplayで再生

$ aplay sin1000.wav
再生中 WAVE 'sin1000.wav' : Signed 16 bit Little Endian, レート 44100 Hz, モノラル

• USBで出力された結果を見ると、48ks/sだった。。どうやらリサンプリングされているらしい。

出力サンプルレートの変更

• aplayの、rオプションで44100を指定してみたが、変わらず。

• /usr/share/alsa/alsa.confで、48000の記述を探して、44100に書き換えてみた

defaults.pcm.dmix.rate 44100

• rebootしてから、aplayで出力すると、今度はそのままのデータが出力された！
• まぁ、はじめから48ks/sのデータを出力すれば、デフォルトの設定でOKのはず

まとめ

• デジタルフィルタの実験のために、生成したデータをそのまま出力したい。
• USB Audioで、44.1ks/sのデータをそのまま出力することが出来るか、確かめてみたわけだけど、

• Windowsの場合、ピークリミッタが掛かってしまって、そのままの出力にはならない。
• ピークリミッタを無効にしても、何故か±１の雑音が載ってしまう

• 但し、自分の環境はWindows7なので、最新のWindows10だと状況は違う可能性もある

• MacOSXや、RaspberryPi（Unix）の場合、デフォルトでは、48ks/s出力になっているようだ。
• リサンプリングされるので、元のデータそのままとはいかない。

• でも、出力を44.1ks/sに設定すれば、そのままのデータが出力できるようだ。
• 元々が48ks/sのデータを出力すれば、デフォルト設定でもそのまま出力されるはず

• ということで何とか使えそうなことが分かったんだけど、いろいろ調べてみると、
• RaspberryPiは、 直接I2S出力が出来るらしい。その方が良いんじゃないかな

• でも、USB Audioは、いろんな環境でUSBケーブル１本で使えるのが便利だ。
• それなりの速度で、ほぼ途切れなく出力が出来る方法として使えると思う

• 長くなったので、これはこれで一旦、纏めておこうと思う。

参考

• 合成音声をUSBスピーカーから出力したい
• ラズベリーパイで、USBスピーカーを使う方法が参考になりました

• こういう USBスピーカーを分解して、そこからI2S信号取れないものだろうか。。
  • でも単にUSB電源のスピーカーというのもあるので、間違いないように！

• RaspberryPiで遊ぶ_音を鳴らす編
• 設定方法とか詳しい