スペクトルアナライザ - aroe's memopad

秋月300円液晶とCQ-FRK-LXP2を使ったスペクトルアナライザ

目標

• foobar2000のChannel Spectruml Analizerのような見た目のスペクトルアナライザを作る。
• フレームレートは60FPS程度目指す。これはFPGAの性能からしてものすごく余裕と思われる。
• 入力はアナログとSPDIF両方装備
• オシロ的な機能もできたらつける

処理の流れ

波形キャッシュ -> FFT -> スペクトル化 -> 画面描画

主要部材

液晶	秋月300円液晶
FPGA	LatticeXP2
ADC	PCM1804
DAI(オプション)	CS8416
SRAM	CY7C1041DV33

秋月300円液晶

• H96*W400px 18bit Color
• 色々うざい仕様
• 3.3Vでもいけるらしい

水晶振動器

44100Hzの整数倍の周波数で、PLLを使うために10MHz以上のものを選ぶ

• x256 = 11.289 MHz
  • HC49US11.2896MABJ-UB
• x364 = 17.022 MHz
• x512 = 22.579 MHz

CY7C1041DV33

• フレームバッファに使う
• 非同期SRAM
• 秋月で売ってる
• VCC=3.3V
• W/R Cycle 10ns
• 44pin SSOP
• 非同期
• 16bit word * 256K
• 入力ピンと出力ピンが共用
• WE~ LOW to High-Z: 5ns

ADC

• PCM1804 2ch 24bit 192KHz ADC
  • いらないサウンドボードからはがした
  • 明らかにオーバースペック。

処理

波形キャッシュ

• 1/44100 = 22.67[us]
• 44100/60 = 735

• 1024サンプル
  • 1024/44100 = 23.2[ms]
  • 基底周波数: 1/0.0232 = 43.066[Hz]

• 2048サンプル
  • 2048/44100 = 46.4[ms]
  • 基底周波数: 1/0.0464 = 21.533[Hz]

• 4096サンプル
  • 4096/44100 = 92.8[ms]
  • 基底周波数: 1/0.0928 = 10.766 [Hz]

1/60 = 16.6ms
縦96pxということを考えると量子化ビットは9bitあれば十分・・・・・・・なのかなぁ・・・

• 基数4FFT,基数2FFTに要するクロック

メモリの速度とかは考えない。200MHzで動作している状況を考える。

• 基数2 512 * 10 = 5120 /200MHz = 25.6us
• 基数4 256 * 5 = 1280 /200MHz = 6.4us

基数2でも十分早い。基数4でFFTやる必要は無いかも

Sine-Cosine Table

IP ExpressのSine-Cosine Tableはθの入力が1024までのIPしか出力できないので
より大きい値でFFTを行う場合自分で作成する必要がある。
Sine波は左右上下対象なので波形の1/4だけ用意すればいい。
後はθの変化にあわせて内部的に参照するアドレスを変化させる。

区間始め	区間終わり	θ変換	y
0	π/2	そのまま	そのまま
π/2	π	π-θ	そのまま
π	3π/2	そのまま	-y
3π/2	2π	2π-θ	-y

画面描画

VRAM

• 400*96[解像度] * 16[カラー] = 76,800 Byte

転送レート

• 76,8KB[画面] * 60[FPS] = 4,608KB

ドットクロック

もっとも効率よくVSyncとHSyncを入れれば画面一回更新するのに必要なクロックは
53993 Clock 60FPSだと * 60 = 3,239,580 なので ドットクロックは3.239MHzぐらい

512x128のVRAMを作成する

EBR RAMの割り振り

4096 point FFTで行う場合
FFT Compiler 5/9
FFT結果保存 2/9
波形キャッシュ 2/9