Digital Signal Processing: เอฟเฟกต์กีตาร์ด้วย Arduino DUE

บทนำ

PedalSHIELD DUE คือเอฟเฟกต์กีตาร์โปรแกรมได้แบบ Open Source และ Open Hardware บน Arduino ที่สร้างมาให้มือกีตาร์, นักแฮ็ก, และโปรแกรมเมอร์โดยเฉพาะ น้องๆ สามารถเขียนเอฟเฟกต์ของตัวเองใน C/C++ ได้ หรือจะดาวน์โหลดเอฟเฟกต์สำเร็จรูปจากไลบรารีออนไลน์ก็ได้

มันถูกออกแบบมาให้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับเรียนรู้เรื่อง Digital Signal Processing, เอฟเฟกต์, ซินธิไซเซอร์ และการทดลองต่างๆ โดยไม่ต้องมีความรู้ลึกซึ้งด้านอิเล็กทรอนิกส์หรือการโปรแกรมก็เริ่มได้เลย

ตัวชิลด์ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก:

ส่วนอินพุตหรือพรีแอมป์ (Input Stage or Preamp): ทำหน้าที่ขยายสัญญาณจากกีตาร์ แล้วส่งต่อไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino เพื่อประมวลผล
บอร์ด Arduino: เป็นส่วนที่ทำการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นการปรับแต่งสัญญาณหรือเพิ่มเอฟเฟกต์ต่างๆ เช่นดีเลย์, อีโค้, ดิสทอร์ชัน, ควบคุมระดับเสียง
ส่วนเอาต์พุต (Output Stage): หลังจากที่รูปคลื่นถูกประมวลผลแล้ว สัญญาณจะถูกส่งออกจาก DAC ของ Arduino และเตรียมพร้อมเพื่อส่งไปยังแอมป์กีตาร์ ส่วนนี้ยังรวมถึง Summing Amplifier ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับเอฟเฟกต์แบบดีเลย์ เช่น อีโค้หรือคอรัส

ตัวชิลด์ถูกโปรแกรมด้วย C/C++ โดยใช้แพลตฟอร์ม Arduino มาตรฐานฟรีๆ (Linux/Windows/Mac) เครื่องมือและโปรแกรมทั้งหมดเป็นโอเพ่นซอร์สและเข้ากันได้กับไลบรารีของ Arduino

มาดูเรื่อง 12-bit DAC/ADC กัน

ความแรงของ Arduino DUE อยู่ที่แกน 32-bit ARM Cortex-M3 และความเร็วสัญญาณนาฬิกา 84 MHz ที่ทำให้ประมวลผลเสียงคุณภาพสูงได้ สิ่งที่เจ๋งมากคือมันมีตัวแปลงสัญญาณจริงๆ แบบ 12-bit ทั้ง ADC และ DAC ให้ระดับความละเอียดถึง 4096 ระดับสำหรับแสดงสัญญาณได้แม่นยำ นี่คืออัพเกรดที่สำคัญมากเมื่อเทียบกับบอร์ด Arduino มาตรฐานอย่าง UNO ที่มีแค่ 10-bit

เพื่อใช้ความสามารถนี้ให้เต็มที่ น้องต้องตั้งค่ารีโซลูชันในโค้ดให้ชัดเจน จะได้มั่นใจว่าไมโครคอนโทรลเลอร์อ่านค่าและส่งออกสัญญาณอะนาล็อกจากกีตาร์ได้ครบทุกช่วง ตั้งแต่เสียงเบาๆ ไปจนถึงเสียงดังสุดพลัง โดยมีสัญญาณรบกวนจากการแปลงให้น้อยที่สุด

// Configure the DUE for full 12-bit resolution
#define CPU_FREQ 84000000 
void setup() {
  analogReadResolution(12); // Set ADC resolution to 12 bits
  analogWriteResolution(12); // Set DAC resolution to 12 bits
}

void loop() {
  int guitarSignal = analogRead(A0); // Read 12-bit value from input stage
  
  // Apply a simple digital distortion effect (waveform clipping)
  int distortionSignal = constrain(guitarSignal * 3, 0, 4095);
  
  analogWrite(DAC0, distortionSignal); // Output processed 12-bit signal to Amplifier!
}

จัด Bias ให้สัญญาณอนาล็อก

สัญญาณจากกีตาร์เนี่ย มันเป็นสัญญาณกระแสสลับ (AC) ที่แกว่งไปมาทั้งบวกและลบรอบๆ จุดศูนย์กลาง (0V) แต่เจ้า ADC ของ Arduino มันอ่านค่าแรงดันที่เป็นบวกเท่านั้นนะ (บน DUE ก็จะอยู่ที่ 0V ถึง 3.3V) เลยต้องมีวงจร Bias แบบ DC ในสเตจอินพุตของ PedalSHIELD นี่แหละ มันจะเพิ่มแรงดันคงที่เข้าไป (ปกติคือ 1.65V ซึ่งก็คือครึ่งหนึ่งของ 3.3V) ให้กับสัญญาณกีตาร์ที่เข้ามา ทำให้สัญญาณ AC ทั้งหมดถูก "ยก" ขึ้นมาให้อยู่ในช่วงแรงดันบวกที่ ADC ของเราจะอ่านค่าได้อย่างแม่นยำ จากนั้นโค้ด DSP ใน Arduino ก็จะประมวลผลสัญญาณที่ถูก bias แล้วนี่แหละ สุดท้าย สเตจเอาต์พุตก็จะลบ DC bias ออกก่อนส่งสัญญาณ AC ที่ผ่านการประมวลผลแล้วไปยังแอมป์ของเรา ป้องกันเสียงฮัมหรือความเสียหายที่ไม่พึงประสงค์ได้

สถาปัตยกรรมของ Silicon Effects

แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ตัวนี้ออกแบบมาเพื่อทำ Real-time Audio DSP โดยเฉพาะเลย:

Arduino DUE (ห้ามใช้ UNO นะตัวนี้!): โปรเจคนี้สร้างขึ้นรอบ DUE เพราะมันมี DAC ขนาด 12-bit ที่จำเป็น, ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูง, และมี SRAM เพียงพอสำหรับจัดการบัฟเฟอร์เสียงที่เอฟเฟกต์อย่างดีเลย์หรือรีเวิร์บต้องการ**
แจ็คกีตาร์ 1/4" แบบ Mono: ให้การเชื่อมต่อที่มาตรฐานและแข็งแรงสำหรับเครื่องดนตรีและแอมป์ของคุณ
อาร์เรย์ Op-Amp บัฟเฟอร์ (TL072): ออปแอมป์ความต้านทานอินพุตสูงและสัญญาณรบกวนต่ำพวกนี้เป็นหัวใจของสเตจอนาล็อกอินพุตและเอาต์พุต มันทำให้แน่ใจว่าสัญญาณความต้านทานสูงจากกีตาร์จะถูกปรับสภาพให้เหมาะสมสำหรับ ADC และเอาต์พุตจาก DAC สามารถขับแอมป์ได้โดยไม่สูญเสียสัญญาณ