Анализ временных программно-аппаратных задержек в схемах аудиомодулей с киберфизической SPICE-эмуляцией

Цели. Цель статьи – параметрический анализ влияния временных задержек в схемах киберфизической эмуляции сигнальных аудиомодулей, вносимых аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями программно-аппаратного интерфейса, центральным процессором и программной средой визуально-графической эмуляции (ВГЭ) в зависимости от выбранного протокола «ввода-вывода» данных и установленных преднастроек программного блока ВГЭ, таких как частота дискретизации, размер и время буфера, число каналов.
Методы. Применяются методы архитектурного SPICE1-моделирования электрических схем на программных платформах ВГЭ Simulink, в т.ч. с использованием ресурсов библиотеки Simscape, и LiveSPICE; методы интегрирования дифференциальных уравнений при численном анализе SPICE-моделей аналоговых схем; методы обработки экспериментальных данных киберфизической эмуляции с помощью встроенных средств среды Simulink и лабораторного радиоизмерительного оборудования.
Результаты. Предложен метод киберфизической SPICE-эмуляции аналоговых аудиоустройств. Получены результаты анализа формирования временных задержек в схемах сигнальных аудиомодулей с киберфизической эмуляцией при вариации преднастраиваемых параметров, влияющих на задержки сигналов, с применением двойников. Разработаны технические рекомендации выбора корректирующих параметров временных задержек от 20 до 120 мс для обеспечения постобработки аудиосигнала.
Выводы. Показано, что для часто используемого в аудиоинтерфейсной технике протокола «ввода-вывода» данных ASIO2 при тождественно установленных преднастройках программного блока ВГЭ (частота дискретизации 44.1 кГц, размер буфера 8) типовые функциональные узлы схем аудиомодулей с киберфизической эмуляцией, построенные в среде ВГЭ LiveSPICE, имеют наименьшие временные задержки 5 мс – для схемы прямого прохождения сигнала и 7 мс – в случае с киберфизической эмуляцией SPICE-схемы в отношении к их реализации в среде ВГЭ Simulink. Установлено, что обоснованно выбранными настройками при прак- тической реализации метода киберфизической эмуляции SPICE-моделей являются: частота дискретиза- ции 44.1 кГц, размер буфера от 512 до 1024 семплов и протокол «ввода-вывода» данных ASIO.

1. Çilingiroğlu Uğur. Analog Integrated Circuit Design by Simulation: Techniques, Tools, and Methods. 1st ed. New York: McGraw-Hill; 2019. 576 p.

2. Anumba C.J., Akanmu A., Yuan X., Kan C. Cyber—physical systems development for construction applications. Front. Eng. Manag. 2021;8(1):72‒87. https://doi.org/10.1007/s42524-020-0130-4

3. Левченко Н.Р., Костин М.С. Стенд киберфизического прототипирования сигнальных аудиомодулей. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем («Радиоинфоком-2024»): Сборник научных статей по материалам VIII Международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2024. С. 507–511.

4. Левченко Н.Р. Плагин для киберфизического прототипирования сигнальных аудиомодулей. В сб.: Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты: Сборник трудов III Национальной научно-практической конференции. Москва. 2024. С. 344–350. https://elibrary.ru/omggfz

5. Левченко Н.Р. Программные интерфейсы передачи аудиоданных для киберфизического SPICE-сигнального прототипирования аудиомодулей. В сб.: Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты: Сборник трудов Национальной научно-практической конференции. Москва. 2023. С. 394–398. https://elibrary.ru/pbtjgd

6. Левченко Н.Р., Костин М.С. Киберфизическое прототипирование сигнальных аудиомодулей. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем («Радиоинфоком-2023»): Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2023. С. 347–350. https://www.elibrary.ru/oykued

7. Cordell B. Designing Audio Power Amplifiers. Routledge; 2019. 792 p.

8. Петленко Д.Б., Ярлыков А.Д., Бойков К.А. Аналого-цифровые преобразователи сигнальных аудиоинтерфейсов. М.: Реглет; 2023. 65 с.

9. Self D. Small Signal Audio Design: 4th ed. Focal Press; 2023. 846 p. https://doi.org/10.4324/9781003332985

10. Bennett C.L. Digital Audio Theory: A Practical Guide: 1st ed. Focal Press; 2020. 254 p. https://doi.org/10.4324/9780429297144

11. Steiglitz K. A Digital Signal Processing Primer: with Applications to Digital Audio and Computer Music. New York, USA: Dover Publications Inc.; 2020. 320 p.

12. Петленко Д.Б., Ярлыков А.Д., Бойков К.А. Цифровые методы секвенсорной эквализации аудиосигналов радиоакустических систем. М.: Реглет; 2023. 109 с.

13. Collins K. Studying Sound: A Theory and Practice of Sound Design. London, England: The MIT Press; 2020. 248 p.

14. Kamenov A. Digital Signal Processing for Audio Applications: 2nd ed. RecordingBlogs; 2014. 348 p.

15. Cipriani A., Giri M. Electronic Music and Sound Design: Theory and Practice with Max 8. V. 2. 3rd ed. ConTempoNet; 2020. 748 p.

16. Ковалгин Ю.А., Вахитов Ш.Я. Акустика. М.: Горячая линия – Телеком; 2022. 660 c.

17. Pirkle W.C. Designing Audio Effect Plugins in C++: for AAX, AU, and VST3 with DSP Theory: 2nd ed. New York, USA: Routledge; 2019. 704 p.

18. Геворский А.В., Костин М.С., Бойков К.А. Программно-архитектурная конфигурация многофункционального ADSP-модуля сигнального медиатестирования аудиоустройств. Russ. Technol. J. 2024;12(1):30–58. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-1-30-58

19. Oney W. Programming the Microsoft® Windows® Driver Model: 2nd ed. Microsoft Press; 2002. 880 p.

20. Yosifovich P. Windows Kernel Programming. Independently published; 2021. 461 p.