Spartan-3A スタータキット
〜サウンド〜
2007/04/25
シリアル受信ができるようになった． 実はもう夜12時に近いのだが，あとちょっとした時間でできそうなので， ついでにサウンドを鳴らしてみよう．
で，ユーザーガイドを読んでみたのだが， どうもサウンドの端子はAUD_LとAUD_Rがジャックに直結らしく， D/A変換などは無いようだ． つまりスピーカに対して，０と１のデジタル信号しか出力できない． これってどうやってアナログ出力を実現するんだ！？
いろいろ調べてみたところ，PWMという方法があるらしく， まあ簡単にいうと０と１を交互にパルスとして出力し，パルスの幅を調整することで， 「平均的に」アナログ出力を実現するようだ． たとえば０と１が半々で出力されるなら平均して0.5になり， １対３の割合で出力されるなら平均して0.75になる，という具合だ． これはモーターの制御などにも利用されるらしい． 実際にはパルスが高速に出力されるため，別の周波数成分が入ってしまうが， きっとそういう周波数成分は人間の可聴範囲やスピーカーの有効周波数範囲よりも ずっと高くなってしまうのでフィルタされてしまい，とくに問題無いのだろう．
※ (2007/05/09追記)Interfaceの2005/05号にPWM変調について書いてある．
人間の可聴範囲はたしか4kHzくらい〜40kHzくらいだったような気がする． まず音を出すためには， このへんの適当な周波数で正弦波を作ってやらなければならない． で，さらにPWM出力するために，もっと高い周波数でサンプリングし， 正弦波の振幅に合わせてパルス出力してやらなければならない．
で，書いたのがこんな感じ．
音声として正弦波を作成する． これはスライドスイッチの状態を見て周波数が変化する． 一番低い音の場合はスライドスイッチをすべてONにした場合で， sin_period の値は 16'b0000011110000000 == 1920 となり， 50MHz ／ 1920 ／ 8 ＝ 約3.3kHz となる． 一番高い音の場合はスライドスイッチの左端のみONにした場合で， sin_period の値は 16'b0000000010000000 == 128 となり， 50MHz ／ 128 ／ 8 ＝ 約49kHz となる． 可聴範囲からちょっと外れている感じだろうか． ちなみに正弦波は８箇所でサンプリングしている． サンプリング定理によれば，最低でも２倍の周波数でサンプリング しなければならないが，８倍(８箇所)でサンプリングしているのでこれで十分．
PWM出力のパルスは，そのときの音声の振幅に合わせて5MHzで出力される． これは振幅の値からパルス列のパターンに変換し， 5MHzでシフトしながら出力することで実現している． 実際には下ボタンを押している間だけ，出力される． 出力はステレオ(右も左も同じものを出力するだけ)になっている． ユーザーガイドによると，モノラルの場合にはAUD_Rはハイインピーダンスにすべき らしい(AUD_Lの出力が流れ込んでしまうからだろう)ので注意．
アンプつきステレオスピーカーを接続する． で，下ボタンを押すことで音が出た．
まず，スライドスイッチを0001の状態で下ボタン押下でサウンド出力． スピーカーからはろくに音が出ない．計算上は49kHzの音声なので，可聴範囲外か？
スライドスイッチを0111の状態で下ボタン押下でサウンド出力． スピーカーからは音が出た．計算上は約7kHzだが，けっこう高い音が出ている．
スライドスイッチを1111の状態で下ボタン押下でサウンド出力． スピーカーからは音が出た．計算上は3.3kHz．けっこう高い音が出ている．
う〜ん，いちおう音は出ているのだけど， なんかやたら高い音が出ている気がする． なんか実装がおかしい？