DIY микрофон i2s для Raspberry Pi с компрессором, лимитером, фильтрами НЧ и ВЧ и даже «голосом Буратино» на Teensy 3.6.

В детстве я часами зависал у витрины музыкального магазина на Нижней Масловке: меня гипнотизировали чехословацкие и болгарские гитары, синтезаторы Поливокс, электроорганы, акустические колонки, наушники, микрофоны и катушечные магнитофоны. В музыкальном магазине была особая аура, пусть с запахом скрипичной канифоли и рояльного лака. Разумеется, меня зачаровывали электрогитары (и не только из-за сверкающих звукоснимателей и тяжелой колковой механики, целлулоидных вставок), многочисленные гитарные педали — тогда еще наука музыки не знала слова «гитарный процессор». Были педали-ящички фэйзеры, фланжеры, «исказители» и только-только появившиеся цифровые ревербераторы Лель. Цифровые устройства стоили баснословных денег, но обещали заманчивые дальние дали!

Наверное, любой мальчишка, пожирающий глазами музыкальные витрины, мечтает подключить микрофон к усилителю, пропустить звук через загадочный ящик с цифровыми микросхемами и напевать то голосом Карабаса-Барабаса, то Буратино.

Прошли годы, я уже не посещаю музыкальные магазины, но… Когда на авито я увидел микроконтроллер Teensy, меня накрыла мощная волна ностальгии!

А так как мой домашний компьютер это Raspberry Pi 4, как известно, без микрофонного входа, то музыкальные эльфы и феи подсказали мне идею сделать цифровой микрофон на микроконтроллере… с древними эффектами.

Teensy очень удобный микроконтроллер для музыканта: много памяти, хорошо структурированная аудио библиотека, даже некий графический интерфейс для автоматизации.

Итак, после двух-трех дней изучения форума Teensy, я наконец-то написал первую программу для цифрового микрофона. Да, с возможностью включить фланжер, ревербератор, фильтры НЧ и ВЧ, светодиодами, мигающими разноцветными огнями (пиковые индикаторы «под старину»). Как вишенка на торте — с собственным «генератором огибающей», что позволяет добиться, например, сустейна. Ох, сустейн, сладкое словечко моей юности!

Ниже я привожу код для IDE Arduino микрофона для Raspberry Pi и не только. Хотя это 16-битный микрофон, звук у него неплохой.

#include <Audio.h>
#include <Wire.h>
#include <SPI.h>
// Переменные для фланжера, если он нужен
// #define FLANGE_DELAY_LENGTH (8*AUDIO_BLOCK_SAMPLES)
// short delayline[FLANGE_DELAY_LENGTH];
// int s_idx = FLANGE_DELAY_LENGTH/8;
// int s_depth = FLANGE_DELAY_LENGTH/8;
// double s_freq = .0625;
// Настройка эффекта "granular", например, "голос Буратино"
// #define GRANULAR_MEMORY_SIZE 12800 // 290 ms 44.1 kHz
// int16_t granularMemory[GRANULAR_MEMORY_SIZE];
// Объявляем функции лимитера-компрессора
	void envelope_setup();
	void envelope_trigger();
	void envelope_limiter();
// На указанные pin's заведены двухцветные светодиоды
byte ledFFT1 = 36;
byte ledFFT2 = 37;
byte ledPeak = 18;
byte ledRMS = 19;
// Подключение микрофона i2s. В данном случае это микрофон INMP441
AudioInputI2S i2s;
// Фильтры.
AudioFilterBiquad biquad;
AudioFilterStateVariable filter;
// Пиковые индикаторы, Фурье и прочее
AudioAnalyzePeak peak;
AudioAnalyzeRMS RMS;
AudioAnalyzeFFT256 FFT;
// Усилители.
AudioAmplifier ampFFT;
AudioAmplifier ampRMS;
AudioAmplifier ampPEAK;
AudioAmplifier ampOut;
AudioAmplifier bypass;
// Выход USB
AudioOutputUSB usbOut;
// Микшер на четыре канала
AudioMixer4 mixer;
// Генераторы: белый и розовый шумы
AudioSynthNoisePink pink;
AudioSynthNoiseWhite noise;
// Огибающая.
AudioEffectEnvelope envelope;
// Ревербератор, фланжер и т.д.
// AudioEffectFreeverb freeverb;
// AudioEffectGranular granular;
// AudioEffectFlange flange;
// Усилители для настройки индикаторов
AudioConnection out0(biquad, ampPEAK);
AudioConnection out1(ampOut, ampRMS);
AudioConnection out2(ampOut, ampFFT);
// Индикаторы FFT, RMS-peak
AudioConnection indRMS(ampRMS, RMS);
AudioConnection indFFT(ampFFT, FFT);
AudioConnection indPeak(ampPEAK, peak);
// Выход микрофона, фильтрация ВЧ, НЧ
AudioConnection micL(i2s, 0, filter, 0);
// Для правого канала
// AudioConnection micR(i2s, 1, filter, 0);
// Фильтрация
AudioConnection filterIn(filter, 2, biquad, 0);
// Подключаем устройства
AudioConnection pc0(biquad, bypass);
// Лимитер или компрессор.
AudioConnection pc3(biquad, envelope);
// Для "granular"
// AudioConnection pc3(biquad, granular);
// Микшер
AudioConnection mixIn0(bypass, 0, mixer, 0);
AudioConnection mixIn1(envelope, 0, mixer, 1);
// Генераторы шума, подключаемые к микшеру.
AudioConnection mixIn2(noise, 0, mixer, 2);
AudioConnection mixIn3(pink, 0, mixer, 3);
// Выход микшера на усилитель
AudioConnection ampIn(mixer, ampOut);
// Выход на USB. Правый и левый каналы
AudioConnection usbL(ampOut, 0, usbOut, 0);
AudioConnection usbR(ampOut, 0, usbOut, 1);
// Настройка индикаторов-светодиодов, Фурье
void fft_meter(const float fft) {
    if (fft > 0.50) {
        digitalWrite(ledFFT2, HIGH);
        digitalWrite(ledFFT1, LOW);
    } else {
        digitalWrite(ledFFT1, HIGH);
        digitalWrite(ledFFT2, LOW);
    }
    delay(fft*100);
}
// Светодиоды, RMS
void rms_meter(const float rms) {
    analogWrite(ledRMS, 0 + rms*100);
    for (int i; i < rms*100; i++) {
    }
    delay(rms*100);
}
void setup() {
// Инициализация светодиодов перегрузки и уровня
    pinMode(ledFFT1, OUTPUT);
    pinMode(ledFFT2, OUTPUT);
    pinMode(ledPeak, OUTPUT);
    pinMode(ledRMS, OUTPUT);
    digitalWrite(ledFFT1, HIGH);
    digitalWrite(ledFFT2, HIGH);
    analogWrite(ledPeak, 0);
// Выделение памяти
    AudioMemory (320);
// Фильтры
    filter.frequency(60);
// Устанавливаем частоту среза фильтра
// Резонанс фильтра. Q от 0,7 до 5,0, если > 0,707 усилит сигнал около частоты
    filter.resonance(0.7);
// В октавах управляющий сигнал изменяеть частоту угла фильтра
// Диапазон от 0 до 7 октав
// Можно выбрать фильтры Butterworth или Linkwitz-Riley и др.
    filter.octaveControl(-0.5);
// Срезает все, что выше указанной частоты
// biquad.setHighpass(0, 80, 0.26);
// Срезает все, что ниже указанной частоты
// biquad.setBandpass(stage, frequency, Q);
// Полоса пропускания - разница между верхней и нижней частотами среза.
    biquad.setLowpass(0, 16000, 0.54);
// Режектор. Q контролирует ширину отклоняемых частот
    biquad.setNotch(0, 50, 0.3);
// Полочный фильтр нижних частот ослабляет или усиливает сигналы ниже указанной частоты.
// Частота управляет средней точкой наклона, усиление установлено в дБ
// Последний параметр управляет крутизной перехода усиления.
// Значение 1 дает максимальную крутизну
    biquad.setLowShelf(0, 60, -1.5, 0.54);
// Фильтр верхних частот ослабляет или усиливает сигналы выше указанной частоты.
    biquad.setHighShelf(0, 16000, -0.5, 0.25);
// Усилитель перед usb-выходом
// «Уровень» - любое число с плавающей запятой от 0 до 32767.0
// От 0 до 1.0 ослабляет сигнал, а выше 1.0 усиливает
// Отрицательные числа инвертируют сигнал
    ampOut.gain(5.5);
    bypass.gain(1.2);
    mixer.gain(0, 0);
// Индикация
    ampFFT.gain(4);
    ampRMS.gain(3);
    ampPEAK.gain(1);
// Микшер огибающей
    mixer.gain(1, 4);
// Каналы микшера розового или белого шума
// noise.amplitude(0);
// От 0 (off) до 1.0. По умолчанию выключено
    mixer.gain(2, 0);
    pink.amplitude(0.02);
    mixer.gain(3, 0.02);
// Включить ревербератор
// freeverb.roomsize(0);
// дампинг-фактор от 0 до 1.0
// freeverb.damping(1);
// Включить фланжер
// flange.begin(delayline,FLANGE_DELAY_LENGTH,s_idx,s_depth,s_freq);
// flange.voices(s_idx,s_depth,s_freq);
// Здесь можно встроить "granular" - сделать голос Буратино или наоборот
// granular.begin(granularMemory, GRANULAR_MEMORY_SIZE);
// granular.beginFreeze(grainLength);
// granular.beginPitchShift(grainLength);
// granular.stop();
}
elapsedMillis fps;
void loop() {
    float Peak = 0;
    float fft, rms;
// Светодиодные индикаторы
    if(fps > 24) {
        if (peak.available()) {
            fps = 0;
            Peak = peak.read();
            if (Peak >= 0.1) {
                envelope_limiter();
                peak_meter(Peak);
            } else envelope_trigger();
        }
    }

    if (FFT.available()) {
        fft = FFT.read(1,126);
        if (fft >= 0.1) {
            fft_meter(fft);
        }
    } else {
        digitalWrite(ledFFT1, HIGH);
        digitalWrite(ledFFT2, HIGH);
    }

    if (RMS.available()) {
        rms = RMS.read();
        if (rms >= 0.1) {
            rms_meter(rms);
        }
    } else {
        analogWrite(ledRMS, 255);
    }
}
// Включаем "granular"
// granular.beginPitchShift (32);
// granular.setSpeed(1.3);
// Настройка генератора огибающей
void envelope_setup() {
    if (!envelope.isActive() || !envelope.isSustain()) {
        envelope.noteOn();
        envelope.attack(0);
// Время удержания, по умолчанию 2,5 миллисекунды, макс. 11880 миллисекунд
// envelope.hold(milliseconds);
        envelope.decay(0);
// Время затухания, по умолчанию 35 миллисекунд, максимум 11880 миллисекунд
        envelope.sustain(0.3);
        envelope.release(600);
    }
}
void envelope_trigger() {
    if (!envelope.isActive() || !envelope.isSustain()) {
// Истина, если фильтр находится в любой из своих 6 фаз
// envelope.isActive();
// Истина, когда огибающая находится в фазе сустейна
// envelope.isSustain();
// Включаем генератор
        envelope.noteOn();
// Задержка от noteOn() до attack(), по умолчанию 0
// envelope.delay(0);
// Время атаки, по умолчанию 10,5 миллисекунды, макс. 11880 миллисекунд
        envelope.attack(0);
// Время удержания, по умолчанию 2,5 миллисекунды
        envelope.hold(1);
// Время затухания, по умолчанию 35 миллисекунд
        envelope.decay(1);
// Уровень сустейна. От 0 до 1,0
// Усиление будет поддерживаться после decay(), но до вызова noteOff()
// Фаза сустейна определяется вызовом release()
        envelope.sustain(0.8);
// Время спада, по умолчанию 300 миллисекунд
        envelope.release(200);
// Фаза отключения
        envelope.noteOff();
    }
}
void envelope_limiter() {
// Время спуска, огибающая передает сигнал
// 0 - отключение функции (без дополнительной задержки)
// По умолчанию 5 миллисекунд
    envelope.releaseNoteOn(5);
// Фаза отключения
    envelope.noteOff();
}