CelloEffects/Appli/Core/Src/audio_analysis.c

#include "audio_analysis.h"
#include "arm_math.h"
#include <math.h>
#include <string.h>

#define FFT_SIZE AUDIO_ANALYSIS_FFT_SIZE
#define NUM_BINS AUDIO_ANALYSIS_NUM_BINS

/* --- Capture en double buffer (ping-pong), ecrite depuis le chemin audio temps
 * reel, lue depuis la tache IHM. Un seul ecrivain, un seul lecteur : pas de verrou
 * necessaire, meme principe que la FIFO audio principale. --- */
static float    g_capture_buf[2][FFT_SIZE];
static uint32_t g_capture_fill_idx = 0;
static uint8_t  g_capture_write_buf = 0;
static volatile uint8_t g_capture_ready_buf = 0xFFU; /* 0xFF = aucun buffer complet en attente */

static bool g_analysis_enabled = false;

/* --- Fenetre precalculee (a l'init uniquement, jamais recalculee en boucle) --- */
static float g_hann_window[FFT_SIZE];

/* --- FFT reelle CMSIS-DSP : instance initialisee une fois, buffers de travail --- */
static arm_rfft_fast_instance_f32 g_rfft_instance;
static float g_fft_work[FFT_SIZE];   /* echantillons fenetres ; ecrase (scratch) par arm_rfft_fast_f32 */
static float g_fft_out[FFT_SIZE];    /* spectre complexe empaquete, format CMSIS (voir plus bas) */

static float g_magnitudes_db[NUM_BINS]; /* seule la moitie 0..Fe/2 est conservee */
static float g_peak_freq_hz = 0.0f;

static void AudioAnalysis_BuildTables(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < FFT_SIZE; i++)
    {
        /* Fenetre de Hann : reduit les fuites spectrales dues a la troncature du bloc. */
        g_hann_window[i] = 0.5f - 0.5f * cosf(2.0f * (float)M_PI * (float)i / (float)(FFT_SIZE - 1U));
    }
}

void AudioAnalysis_Init(void)
{
    memset(g_capture_buf, 0, sizeof(g_capture_buf));
    g_capture_fill_idx = 0;
    g_capture_write_buf = 0;
    g_capture_ready_buf = 0xFFU;
    g_analysis_enabled = false;

    memset(g_magnitudes_db, 0, sizeof(g_magnitudes_db));

    AudioAnalysis_BuildTables();
    arm_rfft_fast_init_f32(&g_rfft_instance, FFT_SIZE);
}

void AudioAnalysis_PushSample(float sample)
{
    if (!g_analysis_enabled)
    {
        return;
    }

    g_capture_buf[g_capture_write_buf][g_capture_fill_idx] = sample;
    g_capture_fill_idx++;

    if (g_capture_fill_idx >= FFT_SIZE)
    {
        g_capture_fill_idx = 0;
        g_capture_ready_buf = g_capture_write_buf;
        g_capture_write_buf = 1U - g_capture_write_buf;
    }
}

bool AudioAnalysis_Update(void)
{
    if (!g_analysis_enabled)
    {
        return false;
    }

    uint8_t ready = g_capture_ready_buf;
    if (ready == 0xFFU)
    {
        return false;
    }
    g_capture_ready_buf = 0xFFU;

    for (uint32_t i = 0; i < FFT_SIZE; i++)
    {
        g_fft_work[i] = g_capture_buf[ready][i] * g_hann_window[i];
    }

    /* arm_rfft_fast_f32 (forward, ifftFlag=0) empaquete le spectre d'un signal reel
     * en NUM_BINS paires {re,im}, sauf la premiere qui contient les deux seules
     * valeurs reelles (DC et Nyquist) : g_fft_out[0]=X[0] (DC), g_fft_out[1]=X[N/2]
     * (Nyquist, non utilise ici). Pour k=1..NUM_BINS-1 : re=g_fft_out[2k], im=g_fft_out[2k+1]. */
    arm_rfft_fast_f32(&g_rfft_instance, g_fft_work, g_fft_out, 0);

    /* Magnitude normalisee (une sinusoide plein-echelle donne ~0dB) puis convertie
     * en dB, avec un plancher pour eviter log(0). Destine a un affichage visuel,
     * pas a une mesure calibree. Seule la moitie 0..Fe/2 du spectre est conservee :
     * le spectre d'un signal reel est symetrique, la seconde moitie n'apporte rien. */
    /* Recherche du pic en meme temps que le calcul des magnitudes. Le bin 0 (continu,
     * 0Hz) est ignore : une composante DC ne doit pas etre rapportee comme "frequence
     * dominante". */
    uint32_t peak_bin = 1U;
    float peak_mag = 0.0f;

    for (uint32_t i = 0; i < NUM_BINS; i++)
    {
        float re = (i == 0U) ? g_fft_out[0] : g_fft_out[2U * i];
        float im = (i == 0U) ? 0.0f : g_fft_out[2U * i + 1U];
        float mag = sqrtf(re * re + im * im) / ((float)FFT_SIZE / 4.0f);

        if (i >= 1U && mag > peak_mag)
        {
            peak_mag = mag;
            peak_bin = i;
        }

        if (mag < 1.0e-6f)
        {
            mag = 1.0e-6f;
        }
        g_magnitudes_db[i] = 20.0f * log10f(mag);
    }

    g_peak_freq_hz = (float)peak_bin * (float)AUDIO_ANALYSIS_SAMPLE_RATE_HZ / (float)FFT_SIZE;

    return true;
}

const float *AudioAnalysis_GetMagnitudesDb(void)
{
    return g_magnitudes_db;
}

float AudioAnalysis_GetPeakFrequencyHz(void)
{
    return g_peak_freq_hz;
}

void AudioAnalysis_SetEnabled(bool enabled)
{
    if (enabled && !g_analysis_enabled)
    {
        /* Redemarre une capture propre a chaque activation. */
        g_capture_fill_idx = 0;
        g_capture_write_buf = 0;
        g_capture_ready_buf = 0xFFU;
    }
    g_analysis_enabled = enabled;
}

bool AudioAnalysis_IsEnabled(void)
{
    return g_analysis_enabled;
}