Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発

フィルタ/FFT/変復調まで！そのまま組み込めるオールイン・キットで信号処理プログラミング
(講義611分/288頁)

著者・講師：加藤隆志/Takashi Kato（株式会社ラジアン），山田浩之/Hiroyuki Yamada（Y-Logic）
企画編集・主催： ZEPエンジニアリング株式会社
1人当たり1ライセンスです

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購入前にご理解いただきたいこと

本VODは，2024年10月26日～27日に開催したウェビナを編集した動画です．繰り返し再生，一時停止，巻き戻しが可能です．

VOD製品に付属のキット/ソースコードほか

そのまま組み込んで使える！高信号処理性能を備えるハイスペック・オールインArmマイコン・キット “STM32H7 Nucleo”（STM32H747I-DISCO，Cortex M4，M7，DSP搭載，LCD，動作クロック480MHz，IMUセンサ，マイク入力ほか）
実験用スピーカ
講義動画
実験・開発用ソースコード
講義テキスト


写真1　配布キット．高パフォーマンスのオールインArmマイコン・キット“STM32H7 Nucleo”（STM32H747I-DISCO，Cortex M4，M7，DSP搭載，LCD，動作クロック480MHz，IMUセンサ，マイク入力ほか）

本セミナのゴール

基本的なディジタル通信方式を送信から受信まで実験する．実験は音声帯域で行うが，そのままRF帯域の無線通信に応用できる
エラー訂正の重要性を実施の通信実験で体験する

タッチパネルLCD搭載オールインキットでプログラマブル計測通信システムを作る

デュアル・コア$\times$470MHzのハイスペックCPU誕生

“STM32H7”（STマイクロエレクトロニクス製）は，Cortex M4，M7，DSPを内蔵する動作クロック480MHzのハイスペック・マイコンです．これまで，プロセッサやDSP，ペリフェラルICを組み合わせて作っていたアプリケーションをワンチップで実現できます．

STM32H7マイコンは，1000DMIPS超のCPU性能を備え，ディジタル変復調などの高度な信号処理も可能です．各種インターフェース，デュアル・コア，MIPIDSIのLCD出力など，今どきの組み込みデバイスに十分な機能をもちます．RFフロントエンドと組み合わせることで，広帯域なソフトウェア無線機を構築することも可能です．

STM32H747IDiscoveryKitは，STM32H7マイコンをはじめ，大型液晶ディスプレイやアナログ回路を搭載したオールインワン・キットです．組み込み製品が必要とする主な機能をすべて搭載しています．

本セミナでは，STM32H747IDiscoveryKitを一緒に動かしながら，音声帯域の信号処理（1日目）やディジタル無線通信（2日目）をテーマに，信号処理の基礎理論やプログラミング技術を学びます．〈山田浩之〉


写真2　グラフィック・ライブラリ“TouchGFX”を使うとオシロスコープやスペクトラム・アナライザが簡単に開発できる！

信号処理システム開発が変わる

現在のディジタル無線通信の主流は電話よりもデータ通信です．本セミナでは最も基本的なテキスト文の送受信を体験します．

ディジタル無線通信では，さまざまな信号処理を行うため，比較的大きなCPUパワーが要求されます．そこで，リアルタイム（低遅延）にテキスト分の送受信を行えるコントローラとしてSTM32H747を選択しました．

無線通信用の信号処理用マイクロコントーラとして利用できると考える理由は次のとおりです．

2コアを内蔵し，分散処理が可能である
- Cortex-M4：480MHz，SRAM 1Mバイト
- Cortex-M7：240MHz，SRAM 288Kバイト
DSPを搭載し，信号処理を劇的に高速化する命令セットを使える
- 浮動小数点演算OK
- 単精度および倍精度の浮動小数点演算が可能
- A-Dコンバータ：16ビット $\times$ 3チャネル
- D-Aコンバータ：12ビット $\times$ 2チャネル

ディジタル無線機のベースバンド信号処理も

ディジタル無線通信を理解するには，信号処理，数学，暗号化，サンプリング回路，ディジタル回路，高周波，マイクロ波など広範囲の知識が必要です．

アナログの時代は1人の技術者が無線システム全体を網羅することが可能でしたが，ディジタル通信の世界は裾野が広く，それぞれが深いため専門化が進んでいます．

セミナでは，ディジタル信号処理の部分に焦点を当てて，ソフトウェアだけで無線システム全体を網羅します．実験は音声帯域（20kHz以下）で行います．そのまま高周波に変換すれば，一般的なディジタル無線通信機を作れるレベルのものを目指しています．

これからディジタル無線関係の勉強を始める場合の最初に体験する実働ディジタル無線通信です．〈加藤隆志〉

演目（予定）

1日目　入門編　講師：山田浩之

セミナ概要とSTMの開発手順
- 1日目でできるもの
- セミナ用ファイル・セット
- 本講義で使用するSTM32H747の概要
- STM32H747I-DISCOについて
- STM32H7開発：開発ツールとパッケージの解説
LCDプロジェクトの作成
- TouchGFX Designer を使ってセミナ用録音・再生のGUIを新規作成する
- TouchGFXの操作の理解と波形（エンベロープ）表示の実装
- TouchGFXやSTM32CubeMX の STM32H747プロジェクトでBSPドライバをリンクする方法
- TouchGFX DesignerでGUIをデザインして，動作の実装をIDEで行い実際に動作を確認しているところを実演
- TouchGFXを使わないプロジェクトの作成方法
音声入力と波形表示の実装
- ボード上マイクを使った音声入力の実装
- TouchGFX を使った波形（エンベロープ）表示の実装
- TouchGFX DesingerやSTM32CubeMXのSTM32H747プロジェクトでBSPドライバをリンクする方法
- TouchGFX DesignerでGUIをデザインして，動作の実装をIDEで行い実際に動作を確認しているところを実演
FFTスペアナの実装とDSPライブラリ
- DSPライブラリの説明とSTM32マイコンからの使い方
- STM32H747I-DISCO のマイク入力をスペクトログラム表示する「簡易スペアナ」の実装
  - DSPライブラリを使用して実装する
- 実際に動作を確認
音声出力と録音再生の実装
- STM32H747I-DISCOにおける録音と再生の詳細を説明
- 録音したデータを再生する処理を追加して，録音～再生を完結させる
- 実際に動作を確認
FIRフィルタの実装
- DISCOボードでリアルタイムに動作するフィルタを実装
- FIRフィルタについての説明
- 窓関数法による FIRフィルタの設計方法と実装
- マイク，スピーカを使って音声帯域でフィルタの効果を確認
  - フィルタのパラメータを GUI で操作して係数計算
  - 窓関数の有無の確認
再生速度と周波数変換の実装
- DISCOボードでリアルタイムに動作する再生速度，周波数コンバータを実装
  - Overlap-Addによる
- Overlap-Addの解説
- コンバータの動作の説明
- マイク，スピーカを使って音声帯域でコンバータの効果を確認
ノイズ・フィルタの実装
- DISCOボードでリアルタイムに動作するノイズ除去フィルタを実装
  - スペクトル減算法による
  - FFT, IFFTを使って周波数空間上の処理を体感する
- スペクトル減算法の解説
- マイク，スピーカを使って音声帯域でフィルタの効果を確認
- フィルタの効果をスペクトログラム上で確認
- ノイズ・プロファイルをGUIで登録



基礎編（1日目）の動画サンプル

2日目　応用編　講師：加藤隆志

イントロダクションとシステム構成
- イントロダクション
- STM32H747I-DISCOと無線通信
- ボードとスピーカだけで無線通信実験
- H7無線機の構成
基本の変調方式QPSKと同期技術
- $\pi$/4QPSKの解説
- QPSKの改良型OQPSKと発展型
- QPSKは搬送波の周波数同期が必要
- QPSK Costas Loop
- シンボル位置をサーチ
- $\pi$/4QPSK復調：実際の波形
- $\pi$/4QPSK周波数誤差がある場合
フレーム構造とSyncword
- フレーム構造を決める
- Syncwordの解説
- Syncwordの選び方
ハミング・コード/デコードの解説
- ハミング・エンコード
- ハミング・デコード
- ハミング・デコード：エラー訂正，エラー訂正不可の例
データ暗号化や信号処理技術
- フレーム構造全体
- Payloadの暗号化
- Payloadの暗号化：Whitening
- Whitening（スペクトラム拡散）の効果
- Interleave方式① 時間軸方向に拡散させる
- Interleave方式② バースト妨害波に効果的
- Viterbi EncodeとViterbi Decode
- CRC(巡回冗長検査)
Root-Raised Cosine Filterの設計
- Root Raised Cosine Filter
- Root Raised Cosine Filter係数
- RRCのロールオフ率とは
送受信コード実装と波形観察
- TX/RFソースコード(Screen1View.cpp)
- 各ブロックから出力される波形：Inner Loop Back，Via Audio Loop Back
高機能無線機化のための接続方法とA-D・D-A利用
- 更に高機能な無線機に仕上げるには
- 本機をアナログ無線機に接続する場合の注意
- Codec経由でなくH7内蔵D-A，A-Dを使う場合