Bachelor's Thesis

Design and Implementation of a System for Long-Term Audio Recording

Final Thesis 3.46 MB Appendix 15.62 kB

Author of thesis: Bc. Lukáš Hrobák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the design and implementation of a system for autonomous long-term audio recording in natural environments. The theoretical part analyzes the field of long-term acoustic monitoring and surveys existing solutions. The hardware consists of a custom Hardware Attached on Top (HAT) module for the Raspberry Pi 5 platform, implementing a complete analog signal chain: an AOM-5024L-HD-R electret condenser microphone, a second-order MFB active anti-aliasing filter with an OPA2376 operational amplifier, a PCM1807 A/D converter with I2S digital output, and a dedicated low-noise power supply with an LC 𝜋-filter and LDO regulator. Hardware development proceeded iteratively across two board revisions. The software includes operating system configuration via a custom Device Tree overlay, a recording daemon with an adaptive event-based detection mechanism, and a PC application for processing and visualizing recorded audio files. System functionality was verified through a short-term field experiment.

Keywords:

Raspberry Pi 5, Audio HAT, PCM1807, I2S, OPA2376, electret microphone, event-based recording, adaptive thresholding, digital audio recording, acoustic monitoring

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky členů komise a oponenta: - Z jakého důvodu je signál z jednoho mikrofonu přiveden na oba vstupy A/D převodníku a jaké výhody či nevýhody toto řešení přináší? - Jakým způsobem může v navrženém audio řetězci vzniknout stejnosměrný offset signálu a jak by bylo možné jeho zdroj experimentálně identifikovat? - Jaká měření byste provedl pro objektivní stanovení parametrů kvality navrženého audio řetězce (např. SNR, THD+N nebo šumového pozadí)?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Audio Engineering (BPC-AUD)

Specialization

Audio Technology (AUDB-TECH)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D. (předseda)
MgA. Michal Indrák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D. (člen)
Ing. David Leitgeb (člen)
Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací zařízení pro dlouhodobý audiozáznam v terénu. Student v práci řeší návrh vlastního rozšiřujícího HAT modulu. S průběhem řešení práce jsem byl jako vedoucí spokojen. Student práci pravidelně konzultoval, komunikoval věcně a aktivně reflektoval připomínky i doporučení. Oceňuji zejména praktické zaměření práce, návrh a realizaci vlastního modulu, identifikaci problémů první revize desky a jejich zapracování do návrhu druhé revize. Práce tak dobře dokumentuje reálný iterativní vývoj elektronického zařízení, včetně návrhu hardwaru, oživení, softwarové konfigurace a základního ověření funkčnosti. Volba Raspberry byla součástí zadání, přestože tato platforma pro nízkoenergetický režim není vhodná.
Za slabší stránku práce považuji především omezený rozsah experimentálního ověření. Zařízení bylo otestováno pouze krátkodobě, a proto nebyla plně ověřena jeho spolehlivost při dlouhodobém venkovním provozu, zejména z hlediska stability, napájení, odolnosti vůči prostředí a praktické použitelnosti v cílové aplikaci. Rovněž nebyla fyzicky realizována a parametricky proměřena druhá revize desky, která představuje finální návrhové řešení. Toto však není studentova chyba, problém byl v procesu objednávky součástek. Grafy mají velmi malý font a nejsou dobře čitelné.
Cíle práce považuji za splněné. Student prokázal schopnost samostatně navrhnout, realizovat a otestovat komplexní hardwarově-softwarový systém. Práce má praktický přínos a tvoří vhodný základ pro navazující vývoj zařízení určeného pro dlouhodobý akustický monitoring v terénu. Práci doporučuji k obhajobě, 92/A. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Student Lukáš Hrobák zpracoval návrh vlastního hardwarového modulu pro platformu Raspberry Pi 5 včetně analogového zvukového řetězce, návrhu DPS, oživení prototypů a navazující softwarové části. Rozsah provedených prací považuji za nadstandardní a odpovídající požadavkům kladeným na bakalářskou práci. Součástí práce je návrh schématu zapojení, návrh desky plošných spojů, výroba a osazení prototypů, jejich oživení a následná integrace se softwarovým vybavením. Přínosná je také diskuze problémů první revize zařízení a jejich odstranění v následující verzi návrhu.
K práci mám několik připomínek. V textu se objevují anglicismy a některé zkratky jsou použity ještě před vysvětlením. Místy dochází k opakování již uvedených informací, a tak textová část působí mírně repetitivně. Teoretická část poměrně podrobně popisuje parametry kvality zvukového záznamu, jako jsou SNR, THD nebo jitter, tyto parametry však nejsou v experimentální části práce nijak měřeny ani vyhodnoceny. Přestože autor věnuje značnou pozornost návrhu nízkošumového napájení a analogové části, chybí například měření šumového spektra nebo jiné objektivní ověření dosažených parametrů.
Za poněkud neobvyklé považuji přivedení identického signálu z jednoho mikrofonu na oba vstupy A/D převodníku, přičemž toto rozhodnutí není v textu podrobněji zdůvodněno. Vzhledem k pokročilému návrhu zařízení by bylo zajímavé systém rovnou koncipovat pro stereofonní záznam nebo alespoň integrovat přípravu pro záznam druhého zvukového kanálu. V části věnované analýze nahrávek je sledován stejnosměrný offset signálu, není však vysvětlena příčina jeho vzniku v navrženém systému. Některé grafy by mohly používat větší písmo pro zlepšení čitelnosti.
Autor se dokázal dobře zorientovat v řešené problematice, a i přes uvedené nedostatky považuji práci za zdařilou. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji klasifikačním stupněm A / 92 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Z jakého důvodu je signál z jednoho mikrofonu přiveden na oba vstupy A/D převodníku a jaké výhody či nevýhody toto řešení přináší?
  2. Jakým způsobem může v navrženém audio řetězci vzniknout stejnosměrný offset signálu a jak by bylo možné jeho zdroj experimentálně identifikovat?
  3. Jaká měření byste provedl pro objektivní stanovení parametrů kvality navrženého audio řetězce (např. SNR, THD+N nebo šumového pozadí)?
Points proposed by reviewer: 92

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová