bakalářská práce

Návrh a realizace zařízení pro dlouhodobý audiozáznam v terénu

Text práce 3.46 MB Příloha 15.62 kB

Autor práce: Bc. Lukáš Hrobák

Ak. rok: 2025/2026

Vedoucí: Ing. Matěj Ištvánek, Ph.D.

Oponent: Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Abstrakt:

Táto bakalárska práca sa zaoberá návrhom a realizáciou systému pre autonómny dlhodobý audiozáznam v prírodnom prostredí. V teoretickej časti je analyzovaná problematika dlhodobého akustického monitoringu a vykonaná rešerš existujúcich riešení. Hardvérová časť pozostáva z vlastného rozširujúceho modulu (HAT) pre platformu Raspberry Pi 5, ktorý implementuje kompletný analógový zvukový reťazec: elektretový kondenzátorový mikrofón AOM-5024L-HD-R, aktívny anti-aliasing filter druhého rádu v topológii MFB
s operačným zosilňovačom OPA2376, A/D prevodník PCM1807 s digitálnym výstupom na zbernicu I2S a vlastný nízkošumový napájací reťazec s LC 𝜋-filtrom a LDO regulátorom. Vývoj hardvéru prebiehal iteratívne v dvoch revíziách dosky. Softvérová časť zahŕňa konfiguráciu operačného systému pomocou vlastného Device Tree overlay, obslužnú aplikáciu s adaptívnym mechanizmom záznamu spúšťaného udalosťou a PC aplikáciu pre spracovanie a vizualizáciu zaznamenaných audio súborov. Funkčnosť prototypu bola overená krátkodobým experimentom v reálnom vonkajšom prostredí

Klíčová slova:

Raspberry Pi 5, Audio HAT, PCM1807, I2S, OPA2376, elektretový mikrofón, nahrávanie spúšťané udalosťou, adaptívne prahovanie, digitálny záznam zvuku, akustický monitoring

Termín obhajoby

18.06.2026

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

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)?

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Audio inženýrství (BPC-AUD)

Specializace

Zvuková technika (AUDB-TECH)

Složení komise

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)

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. Výsledný počet bodů navržený vedoucím: 92

Známka navržená vedoucím: 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. Otázky k obhajobě:
  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)?
Výsledný počet bodů navržený oponentem: 92

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová