Программируем AGC (авторегулятор громкости) на VB.Net

Некоторые блоки нарисованы как «чёрные ящики», потому что устройство их аппаратных аналогов мне неизвестно. Например, диодный мост в качестве выпрямителя не годится хотя бы потому, что не позволяет соединить землю входа напрямую с землёй схемы. Но для нас это не важно, потому что наш AGC программный. Продолжаем.

Public Class CircleArchive
    Private InternalCapacity As Integer
    Private InternalArray() As Object
    Private InternalLength As Integer
    Private InternalStart As Integer

    Public Sub New(ByVal setCap As UShort)
        If (setCap = 0) Then
            InternalCapacity = UShort.MaxValue + 1
        Else
            InternalCapacity = setCap
        End If
        InternalStart = 0
        InternalLength = 0
        InternalArray = New Object(InternalCapacity - 1) {} 'need to specify maxindex, not size as the parameter
    End Sub

    Public Sub AddObject(ByVal ObjectToAdd As Object)
        Dim NewIndex As Integer

        If IsFull Then
            'overwrite the oldest
            InternalArray(InternalStart) = ObjectToAdd
            InternalStart = (InternalStart + 1) Mod InternalCapacity
        Else
            NewIndex = (InternalStart + InternalLength) Mod InternalCapacity
            InternalArray(NewIndex) = ObjectToAdd
            InternalLength += 1
        End If
    End Sub

    Public Function GetObjectFIFO(ByVal Index As Integer) As Object
        Dim r As Object = Nothing
        Dim TrueIndex As Integer

        If ((Index >= 0) AndAlso (Index < InternalLength)) Then
            TrueIndex = (InternalStart + Index) Mod InternalCapacity
            r = InternalArray(TrueIndex)
        ElseIf (Index < 0) Then
            Throw New IndexOutOfRangeException("got negative value: " & Index.ToString)
        Else
            Throw New IndexOutOfRangeException("got " & Index.ToString & " when " & InternalLength.ToString & " item(s) stored")
        End If

        Return r
    End Function

    Public Function GetObject(ByVal Index As Integer) As Object 'just an alias for GetObjectFIFO
        Return GetObjectFIFO(Index)
    End Function

    Public Function GetObjectLIFO(ByVal Index As Integer) As Object
        Dim r As Object = Nothing
        Dim TrueIndex As Integer

        If ((Index >= 0) AndAlso (Index < InternalLength)) Then
            TrueIndex = InternalLength - 1 - Index 'invert
            TrueIndex = (InternalStart + TrueIndex) Mod InternalCapacity
            r = InternalArray(TrueIndex)
        ElseIf (Index < 0) Then
            Throw New IndexOutOfRangeException("got negative value: " & Index.ToString)
        Else
            Throw New IndexOutOfRangeException("got " & Index.ToString & " when " & InternalLength.ToString & " item(s) stored")
        End If

        Return r
    End Function

    Public Sub Clear()
        Dim i As Integer
        Dim TrueIndex As Integer

        For i = 0 To (InternalLength - 1) 'nullify existing items
            TrueIndex = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
            InternalArray(TrueIndex) = Nothing
        Next
        InternalLength = 0
    End Sub

    'Public Sub QuickClear()
    '    InternalLength = 0
    'End Sub

    Public ReadOnly Property Capacity As Integer
        Get
            Return InternalCapacity
        End Get
    End Property

    Public ReadOnly Property Length As Integer
        Get
            Return InternalLength
        End Get
    End Property

    Public ReadOnly Property IsFull As Boolean
        Get
            Return (InternalLength = InternalCapacity)
        End Get
    End Property

    'additional features

    Public Sub RemoveObjects(ByVal Index As Integer, ByVal Count As Integer)
        Dim r As Object = Nothing
        Dim TrueIndexSrc As Integer
        Dim TrueIndexDst As Integer
        Dim TrueCount As Integer
        Dim i As Integer

        If ((Index < 0) OrElse (Index >= InternalLength)) Then
            Exit Sub
        End If
        If (Count <= 0) Then
            Exit Sub
        End If

        If (Count < (InternalLength - Index)) Then
            TrueCount = Count
        Else
            TrueCount = InternalLength - Index
        End If
        If (TrueCount = InternalLength) Then 'need to delete all
            Clear()
        Else 'need to delete part of the items
            For i = Index To (Index + TrueCount - 1)
                TrueIndexSrc = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
                InternalArray(TrueIndexSrc) = Nothing
            Next 'nullification loop
            If (Index = 0) Then 'the beginning has been deleted
                InternalStart = (InternalStart + TrueCount) Mod InternalCapacity 'just move the start position
            ElseIf ((Index + TrueCount) < InternalLength) Then 'need array shift
                'decide what direction it will be faster to shift                
                If ((InternalLength - Index - TrueCount) <= Index) Then 'shift the end
                    For i = (Index + TrueCount) To (InternalLength - 1)
                        TrueIndexSrc = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
                        TrueIndexDst = (InternalStart + i - TrueCount) Mod InternalCapacity
                        InternalArray(TrueIndexDst) = InternalArray(TrueIndexSrc)
                        InternalArray(TrueIndexSrc) = Nothing
                    Next
                Else 'shift the beginning
                    i = Index - 1
                    While (i >= 0)
                        TrueIndexSrc = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
                        TrueIndexDst = (InternalStart + i + TrueCount) Mod InternalCapacity
                        InternalArray(TrueIndexDst) = InternalArray(TrueIndexSrc)
                        InternalArray(TrueIndexSrc) = Nothing
                        i -= 1
                    End While
                    InternalStart = (InternalStart + TrueCount) Mod InternalCapacity 'move the start position
                End If 'array shift direction switch
            End If 'the third case is the end has been deleted: we don't need neither start movement nor array shift
            InternalLength -= TrueCount
        End If '(not) TrueCount = InternalLength
    End Sub 'RemoveObjects

    Public Sub RemoveFirst(ByVal Count As Integer)
        RemoveObjects(0, Count)
    End Sub

    Public Sub RemoveLast(ByVal Count As Integer)
        RemoveObjects((InternalLength - Count), Count)
    End Sub

    Public Sub InsertObject(ByVal ObjectToInsert As Object, ByVal InsBefore As Integer)
        Dim TrueIndexSrc As Integer
        Dim TrueIndexDst As Integer
        Dim i As Integer
        Dim FirstElementBuf As Object

        If ((InsBefore >= 0) AndAlso (InsBefore < InternalLength)) Then
            If (InsBefore = 0) Then
                If (Not IsFull) Then
                    'no need array shift, just move the start position 1 step backward
                    InternalStart = (InternalStart + InternalCapacity - 1) Mod InternalCapacity
                    InternalArray(InternalStart) = ObjectToInsert
                    'and increase length
                    InternalLength += 1
                End If 'Not IsFull
            Else 'need array shift
                'decide what direction it will be faster to shift
                If (InsBefore > (InternalLength  2)) Then 'shift the end
                    i = InternalLength - 1
                    While (i >= InsBefore)
                        TrueIndexSrc = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
                        TrueIndexDst = (InternalStart + i + 1) Mod InternalCapacity
                        InternalArray(TrueIndexDst) = InternalArray(TrueIndexSrc)
                        i -= 1
                    End While
                    TrueIndexDst = (InternalStart + InsBefore) Mod InternalCapacity
                    InternalArray(TrueIndexDst) = ObjectToInsert
                    If IsFull Then 'the oldest was overwritten, need to move the start position 1 step forward
                        InternalStart = (InternalStart + 1) Mod InternalCapacity
                    Else
                        InternalLength += 1
                    End If '(not) IsFull
                Else 'shift the beginning
                    FirstElementBuf = InternalArray(InternalStart)
                    For i = 1 To (InsBefore - 1)
                        TrueIndexSrc = (InternalStart + i) Mod InternalCapacity
                        TrueIndexDst = (InternalStart + i - 1) Mod InternalCapacity
                        InternalArray(TrueIndexDst) = InternalArray(TrueIndexSrc)
                    Next
                    TrueIndexDst = (InternalStart + InsBefore - 1) Mod InternalCapacity
                    InternalArray(TrueIndexDst) = ObjectToInsert
                    If (Not IsFull) Then
                        'move the start position
                        InternalStart = (InternalStart + InternalCapacity - 1) Mod InternalCapacity
                        InternalArray(InternalStart) = FirstElementBuf
                        InternalLength += 1
                    End If 'Not IsFull
                End If 'array shift direction switch
            End If '(not) InsBefore = 0
        ElseIf (InsBefore < 0) Then
            Throw New IndexOutOfRangeException("got negative value: " & InsBefore.ToString)
        Else
            Throw New IndexOutOfRangeException("got " & InsBefore.ToString & " when " & InternalLength.ToString & " item(s) stored")
        End If
    End Sub 'InsertObject

    Public Sub ReplaceObject(ByVal Index As Integer, ByVal NewObject As Object)
        Dim TrueIndex As Integer

        If ((Index >= 0) AndAlso (Index < InternalLength)) Then
            TrueIndex = (InternalStart + Index) Mod InternalCapacity
            InternalArray(TrueIndex) = NewObject
        ElseIf (Index < 0) Then
            Throw New IndexOutOfRangeException("got negative value: " & Index.ToString)
        Else
            Throw New IndexOutOfRangeException("got " & Index.ToString & " when " & InternalLength.ToString & " item(s) stored")
        End If
    End Sub 'ReplaceObject
End Class

Public Class Form1
    Private Structure AGCBufferElement
        Public InputPCMVal As Short 'входное значение, взятое из файла
        Public OutputPCMVal As Short 'выходное значение, которое собираемся записать в файл
    End Structure

    Private Sub ButtonAGC_Click(sender As System.Object, e As System.EventArgs) Handles ButtonAGC.Click
        Dim InputFileName As String = My.Application.Info.DirectoryPath & "Input.pcm"
        Dim OutputFileName As String = My.Application.Info.DirectoryPath & "Output.pcm"
        Dim InputFileStream As System.IO.FileStream = Nothing
        Dim OutputFileStream As System.IO.FileStream = Nothing

        Dim NSamples As Long 'количество сэмплов в файле
        Dim SampleIndex As Long
        Dim OneSecBufIndex As Integer 'поможет нам возвращаться назад во времени для anticlippingа
        Dim kmax As Double = Decimal.ToDouble(NumericUpDownMaxGain.Value)
        Dim TargetVolume As Double = Decimal.ToDouble(NumericUpDownTargetVol.Value) 'до какой амплитуды хотим усиливать
        Dim vmin As Double 'параметр ограничителя
        Dim AGCLeap As Boolean 'индикатор скачка
        Dim k As Double 'коэффициент усиления
        Dim b As Double 'коэффициент затухания
        Dim CurrBuf As AGCBufferElement 'текущие значения PCM
        Dim PrevBuf As AGCBufferElement
        Dim u As Double 'выход ограничителя
        Dim v As Double 'выход АФНЧ, это и есть для нас текущая громкость
        Dim OneSecBuf As CircleArchive 'поможет нам возвращаться назад во времени для anticlippingа
        Dim NegHalfwave As Boolean 'это для нахождения переходов через 0

        'открываем файлы
        Try
            If (My.Computer.FileSystem.FileExists(InputFileName)) Then
                InputFileStream = New System.IO.FileStream(InputFileName, IO.FileMode.Open)
                OutputFileStream = New System.IO.FileStream(OutputFileName, IO.FileMode.Create)
            End If
        Catch ex As Exception
        End Try

        If ((InputFileStream IsNot Nothing) AndAlso (OutputFileStream IsNot Nothing)) Then
            'инициализация
            vmin = TargetVolume / kmax
            b = 1.0 - Math.Pow(10.0, (-1.0 / Decimal.ToDouble(Decimal.Multiply(NumericUpDownSampleRate.Value, NumericUpDownFalloffTime.Value))))
            v = vmin
            OneSecBuf = New CircleArchive(CUShort(NumericUpDownSampleRate.Value))
            InputFileStream.Position = 0
            NSamples = InputFileStream.Length  2 '2 bytes per sample
            'поехали!
            For SampleIndex = 0 To (NSamples - 1)
                'добываем занчение PCM из файла
                CurrBuf.InputPCMVal = CShort(InputFileStream.ReadByte) 'LSB first (Intel manner)
                CurrBuf.InputPCMVal = CurrBuf.InputPCMVal Or (CShort(InputFileStream.ReadByte) << 8) 'MSB last (Intel manner)
                If (CurrBuf.InputPCMVal = Short.MinValue) Then
                    CurrBuf.InputPCMVal += 1 'не допускаем выхода за пределы -32767 .. 32767
                End If
                'преобразуем в Double и сразу выпрямляем
                If (CurrBuf.InputPCMVal < 0) Then
                    u = -CurrBuf.InputPCMVal / Short.MaxValue
                Else
                    u = CurrBuf.InputPCMVal / Short.MaxValue
                End If
                'прошли сквозь выпрямитель
                'ограничитель
                If (u < vmin) Then
                    u = vmin
                End If
                'прошли сквозь ограничитель
                'начинается АФНЧ
                AGCLeap = (u > v)
                If AGCLeap Then
                    v = u
                End If 'здесь только обработка скачков, затухание будем делать чуть позже
                k = TargetVolume / v 'вычисляем коэффициент усиления
                'коэффициент усиления готов
                If (AGCLeap AndAlso CheckBoxAnticlipping.Checked) Then
                    'делаем anticlipping: распространяем текущий коэффициент усиления назад во времени до ближайшего перехода через 0
                    NegHalfwave = (CurrBuf.InputPCMVal < 0) 'сейчас входной сигнал скачет ниже нуля?
                    OneSecBufIndex = OneSecBuf.Length - 1
                    While (OneSecBufIndex >= 0)
                        PrevBuf = CType(OneSecBuf.GetObjectFIFO(OneSecBufIndex), AGCBufferElement)
                        'находим переход через 0
                        If (PrevBuf.InputPCMVal = 0) Then
                            Exit While
                        ElseIf (NegHalfwave Xor (PrevBuf.InputPCMVal < 0)) Then
                            Exit While
                        End If
                        'если мы всё ещё внутри цикла, то переход через 0 не произошёл
                        PrevBuf.OutputPCMVal = PrevBuf.InputPCMVal * k 'заново берём предыдущее значение PCM и умножаем его на текущий коэффициент усиления (то есть данные старые, а k уже новое)
                        OneSecBuf.ReplaceObject(OneSecBufIndex, PrevBuf) 'переписываем результат
                        OneSecBufIndex -= 1 'движемся назад, поэтому отнимаем, а не прибавляем
                    End While 'конец цикла сквозь OneSecBuf
                End If 'конец anticlippingа
                CurrBuf.OutputPCMVal = CurrBuf.InputPCMVal * k 'эта строка и есть усилитель
                If OneSecBuf.IsFull Then 'перед сохранением текущего результата надо не забыть записать в файл результат самых старых вычислений, иначе он пропадёт
                    PrevBuf = CType(OneSecBuf.GetObjectFIFO(0), AGCBufferElement)
                    Try 'записать в файл
                        OutputFileStream.WriteByte(CByte(PrevBuf.OutputPCMVal And Byte.MaxValue)) 'LSB first (Intel manner)
                        OutputFileStream.WriteByte(CByte((PrevBuf.OutputPCMVal >> 8) And Byte.MaxValue)) 'MSB last (Intel manner)
                    Catch ex As Exception
                    End Try
                End If 'OneSecBuf.IsFull
                OneSecBuf.AddObject(CurrBuf) 'теперь кладём текущий результат в OneSecBuf
                'сохранили результат, вспоминаем про отложенное затухание АФНЧ
                If (Not AGCLeap) Then
                    v = v - b * (v - u) 'чуть сползшее v будет использовано для следующего сэмпла
                End If
            Next 'конец цикла сквозь входные данные
            'сливаем OneSecBuf
            For OneSecBufIndex = 0 To (OneSecBuf.Length - 1)
                PrevBuf = CType(OneSecBuf.GetObjectFIFO(OneSecBufIndex), AGCBufferElement)
                Try
                    OutputFileStream.WriteByte(CByte(PrevBuf.OutputPCMVal And Byte.MaxValue)) 'LSB first (Intel manner)
                    OutputFileStream.WriteByte(CByte((PrevBuf.OutputPCMVal >> 8) And Byte.MaxValue)) 'MSB last (Intel manner)
                Catch ex As Exception
                End Try
            Next 'конец цикла сквозь OneSecBuf
        End If 'конец условия успешного открытия файлов
        If (OutputFileStream IsNot Nothing) Then
            OutputFileStream.Close()
        End If
        If (InputFileStream IsNot Nothing) Then
            InputFileStream.Close()
        End If
        MsgBox("The end.")
    End Sub
End Class