Las entrañas de neurGAI

(euskaraz)

En esta página explicamos, en más detalle, el funcionamiento de neurGAI. Su lectura no es imprescindible para poder utilizar adecuadamente la aplicación neurGAI en nuestro teléfono móvil.

La sonda amperimétrica SCT013

La sonda amperimétrica SCT013 (imagen (a)) consiste en un núcleo de material ferromagnético que, una vez se ha cerrado la sonda, rodea el cable por el que pasa la corriente eléctrica asociada a nuestro consumo. Dentro de la sonda amperimétrica hay otro pequeño bobinado en torno al núcleo ferromagnético. Por efecto del acoplamiento magnético, la corriente que entra a nuestra vivienda induce una pequeña corriente eléctrica en el pequeño bobinado de la sonda, proporcional a la corriente que entra a nuestra vivienda. La sonda amperimétrica utilizada por neurGAI entrega, por tanto, una pequeña señal de voltaje con la frecuencia de la red (50 Hz; esquema en la imagen (b)). neurGAI registra esta señal a través de la entrada de micrófono externo de nuestro teléfono ANDROID.

Pantaila-argazkia 2015-04-13 12:00:22

La entrada de micrófono del teléfono Android

Esta entrada de micrófono (ver imagen (c)) presenta las siguientes características:

  1. Para un funcionamiento adecuado, algunos teléfonos requieren que el micrófono presente una impedancia de al menos 15 kΩ. Valores inferiores de esta impedancia de salida son utilizados para codificar determinadas órdenes al teléfono (subir/bajar volumen, parar reproducción, etc.) que pueden interferir con el correcto funcionamiento de la etapa de entrada.

  2. La etapa amplificadora de entrada presenta un ancho de banda que se ajusta al ancho de banda de las señales de audio que se pueden generar en el micrófono externo. Este ancho de banda presenta un corte de baja frecuencia (introducido por la capacidad Cin en el esquema (c)) que puede llegar a atenuar significativamente la señal entregada por la sonda amperimétrica, que tiene una frecuencia de 50 Hz. Por otro lado, debemos tener en cuenta que aunque la señal de red es sinusoidal, la corriente consumida en nuestra vivienda puede tener componentes armónicas en múltiplos de 50 Hz (100 Hz, 150 Hz, 200 Hz,…). Estas componentes armónicas estarán atenuadas en menor medida que la componente armónica fundamental, de 50 Hz.

  3. La etapa amplificadora de entrada del teléfono Android presentará una ganancia que será específica de cada teléfono.

  4. La etapa amplificadora puede, además, implementar un control automático de la ganancia (CAG), de forma que las señales de más amplitud registradas en la entrada de micrófono externo del teléfono sean menos amplificadas que otras señales de menor amplitud.

barrukoak-1

Estas cuatro características de la entrada de micrófono externo de los teléfonos Android requieren soluciones específicas por parte de neurGAI, que son las siguientes:

  1. La sonda amperimétrica incluye una resistencia de 15 kΩ, conectada en serie dentro del conector de 4 polos. De esta forma, la sonda amperimétrica es percibida por el teléfono Android como un micrófono externo con una impedancia de salida ligeramente superior a 15 kΩ. Por efecto de esta resistencia, la señal a la entrada del teléfono móvil resulta atenuada. La imagen (d) muestra la señal a la salida de la sonda amperimétrica sin conectar al teléfono, cuando mide una corriente de 50 Hz y 30,4 A eficaces. Mientras que la tensión eficaz de esta señal a la salida de la sonda amperimétrica es de 1,65 V, al conectar la sonda al teléfono la señal a la entrada de este se reduce a 74,1 mV eficaces (imagen (e)). A esta atenuación la denominamos A1 [Vef/Vef], y es específica de cada móvil, ya que está afectada por la impedancia de entrada de la etapa de amplificación de la entrada de micrófono.Pantaila-argazkia 2015-03-26 17:11:03

  2.  Dado que la distorsión introducida por la capacidad Cin de la etapa de entrada es inevitable, en el proceso de calibración neurGAI realiza una caracterización frecuencial de esta etapa de entrada, para poder compensar posteriormente esta distorsión, al realizar las medidas de consumos eléctricos. A modo de ejemplo, la imagen (f) muestra el módulo de la función de transferencia de la etapa de entrada de un móvil JIAYU modelo JY-G4S, en valores eficaces.Pantaila-argazkia 2015-03-26 17:11:12

    neurGAI realiza esta caracterización de la etapa de entrada en el proceso de calibrado, conectando a la entrada del micrófono externo un conector de 4 polos en el que la entrada de micrófono recibe la señal que la salida del auricular derecho impone sobre una resistencia Rs de 15 kΩ, tal y como se muestra en la figura (g). El proceso de caracterización de la etapa genera una serie de pulsaciones sinusoidales de amplitud definida que son entregadas por los canales de audio de la salida de auriculares. Estas señales hacen que aparezca una señal de voltaje en la resistencia Rs de 15 kΩ. Estas señales son registradas por la entrada de micrófono del móvil, y presentan mayor amplitud conforme aumenta la frecuencia de la señal generada. A la atenuación registrada en función de la frecuencia la denominamos A2(f) [Vef/Vef].

    barrukoak-2

  3. La posible existencia de un sistema de control automático de ganancia (CAG) es verificada con el mismo esquema de funcionamiento mostrado en la imagen (g). Aunque neurGAI deshabilita el CAG que puede estar implementado por software en Android (implementado en API level 16, android.media.audiofx.AutomaticGainControl), hemos comprobado que la mayoría de los teléfonos de última generación también implementan un CAG electrónico que requiere ser caracterizado y posteriormente compensado. La imagen (h) muestra el efecto del CAG de nuestro teléfono JIAYU modelo JY-G4S, en la que el eje horizontal representa la amplitud de la señal enviada a la salida de auriculares, y el eje vertical representa la amplitud de la señal registrada en la entrada de micrófono. Puede comprobarse que conforme aumenta la amplitud de la señal entregada por la salida de auriculares, la amplificación de la señal recibida por la entrada de micrófono disminuye. A esta amplificación la denominamos A3(P), siendo P la potencia de la señal medida.Pantaila-argazkia 2015-03-26 17:11:42

El procesado de señal en neurGAI

El proceso por el que pasa la señal entregada por la sonda amperimétrica se muestra representado en la figura (i), en donde x(t) es la señal de voltaje entregada por la sonda amperimétrica, y z(n) son las muestras digitalizadas que recibe la aplicación neurGAI.

procesado-1

 (i)

La aplicación neurGAI procesa las muestras z(n) teniendo en cuenta la caracterización del CAG, y la distorsión en frecuencia introducida por la etapa de entrada. Para ello, el procesado de las señales sigue el esquema que se muestra en la figura (j).

procesado-2 (j)

La amplitud de las muestras z(n) es corregida por la amplificación que el CAG introduce a una señal sinusoidal del mismo valor eficaz que la señal z(n) medida, dando lugar a la señal y(n).

A continuación se realiza la transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal y(n). Las muestras de la señal Y(Ω) obtenida están asociadas a las componentes frecuenciales de la señal y(n).

La multiplicación de las componentes frecuenciales, Y(Ω), por el inverso de la caracterización frecuencial de la etapa de entrada, [A2(Ω)]-1, proporciona la señal X(Ω), cuyas muestras corresponden a las componentes frecuenciales de la señal x(n), multiplicadas por un coeficiente.

La corriente medida por la sonda amperimétrica es, por tanto, proporcional al valor eficaz de la señal x(t), que llamamos xef. Teniendo en cuenta el Teorema de Parseval:

parseval

Por tanto, el valor eficaz de la corriente medida por la sonda amperimétrica, xef, se puede calcular como:

FFT

donde Z(n) son las muestras de la transformada rápida de Fourier de las muestras registradas por neurGAI, z(n).

Dado que solo es posible caracterizar el módulo de la respuesta frecuencial de la etapa de entrada, A2(Ω), el trabajo en el dominio frecuencial mediante la FFT de las muestras z(n) no nos permite recuperar las muestras x(n), sino solo su densidad espectral de potencia. Pero eso es suficiente, ya que neurGAI solo persigue calcular el valor eficaz de la señal entregada por la sonda amperimétrica.

La constante de proporcionalidad entre el resultado del cálculo de neurGAI y la corriente que mide la sonda amperimétrica es determinada en el proceso de calibración, comparando el resultado con otra medida realizada con un medidor calibrado. Esta constante de proporcionalidad es específica de cada móvil Android, y queda registrada en el archivo /neurGAI/calibracion/coeficienteAjuste.csv.

El código y licencia de neurGAI

La aplicación neurGAI tiene una licencia GNU GENERAL PUBLIC LICENSE Version 2.

El código está accesible en el servidor GitHub: https://github.com/gorkabueno/NeurGai

Para desarrollar la aplicación neurGAI, ha sido de gran ayuda el trabajo previo de muchos programadores y programadoras, puesto a disposición de la comunidad mediante licencias libres de software. Son especialmente de agradecer las siguientes aportaciones, librerías utilizadas por neurGAI:

GraphView – open source graph plotting library for Android http://www.android-graphview.org/

JTransforms – open source, multithreaded FFT library https://sites.google.com/site/piotrwendykier/software/jtransforms

7 comentarios a Las entrañas de neurGAI

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