Programmable Radio-synchronized Audio Recorder for Bioacoustic Monitoring

Abstract

Muligheten til å lokalisere lydkilder i rommet gir verdifull innsikt innenfor bioakustikk, både for forskningsformål og generell overvåking. Presis lokalisering krever derimot utstyr med en felles tidsreferanse. Dagens metoder er ofte avhengig av dyrt utstyr som kompliserer bruk i feltforhold, eller krever omfattende oppsett med menneskelig tilsyn for synkronisering. Denne avhandlingen utforsker en kostnadseffektiv løsning der tidssignaler mikses direkte inn i lydsignalet, noe som muliggjør justering av lydopptak til en felles tidsakse, på tvers opptaksenheter.

Metoden ble realisert på et kretskort eksternt til mikrofon og lydopptaker, for å muliggjøre fleksibel integrasjon av eksisterende lydutstyr. Det realiserte kretsdesignet ble testet som et TDOA-system (Time Difference of Arrival), bestående av to opptaksenheter med felles referanse til et ideelt tidssignal. To modulasjonsteknikker for å mikse tid og lydsignal ble testet, der synkronisering ned til 83.3µs and 104.2µs ble oppnådd for de respektive teknikkene. Tilpasningsevne til ulike samplingsfrekvenser ble vurdert fra 48kHz til 384kHz, noe som viste lovende resultater, samt. et potensial for mer stabil og støyfri integrasjon av tidsstempler i lydsignalet.

Tidssignalet DCF77 ble evaluert som en potensiell kilde til tidssignal ved hjelp av tredjeparts DCF77-radiomottakere. Isolert testing av mottakere indikerte at selv om DCF77 kan gi stabile tidsstempler, kan avvik mellom mottakere introdusere betydelig usikkerhet, noe som vanskeliggjør synkronisering i praksis. Ytterligere testing er nødvendig for å estimere metodens presisjon med tidssignaler i sanntid, der undersøkelser av alternative kilder til tidssignaler er et av de viktigste områdene for fremtidig arbeid.

Disse resultatene tyder på at den realiserte metoden har potensial til å gi kostnadseffektiv synkronisering for eksisterende lydutstyr, som gjør synkronisering av akustiske opptakssystemer for bioakustiske applikasjoner mer oppnåelig og tilgjengelige generelt.

The ability to locate sound sources in 3D space provides valuable insights into the field of bioacoustics, both for research purposes and general surveillance. Precise localization requires equipment with a common time reference. Current methods often rely on expensive equipment unsuitable for field conditions or extensive setups requiring human supervision for synchronization. This thesis explores a cost-effective solution by embedding commonly available timestamps into raw audio data, allowing post-process time alignment of recording units in an acoustic acquisition system.

The proposed method was realized on a PCB external to the microphone and audio recorder, allowing flexible integration with existing audio equipment. Testing of the realized circuit design was conducted as a two-sensor Time Difference of Arrival (TDOA) system with ideal timestamp sources. Two modulation techniques for embedding timestamps were employed, achieving theoretical synchronization accuracies of 83.3µs and 104.2µs at a 48kHz sampling frequency. The method’s adaptability to different sampling frequencies was assessed from 48kHz to 384kHz, showing promising results while indicating a potential for more stable and noise-free embedment of timestamps in the raw audio signal.

The DCF77 legal time transmission was evaluated as a potential timestamp source using off-the-shelf DCF77 radio receivers. Isolated tests of receivers indicated that while DCF77 can provide stable timestamps, deviation between receivers may introduce significant uncertainty, complicating synchronization in practice. Further testing is required to assess the method with real-world timestamps, with alternative timestamp sources being one of the key areas for future work.

These results suggest that the explored method has the potential to provide cost-effective synchronization for existing audio recording hardware, making precise synchronization of acoustic acquisition systems for bioacoustic applications generally more accessible and achievable.