Estrazione dei dati binari della scheda a banda magnetica dal WAV grezzo

Devo affrontare una sfida difficile: estrarre dati binari da un lettore di schede a banda magnetica per iPhone . Ecco come appare la magnetizzazione sulla carta:

_fonte

Ecco il .WAV che l'iPhone riceve quando scorri una carta (non esagerare troppo, è una carta fedeltà bonus;)). Sono tre colpi a proposito, a diverse velocità. Questa è la discarica SInt16 grezza per il colpo che sto usando.

Qualcuno sembra averlo fatto qui, ma i dati effettivi che acquisisco non sono particolarmente facili da elaborare.

La lettura inizia (e termina) con un numero indeterminato di 'zeri' - nota che l'onda si ripete solo dopo che sono stati raccolti 2 ZEROS, questo rappresenta NS seguito da SN:

(nota che ciascuna delle tre linee mi rappresenta mentre faccio scorrere una carta diversa; la carta in basso in questa immagine ha 15 anni, quindi il campo magnetico è chiaramente gravemente degradato in alcuni punti, non visibile in questo scatto)

Ciò consentirà a un algoritmo di accertare un segno di spunta dell'orologio.

Il campo magnetico si inverte su ogni segno di spunta dell'orologio. Anche per un binario 1, il campo magnetico si inverte esattamente nel mezzo di un segno di spunta:

La sequenza inizia sempre con una sentinella di avvio 1101 + 0 (bit di parità). Puoi sceglierlo in tutte e tre le letture nel grafico sopra. È indicato più chiaramente nell'articolo cosmodro che ho collegato all'inizio della domanda.

Ecco un esempio di degradazione magnetica (presa più avanti nella lettura della carta in basso):

Sto cercando di capire un modo sensato per convertire questa forma d'onda nella corrispondente sequenza binaria.

Ho trovato un PDF che fornisce alcuni dettagli, ma non riesco a capire l'algoritmo che stanno utilizzando.

Questo PDF contiene un'immagine interessante:

Se potessi estrarre le linee rosse e blu secondo questo diagramma, potrei usare una di esse per estrarre i dati, ma non riesco a capire la logica dietro la costruzione.

Quindi questa è la mia domanda: come estraggo la sequenza binaria?

PS. Si noti che la velocità di scorrimento non sarà costante. Quindi, una volta determinato l'orologio, deve essere costantemente regolato da un segno di spunta a quello successivo.

PPS. L'autocorrelazione catturerebbe coppie di zecche? (visto che le zecche si alterneranno NS SN ...)

EDIT (giugno '12): avevo bisogno di molto aiuto su questo, ma alla fine ho completato un lettore solido ( http://www.magstripedecoder.com/ ). Grazie per tutti quelli che hanno aiutato! Raccomando #musicdsp sul canale efnet di IRC a chiunque sia abbastanza dedicato da affrontare la sfida di affrontare la matematica - è davvero molto difficile!

Questo si chiama codice biphase mark e devi concentrarti sugli incroci zero invece che sull'ampiezza dell'impulso. Tuttavia, si hanno più passaggi per zero per impulso, a causa dei filtri low-cut inerenti al pickup e all'ingresso del microfono del telefono. Le tue cadute più lontane di questa tra le transizioni e la croce zero:

È possibile ripristinare una forma più pulsante utilizzando un filtro a basso boost:

e quindi misurare le lunghezze degli impulsi per quanto tempo trascorrono oltre una certa soglia. Forse un'idea migliore è quella di differenziare l'input per rendere le transizioni in grandi picchi, prendere il valore assoluto e rilevarli quando superano una certa soglia:

Quindi misurare il tempo tra gli impulsi e quando il tempo tra due impulsi è approssimativamente uguale agli ultimi due impulsi, è uno 0, quando è circa la metà di quello che era tra gli ultimi due impulsi, è un 1.

Il degrado magnetico di cui parli dovrebbe essere facile da rimuovere con un filtro passa basso.

Questa è stata una vera sfida. Ho provato almeno quattro approcci prima di decifrarlo. Ecco come l'ho fatto:

Comincio a lisciare i dati ( prima lettura ) con un semplice ...

x_new = 0.9 * x_prev + 0.1 * x_in

... filtro IIR. Lo faccio in entrambe le direzioni ( seconda lettura ). Questo elimina tutto il rumore fuzzy, tuttavia crea discontinuità che tornano con una vendetta nei derivati.

Ottengo quindi tutti i derivati ​​fino alla quarta ( terza e quarta lettura rappresentano la terza e la quarta derivata) e creo una nuova funzione:

g(x) = f'''(x)^2 + k*f''''(x)^2

Perché? perché ho notato che quando arriviamo alla terza derivata, ciò che abbiamo è effettivamente una sinusoide all'interno di un inviluppo:

... e tutti sanno dalle superiori che:

sin^2 + cos^2=1 

e che peccato e cos si differenziano l'un l'altro:

Quindi la busta implicita può essere recuperata.

Perché derivati ​​3 e 4? praticamente ogni derivata superiore purifica il segnale. Ciò che è sinusoidale rimane sinusoidale (sposta solo la fase di 90 °, quindi sin-> cos ecc.) Mentre ciò che non è cadente.

Volevo usare 11 e 12 o qualcosa di folle, ma i derivati ​​si sfaldano abbastanza rapidamente, 4 è il massimo che posso ottenere prima che le cose vadano in tilt, anche allora le piccole linee di derivate che vedi nella foto vengono pesantemente levigate.

Questo produce un meraviglioso piccolo urto su ogni transizione di flusso ( quinta lettura ).

Poi passo attraverso i punti di svolta, rifiutando i ragazzi ( sesta lettura ) ..

Finalmente cammino attraverso i massimi ( settima lettura ), valutando se ogni salto è un mezzo passo o un intero passo, quindi ricostruisco il binario.

Sìì!

EDIT: Sono passati diversi mesi da quando ho completato questo progetto. la sfida più difficile è costruire una trasformazione che isola le transizioni di flusso; tecnicamente parlando, "recuperare l'inviluppo di ampiezza". ciò viene realizzato costruendo il segnale di sfasamento π / 2 dall'originale (questo è anche noto come segnale di quadratura). quindi E (t) ^ 2 = S (t) ^ 2 + Q (S (t)) ^ 2.

Per ottenere il segnale di quadratura, ho semplicemente fatto un FFT e ho ruotato ogni contenitore di un quarto di giro, quindi ho ricombinato i componenti spettrali modificati.

C'è un sacco di confusione terminologica abusiva in questo campo; le parole chiave sono "segnale analitico", "trasformazione di Hilbert" ... Ho evitato di usare quelle parole chiave poiché discipline diverse assegnano loro significati diversi.

Esiste un modo molto più intelligente di ottenere questo inviluppo di ampiezza usando i filtri digitali, evitando così la trasformazione di Fourier. Ciò consente all'algoritmo di funzionare su microcontrollori a bassissima potenza.

Questo processo produce una forma d'onda che dovrebbe avere un bump unico su ogni transizione di flusso.

La decodifica di questa forma d'onda in una sequenza binaria è ancora un'attività non banale. la complessità e questa componente sono algoritmiche piuttosto che matematiche; la difficoltà è comparabile.

Tutto sommato, questo è un problema estremamente difficile. Mi ci sono voluti la parte migliore di tre mesi per ottenere il loro algoritmo di prestazione. Documenterò per intero il mio approccio e produrrò un motore di decodifica pubblicamente disponibile.