Introducción. El Procesamiento Digital de Señales: Áreas de trabajo

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Cristián Molina Calderón
hace 8 años
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1 Organización Introducción Breve repaso teórico Prototipo construido Microcontrolador Freescale MCF51JM128 Freescale DSP56371 Algoritmos de procesamiento Proyecciones comerciales Conclusiones 1

MCF51JM128 Freescale DSP56371 Algoritmos de

2 Introducción El Procesamiento Digital de Señales: Áreas de trabajo 2

3 Motivaciones Se requiere un sistema capaz de procesar varios canales de audio de manera completamente digital, dando la posibilidad de aplicar ecualización, agregar efectos (distorsión, eco, etc.) y separar frecuencias (crossover). Las entradas podrán ser mezcladas arbitrariamente en cada una de las salidas, para que puedan ser enviadas a un amplificador de potencia, retorno o sistema de grabación. Actualmente, en Argentina existen muy pocas industrias dedicadas al audio, por lo que la gran mayoría de los equipos disponibles provienen del exterior, y por ende resultan costosos. Además, no se provee un servicio de postventa serio. Objetivos Apuntar a un producto capaz de procesar audio de manera completamente digital utilizando una interfase gráfica montada en una pantalla sensible al tacto que permita la interacción con el usuario Diseñar un producto comercialmente competitivo para hacer frente a las marcas actuales. Se pretende diseñar un sistema que permita la experimentación e implementación de las diferentes técnicas y conceptos de procesamiento de audio digital sin necesidad de modificar el hardware, dándole al proyecto un carácter didáctico que permita, por ejemplo, su utilización en ambientes universitarios. 3

Las entradas podrán ser mezcladas arbitrariamente en cada una de las salidas, para que puedan ser enviadas a un amplificador de potencia, retorno o sistema de grabación.

4 Breve repaso teórico Qué es el audio? Es la representación eléctrica de una onda sonora. Se puede generar a partir de un transductor acústico, como un micrófono o provenir de una etapa anterior. 4

5 Y el audio digital? Es la representación digital de una señal de audio, captada por un convertidor analógico-digital y transformada en unos y ceros. La fidelidad de la representación digital dependerá de: la resolución en bits (bit depth); la frecuencia de muestreo (sample rate). Audio Analógico Vs. Audio Digital Cadena de procesamiento analógico Cada equipo de procesamiento analógico agrega ruido y distorsión a la señal de manera inversamente proporcional a la calidad del mismo. En cambio, la información digital se puede transferir un número ilimitado de veces desde un sistema a otro sin ningún tipo de degradación. 5

Audio Digital Cadena de procesamiento analógico Cada equipo de procesamiento analógico agrega ruido y distorsión a la señal de manera inversamente

6 Ventajas del audio digital Menor cantidad de componentes electrónicos No requieren calibración, permitiendo la repetición a gran escala (nivel industrial) Alta inmunidad al ruido El procesamiento en el dominio discreto es más sencillo Facilidad para la transmisión y el almacenamiento de datos digitales Es posible realizar acciones imposibles de obtener utilizando el procesamiento analógico (por ejemplo, filtros con respuesta de frecuencia arbitraria y fase lineal) Facilidad para implementar filtros adaptivos Desventajas del audio digital Imposibilidad de implementar con exactitud ciertos efectos que tienen origen en equipos analógicos. Por ejemplo, distorsiones logradas con sistemas valvulares. Que es un procesador digital de señales (DSP) Es un sistema basado en un procesador que posee su propio hardware y software optimizados para aplicaciones que requieren operaciones numéricas a muy alta velocidad. Es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real. 6

ejemplo, filtros con respuesta de frecuencia arbitraria y fase lineal) Facilidad para implementar filtros adaptivos Desventajas del audio digital Imposibilidad de implementar con exactitud ciertos

7 Prototipo construido Introducción 7

8 Diagrama en bloques Pero, porqué no utilizar únicamente un microcontrolador? De esa manera no se tendría capacidad para procesar audio en tiempo real. De manera similar, porqué no emplear directamente un DSP, sin el microcontrolador? Así no se podría controlar el display gráfico y el touchscreen, los cuales requieren una gran cantidad de puertos de entrada/salida. 8

De manera similar, porqué no emplear directamente un DSP, sin el microcontrolador?

9 Características generales de la consola - 4 canales estéreo de entrada muestreados a 48 KHz con 24 bits de resolución - 4 canales estéreo de salida (D/A de 24 bits) - Ruteo programable - Ecualización de 5 bandas estéreo - Cámara de reverberación (se modificó su estructura) - Cámara de eco - Distorsión overdrive - Distorsión fuzz - Crossover - Trémolo Estructura de la programación DSP: Eclipse Symphony Studio Microcontrolador: Freescale Codewarrior V6.2 9

Cámara de reverberación (se modificó su estructura) - Cámara de eco - Distorsión overdrive - Distorsión fuzz -

10 Microcontrolador Freescale Flexis MCF51JM128 Características generales Núcleo V1 ColdFire de 32 bits 128 KBytes de memoria Flash 16 Kbytes de memoria RAM Interfase USB Conversor A/D de 12 bits 2 interfases SPI 51 puertos de entrada/salida (GPIO) 10

Flash 16 Kbytes de memoria RAM Interfase USB Conversor A/D de

Membrana flexible superior 3. Membranas semiconductoras 4. Membrana inferior 5.

11 Kit Freescale DEMOJM Pantalla sensible al tacto (Touchscreen) El touchscreen utilizado es de tipo resistivo Estructura física 1. Membrana protectora 2. Membrana flexible superior 3. Membranas semiconductoras 4. Membrana inferior 5. Separador de alta resistividad 6. Base rígida de vidrio 7. Punto de presión 8. Controlador 11

12 Pantalla sensible al tacto (Touchscreen) Equivalente eléctrico Lectura del touchscreen Lógica de control del touchscreen 12

13 Representación de imágenes Estructura de la memoria de video Longitud memoria de video = 240 píxeles. 320 píxeles = Bytes Representación de imágenes (CONT.) Funcionamiento de la paleta de colores Estructura de los píxeles 13

320 píxeles = 76800 Bytes Representación de imágenes

14 Representación de imágenes (CONT.) Menú interactivo Freescale Symphony DSP

Características generales Arquitectura Harvard de 24 bits en punto fijo Estructura interna del DSP Un millón de instrucciones por MHz Pipeline de 7 etapas Ejecución de instrucciones en paralelo

15 Características generales Arquitectura Harvard de 24 bits en punto fijo Estructura interna del DSP Un millón de instrucciones por MHz Pipeline de 7 etapas Ejecución de instrucciones en paralelo Controlador de acceso directo a memoria (DMA) de 6 canales Unidad de multiplicación y acumulación (MAC) de bit Acumuladores de doble presición (56 bits) Módulos específicos para procesamiento de audio en tiempo real (EFCOP; DAX, ESAI, etc.) Comparaciones 15

memoria (DMA) de 6 canales Unidad de multiplicación y acumulación (MAC) de 24 24-bit Acumuladores de doble

Kit Freescale Symphony SoundBite Transferencia de audio Protocolo I 2 S (Inter-IC Sound) El protocolo I2S fue desarrollado por Philips para ser utilizado con el

16 Kit Freescale Symphony SoundBite Transferencia de audio Protocolo I 2 S (Inter-IC Sound) El protocolo I2S fue desarrollado por Philips para ser utilizado con el propósito de transferir datos entre dispositivos de audio digital. Un bus I 2 S consiste de 3 líneas: Las muestras se transmiten en complemento a 2 con signo. 16

utilizado con el propósito de transferir datos entre dispositivos de audio

17 Transferencia de audio (CONT.) Módulos ESAI (Enhanced serial audio interfase) del DSP Codecs de audio AKM AK4584 Este codec es el encargado de generar el reloj de sincronismo para la transmisión y recepción de las muestras de audio entre el DSP y los codecs. 17

de audio AKM AK4584 Este codec es el encargado de generar el

18 Codecs de audio (CONT.) AKM AK4556 Cadena de procesamiento de audio 18

19 Algoritmos de procesamiento Ecualizador de 5 bandas estereo. Estructura general Algoritmos de procesamiento (CONT.) Estructura individual de cada filtro Ecuación en diferencias 19

20 Algoritmos de procesamiento (CONT.) Cámara de reverberación (Primera implementación) a = 0,5 Cámara de reverberación (Segunda implementación) Algoritmos de procesamiento (CONT.) Cámara de eco a = 0,5 Distorsión Overdrive Límite inferior = Límite superior 20

Cámara de reverberación (Segunda implementación) ) Cámara de eco

21 Algoritmos de procesamiento (CONT.) Distorsión Fuzz Tono senoidal puro (1) Generación de armónicos de orden superior (2) (3) Algoritmos de procesamiento (CONT.) Representación temporal y en la frecuencia 21

22 Algoritmos de procesamiento (CONT.) Crossover (divisor de frecuencias) Ruteo de canales 22

23 Comunicación JM128 - DSP Estructura de la interfase Diagrama de tiempos Proyecciones comerciales 23

24 Rentabilidad comercial u$s7.000,00 u$s10.995,00 u$s1.095,00 Uso didáctico del equipo El prototipo también tiene como objetivo ser útil para trabajar en ambientes donde se desee experimentar con procesamiento de señales digitales abstrayéndose de la capa de hardware, es decir, permite concentrar esfuerzos en el software dejando de lado el hardware. 24

25 Posibilidades de expansión Interfase USB. Su función sería permitir la adquisición de audio en una PC sin necesidad de utilizar una placa de sonido específica. Interfase MIDI. Permitiría la integración de la consola con otros instrumentos y procesadores digitales. Desarrollar módulos de procesamiento individuales. Así se le daría la posibilidad al consumidor de armar un equipo adaptado a sus necesidades específicas. 25

26 Ejemplo de uso del equipo Conclusiones Se logró diseñar un procesador de audio digital basado en un DSP y una pantalla sensible al tacto. El equipo posee un carácter didáctico que le permite ser utilizado en ambientes donde se requiere concentrar esfuerzos en el software, dejando de lado el hardware. Con esfuerzo es posible alcanzar un dispositivo comercialmente competitivo para hacer frente a las marcas extranjeras Es posible fabricar equipos adaptados específicamente a las necesidades de cada usuario. 26

27 Muchas gracias por su atención 27

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