Introducción. El Procesamiento Digital de Señales: Áreas de trabajo

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Organización

• Introducción

• Breve repaso teórico

• Prototipo construido

• Microcontrolador Freescale MCF51JM128

• Freescale DSP56371

• Algoritmos de procesamiento

• Proyecciones comerciales

• Conclusiones

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Introducción

El Procesamiento Digital de Señales:

Áreas de trabajo

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Motivaciones

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.

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).

Objetivos

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.

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 competitivopara hacer frente a las marcas actuales.

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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.

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¿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

Cada equipo de procesamiento analógico agrega ruido y distorsióna la señal de manera inversamente proporcional a la calidad del mismo.

En cambio, la información digital se puede transferir un

número ilimitado de vecesdesde un sistema a otro sin ningún tipo de degradación.

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Ventajas del audio digital 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 Desventajas del audio digital

Imposibilidad de implementar con exactitud ciertos efectos que tienen origen en equipos analógicos. Por ejemplo, distorsiones logradas con

sistemas valvulares.

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.

Que es un procesador digital de señales (DSP)

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Prototipo construido

Introducción

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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.

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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

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Microcontrolador

Freescale

Flexis

MCF51JM128

Características generales

Núcleo V1 ColdFire de 32 bits

Núcleo V1 ColdFire de 32 bits 128

128 KBytesKBytesde memoria Flashde memoria Flash

16

16 KbytesKbytesde memoria RAM de memoria RAM Interfase USB

Interfase USB

Conversor A/D de 12 bits

2 interfases SPI

51 puertos de entrada/salida (GPIO)

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Kit

Freescale DEMOJM

Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)

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

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Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)

Equivalente eléctrico

Lectura del touchscreen

Lógica de control del touchscreen

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Representación de imágenes

Estructura de la memoria de video

Longitud memoria de video = 240 píxeles . 320 píxeles = 76800 Bytes

Representación de imágenes (CONT.)

Funcionamiento de la paleta de colores

Estructura de los píxeles

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Representación de imágenes (CONT.)

Menú interactivo

Freescale Symphony

DSP56371

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Características generales

Arquitectura Harvardde 24 bits en punto fijo 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 24 × 24-bit

Acumuladores de doble presición (56 bits)

Módulos específicos para procesamiento de audio en tiempo real(EFCOP; DAX, ESAI,

etc.)

Estructura interna del DSP

Comparaciones

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Kit

Freescale Symphony

SoundBite

Transferencia de audio

Protocolo I2_{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 I2_S

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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 sincronismopara la transmisión y recepción de las muestras de audio entre el DSP y los codecs.

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Codecs de audio (CONT.)

AKM AK4556

Cadena de procesamiento de audio

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Algoritmos de procesamiento

Ecualizador de 5 bandas estereo. Estructura general

Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Estructura individual de cada filtro

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Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Cámara de reverberación (Primera implementación)

Cámara de reverberación (Segunda implementación)

a = 0,5

Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Cámara de eco

Distorsión “Overdrive”

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Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Distorsión “Fuzz”

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Tono senoidal puro

Generación de armónicos de orden superior

Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Representación temporal y en la frecuencia

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Algoritmos de procesamiento (CONT.)

Crossover (divisor de frecuencias)

Ruteo de canales

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Comunicación JM128

-

DSP

Estructura de la interfase Diagrama de tiempos

Proyecciones comerciales

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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.

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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.

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Ejemplo de uso del equipo

Conclusiones

Se logró diseñar un procesador de audio digital basado en un DSP y una pantalla sensible al tacto.

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.

El equipo posee un carácter didáctico que le permite ser utilizado en ambientes donde se requiere concentrar esfuerzos en el

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