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OrganizaciónOrganización
• Introducción• Breve repaso teórico• Prototipo construido• Microcontrolador Freescale MCF51JM128• Freescale DSP56371• Algoritmos de procesamiento• Proyecciones comerciales• Conclusiones
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IntroducciónIntroducción
El Procesamiento Digital de Señales:El Procesamiento Digital de Señales:Áreas de trabajoÁreas de trabajo
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MotivacionesMotivaciones
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 postventaserio.
Se requiere un sistema capaz de procesar varios canales de audiode manera completamente digital, dando la posibilidad de aplicar ecualización, agregar efectos (distorsión, eco, etc.) y separar frecuencias (crossover).
ObjetivosObjetivos
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 elusuario
Diseñar un producto comercialmente competitivo para hacer frente a las marcas actuales.
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Breve repaso teóricoBreve repaso teórico
¿Qué es el audio?¿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?¿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 DigitalAudio Analógico Vs. Audio Digital
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.
Cadena de procesamiento analógico
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Ventajas del audio digitalVentajas 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 digitalDesventajas del audio digitalImposibilidad 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)Que es un procesador digital de señales (DSP)
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Prototipo construidoPrototipo construido
IntroducciónIntroducción
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Diagrama en bloquesDiagrama 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 consolaCaracterísticas 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 programaciónEstructura de la programación
DSP: Eclipse Symphony Studio
Microcontrolador: Freescale Codewarrior V6.2
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Microcontrolador Microcontrolador
Freescale Freescale FlexisFlexis MCF51JM128MCF51JM128
Características generalesCaracterísticas generales
Núcleo V1 ColdFire de 32 bitsNúcleo V1 ColdFire de 32 bits
128 128 KBytesKBytes de memoria Flashde memoria Flash
16 16 KbytesKbytes de memoria RAM de memoria RAM
Interfase USBInterfase USB
Conversor A/D de 12 bitsConversor A/D de 12 bits
2 interfases SPI2 interfases SPI
51 puertos de entrada/salida (GPIO)51 puertos de entrada/salida (GPIO)
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KitKit Freescale DEMOJMFreescale DEMOJM
Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)
Estructura física1. 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
El touchscreen utilizado es de tipo resistivo
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Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)Pantalla sensible al tacto (Touchscreen)
Equivalente eléctrico
Lectura del touchscreen Lectura del touchscreen Lógica de control del touchscreen
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Representación de imágenesRepresentación de imágenesEstructura de la memoria de video
Longitud memoria de video = 240 píxeles . 320 píxeles = 76800 Bytes
Representación de imágenes (CONT.)Representación de imágenes (CONT.)Funcionamiento de la paleta de colores
Estructura de los píxeles
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Representación de imágenes (CONT.)Representación de imágenes (CONT.)Menú interactivo
Freescale Symphony Freescale Symphony DSP56371DSP56371
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Características generalesCaracterísticas generales
Arquitectura Harvard de 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
ComparacionesComparaciones
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KitKit Freescale Symphony Freescale Symphony SoundBiteSoundBite
Transferencia de audioTransferencia de audioProtocolo I2S (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 I2S
consiste de 3 líneas:
Las muestras se transmiten en complemento a 2 con signo.
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Transferencia de audio (CONT.)Transferencia de audio (CONT.)Módulos ESAI (Enhanced serial audio interfase) del DSP
Codecs de audioCodecs de audioAKM 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.
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Codecs de audio (CONT.)Codecs de audio (CONT.)AKM AK4556
Cadena de procesamiento de audioCadena de procesamiento de audio
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Algoritmos de procesamientoAlgoritmos de procesamientoEcualizador de 5 bandas estereo. Estructura general
Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)Estructura individual de cada filtro
Ecuación en diferencias
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Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)Cámara de reverberación (Primera implementación)
Cámara de reverberación (Segunda implementación)
a = 0,5
Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)Cámara de eco
Distorsión “Overdrive”
a = 0,5
superior inferior LímiteLímite =
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Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)
Distorsión “Fuzz”
(1)
(2)
(3)
Tono senoidal puro
Generación de armónicos de orden superior
Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)Representación temporal y en la frecuencia
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Algoritmos de procesamiento (CONT.)Algoritmos de procesamiento (CONT.)Crossover (divisor de frecuencias)
Ruteo de canalesRuteo de canales
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Comunicación JM128 Comunicación JM128 -- DSPDSPEstructura de la interfase
Diagrama de tiempos
Proyecciones comercialesProyecciones comerciales
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Rentabilidad comercialRentabilidad comercial
u$s7.000,00
u$s10.995,00
u$s1.095,00
Uso didáctico del equipoUso 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 expansiónPosibilidades 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 armarun equipo adaptado a sus necesidades específicas.
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Ejemplo de uso del equipoEjemplo de uso del equipo
ConclusionesConclusiones
Se logró diseñar un procesador de audio digital basado en un DSPy 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 software, dejando de lado el hardware.
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Muchas gracias por su atención