FachgruppenworkshopOswald Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs Salzburg, März 2010 Fachgruppenworkshop

Fachgruppenworkshop Oswald

Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs

Salzburg, März 2010

Fachgruppenworkshop


HTBLuVA Pinkafeld

Fachgruppenworkshop

Höhere Lehranstalt für Elektronik

Ausbildungsschwerpunkt: Computer- und Leittechnik

Prof. Dipl.-Ing. Karlheinz Oswald


Höhere Lehranstalt für Elektronik

5 Jahrgänge, zweizügig

ca. 300 Schüler

Fachtheorie: 10 Lehrer

Fachpraxis: 10 Lehrer

Abteilung E

10 Klassen


Thema: Zusammenarbeit Fachtheorie - Fachpraxis

Bau eines Roboters

08/09: ca. 55 Stück, nur 4.JG

09/10: 1. – 4.JG. beteiligt

Juni 2010: 2-tägiger Wettbewerb

Rückblick 2009

Projekt der 1. – 4. JG


Herkömmlicher Ansatz

DSPs

Schnell in der Verarbeitung

Hohe Busfrequenzen

Problem: Layout

Digitale Signalverarbeitung

Zahlreiche Algorithmen


Lösung mit FPGAs

Benötigen "nur" Versorgung

Speicherstrukturen

Viele I/O-Pins

Unflexible Lösung


Funktionen sofort verfügbar

ohne DSP-Core


Digital Audio mit FPGAs

Wordclock 48kHz

Synchrone Schaltungen

Parameterübergabe asynchron


Bitclock 6,144MHz

Serielle Verarbeitung


FPGAs

FLEX10k50RC240-10

2880 Logic Elements

PQFP 240, 189 User I/O


SRAM basierend

ALTERA


Digitale Audiosysteme in ORF Landesstudios, Funkhaus Wien

Fa. ACOUSTA Rundfunktechnik

Start der Entwicklung 1996

1. Anlage November 1997

Konkreter Einsatz

System D500

Digital Audio mit FPGAs


Realisierte Funktionen mit FPGAs

Signalprocessing

Summen

Equalizer

Dynamics

Konkreter Einsatz

Fader / Panorama

Pegelanzeigen / Korrelatoren" Drahtwaschel "


Realisierte Funktionen mit FPGAs

Steuerungsaufgaben

Routing der Kreuzschiene

Clock-Synchronisation

I/O Signalisierung, etc.

Konkreter Einsatz

IPC-Interface

Steuerung und Datenauf-bereitung für Fiber Optic Link


FPGAs

ALTERA Flex 10k

SRAM basierend

Konfiguration mit OTP, seriell

ALTERA MAX+plus II

Konkreter Einsatz

50.000 Gatter equivalent

Graphisch, AHDL


Altera FLEX 10k Logic Element

Ressourcen


Altera FLEX 10k Logic Array Block (LAB)

Ressourcen


Altera FLEX 10k Embedded Array Block (EAB)

Ressourcen


Altera FLEX 10k Device Block Diagram

Ressourcen


Fertige Einheit

Applikationskarte

Netzwerkkarte

Passive Backplane

Netzteil

Konzept

IPC Half-Size-CPU

19“-Gehäuse


Zentrales Audiobearbeitungssystem

Digital Audio zentral im HKR

Im Studio nur Oberfläche

Zentrale Ein- und Ausgänge

Lokale Ein- und Ausgänge

Konzept

Kreuzschiene 320 x 320 stereo

Netzwerk, Audio über Lichtleiter


Audio

-9dBFS

Multi Channel Link

Fiber-Optic Link, 155MBit

32 Kanäle in Stereo

Realisierung

Intern +33dBFS

PC-Einschubkarten


PC-Einschubkarten

AT-Bus Interface

Parameterübergabe über DPRAMGepuffert mit 1µF

VCXO, PLL: 48kHz und 6,144MHz

Realisierung

Kein Audio am PC-Bus

extern synchronisiert


Analoge Eingänge

Steuerung des analogen Vorverstärkers

Phantom-Speisung

Mono, L auf beide, R auf beideSeitentausch, Phase

Digital Audio

MS / XY - Umschaltung

Steuerung der AD/Wandler


Analoge Ausgänge

Detektor für Übersteuerung

Seitentausch, Phase

Mono, L auf beide, R auf beideKommando-Patch

Digital Audio

Mono, L auf beide, R auf beide

Klippt "analog", kein Überlauf


Verfügbare Geräte mit Digital Audio

Analoge Ein- und Ausgänge

Kreuzschiene, 320 x 320 StereoFader- und Summen-EinheitenEqualizer, Dynamics

Digital Audio

AES/EBU Ein- und Ausgänge

Pegelanzeigen, Korrelatoren, Stereosichtgerät


Grundüberlegungen

Unabhängig von Signallänge

nach 1 Clock gültiges Ergebnisbit

Fader / Panorama

LSB first

Serieller Multiplizierer

1 Rechenwerk mit 2 Koeffizienten63-Bit Festkomma


Grundüberlegungen

Parameter Fader/Panorama vom IPC ins DPRAM

Dann synchron über IIR-TP 1.Ordn. in Koeffizienten-Register

Fader / Panorama

Nach WR_ in Zwischenregister

2 Koeffizientenregister: L und R

Umschaltung mit LR-Signal


Prinzipschaltung

Fader / Panorama


Fertige Schaltung

Half-Size-PC-Einschubkarte

1 Stück FLEX10k50 für Audio

Beliebige Kennlinie über INI-File

Fader / Panorama

32-fach Fader/Panorama

Audio über Fiber-Optic-Link


Grundüberlegungen

Allpassfilter in Kreuzgliedstruktur

Notch aus Allpass 2.Ordnung

Equalizer

Ein-Multipliziererstruktur

X(z)

Y(z)

z--1

pk

HA(k-1) (z)

Regalia et al., 1988

Realisierung im Zeitbereich

Parametrischer 4-Band Equalizer


Notch-Filter 2.Grades mit einem Allpass in Kreuzgliedstruktur

Equalizer

z--1

p1

X(z)

Y(z)

z--1

p2

1/2p1 …… Frequenz der Antiresonanz

p2 …… Bandbreite des Filters


Struktur des Equalizer-Filters von Regalia und Mitra

Equalizer

X(z) Y(z)

HA2(z)

1+cEQ

cEQ

1+cEQ

1

(Notch)

(Resonanz)

cEQ > 1 … Filter hebt an


Schaltung

4-Band parametrischer Equalizer


Ergebnis

Full-Size-PC Einschubkarte

8 Stück Flex10k50 für Audio

Equalizer

Audio über MCL, 32 x Stereo

32-fach 4-Band-Equalizer

63bit Festkomma


Ergebnis

Güte von 0,7 - 4,3

Viel Lob von Tonmeistern

Equalizer

Pegel ±12dB in 1dB-Schritten

Frequenzbereich 40Hz – 20kHz

" … klingt sehr analog …"


Parameter:

Attack- / Release-Time

Threshold

32-fach Kompressor / Limiter

Ratio (1,5:1 … 10:1)

Anforderungen

Dynamics


Realisierung

Ratio N:1 => N-te Wurzel

Dynamics

Herausforderung: RATIO

Faderblock mit dynamischen Parametern

Newton-Näherung mit Anfangswerttabelle

Berechnung mit 1 Iteration


Digital Audio mit FPGA

Grundschaltungen unverändert

Fazit

Fa.ACOUSTA: ACEX statt FLEX

Heute gängige Praxis

Kreuzschiene mit FPGA

1024 x 1024, Fader, Summen=> ca. 55 Stück ACEX



Algorithmen unverändert

Conclusio

Heute Gatter-Equivalent > 106

Technologie 15 Jahre alt

Vielfältige Anforderungen

Einsatz im Schulbereich ???

Documents

FachgruppenworkshopOswald Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs Salzburg, März 2010 Fachgruppenworkshop