Efectos de Sonico - DSP - PSoC, Tesinas de Procesamiento de Señales Digitales

¡Descarga Efectos de Sonico - DSP - PSoC y más Tesinas en PDF de Procesamiento de Señales Digitales solo en Docsity! Universidad Católica “Nuestra Señora de Asunción” Sede Regional Asunción Departamento de Ingeniería Electrónica e Informática Procesamiento Digital de Señales Efectos para una señal de audio. Luis Prieto Y00106 Maria del Mar Mereles Motta Y00747 8vo Semestre Año 2019 Profesor: PhD. Ing. Enrique Vargas Indice Introducción 3 Objetivos 3 Objetivo General 3 Objetivos Específicos 3 Conceptos Fundamentales 4 ¿Qué es un efecto de audio? 4 Clasificación de los efectos de audio 4 Diagrama de Bloque 5 Filtro Anti-alias 6 Filtro Paso Alto 8 Arquitectura del PsoC 9 ADC 10 Clock 11 DAC 12 Algoritmo de Filtrado 13 Criterios de diseño de los filtros 13 Efectos 13 Slapback 13 Flanging 15 Chorus 16 Reverberador 17 Tremolo 19 Implementación en el PsoC 21 SNR 22 Nivel de Cuantización: 22 Error de Cuantización: 22 Relación Señal Ruido: 22 Anexo 23 Conclusion 24 Bibliografía 25 2 Diagrama de Bloque FIGURA 2. Diagrama de bloque del circuito En el siguiente diagrama se puede observar que el sistema esta compuesto de un filtro Paso Bajos (anti-alias). El siguiente bloque es un filtro Paso Alto, para filtrar las señales de baja frecuencia menor a 100 Hz. Luego, el ADC, conversor analógico-digital que se encarga del muestreo y cuantización de las muestras adquiridas. El bloque DSP corresponde a los efectos implementados en forma de algoritmos, luego de que cierta muestra finalice su correspondiente procesamiento esta pasa al DAC, conversor digital- analógico, donde se reconstruye la señal. Luego, la etapa del Buffer, donde se adapta la impedancia, y finalmente pasa a la etapa de amplificación del audio. 5 LPF ADC DSP DAC AMPHPF BUFFER Filtro Anti-alias FIGURA 3. Filtro Anti-alias Butterworth. El filtro anti-alias es un paso bajo analógico, presente en dispositivos de digitalización, que limpia la señal antes de hacer una conversión analógica-digital. Su frecuencia de corte es de 20k Hz. El filtro es de tipo Múltiple Feedback, Butterworth de orden ocho. Su diseño se realizó gracias al uso de la herramienta FilterLab de TI Texas instruments. Se realizo el barrido en frecuencia del filtro anti-alias para analizar el peor caso posible. FIGURA 4. Montecarlo del Filtro Anti-Alias. 6 En el histograma se observa que el 90% de la señal de este filtro se encuentra entre el 1 y 1,025 V. FIGURA 5. Histograma del filtro Anti-Alias. Una vez implementado el filtro se procedió a medir la respuesta del mismo y se obtuvo la siguiente tabla: TABLA 2. Mediciones del filtro Anti-Alias implementado. 7 Frecuencia[Hz] Vi [V] Vo [V] Vo/Vi Ganancia [dB] 200 2 2 1 0 1000 2 2 1 0 3000 2 2 1 0 7000 2 2 1 0 12000 2 2 1 0 14000 2 2 1 0 16000 2 2 1 0 17000 2 1,88 0,94 -0,5374429 18000 2 1,76 0,88 -1,1103466 19000 2 1,48 0,74 -2,6153656 20000 2 1,28 0,64 -3,8764005 21000 2 1,04 0,52 -5,6799331 23000 2 0,64 0,32 -9,8970004 27000 2 0,2 0,1 -20 350000 2 0,05 0,025 -32,0412 ADC FIGURA 9. Configuración del bloque ADC. indica la configuración del ADC_SAR con una resolución de 10 bits, en input range, un VDDA Diferencial, que tendrá un valor de 7,5 V a -2,5V. Un tema importante a tener en cuenta es el valor de la tasa de conversión del ADC, con nuestra Frecuencia de muestro definida a 60k Hz, debemos configurar el CONVERSION RATE a una tasa mucho mayor, esto debido a dar suficiente tiempo al bloque del ADC para procesar las muestras, con este criterio se tiene en cuenta el tiempo de interrupción y el tiempo de ejecución de nuestro algoritmo. Este valor finalmente lo dejamos en 100000 muestras por segundo. 10 Clock FIGURA 10. Configuración del Clock. Como se puede observar en la imagen el Clock esta configurado a 74,7M Hz. Esto con la intención de poder realizar lo mas rápido posible cualquier instrucción, disminuyendo así en lo posible el tiempo de ejecución del algoritmo de filtrado. 11 DAC FIGURA 11. Configuración del bloque DAC. Para la conversión de datos de digital-analógica, se utiliza un bloque VDAC, este bloque recompondrá la señal filtrada, con una resolución de 8 bits y un valor de voltaje inicial de 1600 mV. La figura muestra la configuración del DAC que se utilizo. 12 Flanging El efecto flanging provoca un sonido metalizado oscilante, sobre todo en frecuencias medias y altas, superpuesto al audio original. Se consigue mezclando el audio original con una única versión retardada en el tiempo, pero con la particularidad de que el tiempo de retardo es muy breve y varía de manera periódica. FIGURA 15.Diagrama de bloques del efecto Flanging basado en un filtro Comb FIR con retardo variable. La ecuación de diferencias de este filtro es: , Donde, ! Siendo f la frecuencia que marca la velocidad de flanging, A el valor máximo de variación del tiempo de retardo respecto a M0, M0 es el valor medio del tiempo de retardo. Los valores habituales de M0 están entre 0 y 15 milisegundos. La función de transferencia de este tipo de filtro varía con el tiempo. FIGURA 16. Señal original y filtrada con el efecto Flanging. y[n] = αx[n] + βx[n − M(n)] |α | < 1 M(n) = M0(1 + Asen(2π f nT ) 15 FIGURA 17. Señal Retardadora del efecto Flanging. Chorus El efecto chorus consiste en añadir al audio original múltiples copias retardadas entre 10 y 25 milisegundos respecto al original (10 ≤ τ (n) ≤ 25 milisegundos) y con pequeños cambios aleatorios en el tiempo de retardo. El efecto creado es que al audio original lo acompaña un “coro”, y por eso tiene este nombre. FIGURA 18. Diagrama de bloque del efecto Chorus basado en un filtro Comb IIR. Si τ es el tiempo de retardo y β la ganancia (inverso de la atenuación) de las versiones retardadas, la ecuación de diferencias del filtro es la siguiente: , Donde, Siendo x[n] es el sonido original, y[n] el sonido con el efecto y fm es la frecuencia de muestreo. La función de transferencia es la siguiente: y[n] = αx[n] + βy[n − M ] |α | < 1 M = τ fm H(z) = α 1 − βz−M 16 FIGURA 19. Señal original y filtrada con el efecto Chorus. FIGURA 20. Magnitud y Fase del efecto Chorus. Reverberador Con un filtro reverberador se consigue un efecto de reverberación que consiste en crear una reverberación artificial en el audio de entrada. Perceptivamente, el efecto de reverberación aporta calidez al sonido. La reverberación natural se genera por la reflexión del sonido, que llega al oyente cuando todavía no se ha extinguido el sonido original. Por lo tanto, este efecto está formado por múltiples versiones retardadas que se suman al original; los retardos de cada una de las versiones, es decir, el valor de τ, no supera los 50 milisegundos. Para 17 FIGURA 25. Señal original y filtrada con el efecto Tremolo. FIGURA 26. Señal Moduladora LFO. 20 Implementación en el PsoC //----------// Algoritmo ternario de la pila de 2400 posiciones (40ms) //----------// muestra= muestra>=2399 ? 0 : muestra +1 ; x[muestra] = ADC_CountsTo_Volts(ADC_GetResult16()); //Obtengo el valor de la entrada del ADC /*------------ SALTO A LOS EFECTOS DE SONIDO DISPONIBLES ------------*/ switch(ESTADO){ case 0: //Sin efecto de sonido y[muestra]= x[muestra]; break; case 2: //Efecto con un retardo de 40ms -- "Slapback" //----------// Algoritmo de control de la pila //----------// y[muestra]= muestra<2399 ? (0.5*x[muestra] + 0.7*x[muestra+1]) : (0.5*x[2399] + 0.7*x[0]) ; break; case 3: //Filtro Reverberador //----------// Algoritmo de control de la pila //----------// y[muestra]= muestra<2399 ? (-0.9*x[muestra] + x[muestra+1] + 0.7*y[muestra+1]) : (-0.9*x[2399] + x[0] + 0.7*y[0]); break; case 4: //Efecto con realimentacion de la entrada de 18ms -- "Chorus" //----------// Algoritmo de control de la pila //----------// y[muestra]= muestra<1320 ? (x[muestra] + 0.5*y[muestra + 1080]) : (x[muestra] + 0.5*y[muestra - 1320]); break; case 1: //Efecto de retardo variable -- "Flanging" //----------// Algoritmo de control de la pila //----------// Flanging= (muestra + SENO2[i])>2399 ? (muestra + SENO2[i])-2399 : (muestra + SENO2[i]) ; y[muestra]= x[muestra] + 0.7*x[Flanging]; break; case 5: //Modulador AM - Tremolo //----------// Algoritmo de control de la pila //----------// y[muestra]= muestra<2399 ? 0.8*SENO[CONTADOR]*x[muestra] : 0.8*SENO[CONTADOR]*x[2399]; break; } DAC_SetValue(ganancia*y[muestra]+offset); //Esctibo en la salida(DAC) el valor procesado digitalmente 21 TABLA 3. Resumen de los efectos generados. SNR Nivel de Cuantización: Error de Cuantización: En procesamiento digital de señales, la cuantización es la discretización de un rango continuo de amplitudes por aproximación de valores. El resultado será un grupo más reducido de amplitudes discretas. La cuantización es el segundo proceso dentro de la digitalización de una señal, precedido por el muestreo y seguido por la codificación. Relación Señal Ruido: La relación señal-ruido o SNR (Signal to Noise Ratio) mide la proporción relativa que existe entre la energía de la señal de datos y una determinada señal de ruido, que generalmente se suma a la señal. Para medir el SNR del sistema se utiliza la siguiente formula: q = VFSR 2N = 5 210 = 4,8828m V SNR = 20log10( RMSinput  RMSeq ) RMSinput = 5 2 2 = 1,7677 V  RMSeq = 5 210 2 = 1,4095m V SNR = 20log10( RMSinput  RMSeq ) = 20log10( 1,7677 1,4095m ) = 61,96 dB 22 Efecto Tiempo de Retardo Modulacion Numero de Retardos Sistema Generador Basado en Slapback 25 ms - 50 ms — 1 Filtro Comb FIR Flanging 0 ms - 15 ms Sinusoidal (0,1 Hz - 1 Hz) 1 Filtro Comb FIR, retardo variable Chorus 10 ms - 25 ms Aleatoria 1 - Infinito Filtro Comb IIR Reverberacion < 50 ms — Infinito Filtro Reverberador Tremolo — Sinusoidal (<20 Hz) — Modulador de Amplitud