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Di il Si lbi Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs
Fachgruppenworkshop Di i l Signalverarbeitung Digitale Si l b i mit FPGAs Salzburg, März 2010 Fachgruppenworkshop Oswald Fachgruppenworkshop HTBLuVA Pinkafeld Höhere Lehranstalt für Elektronik Ausbildungsschwerpunkt: Computer- und Leittechnik Prof. Dipl.-Ing. Karlheinz Oswald Fachgruppenworkshop Oswald Abteilung E Höh Höhere Lehranstalt L h t lt für fü Elektronik El kt ik 5 Jahrgänge, Jahrgänge zweizügig 10 Klassen ca. 300 Schüler Fachtheorie: 10 Lehrer Fachpraxis: 10 Lehrer Fachgruppenworkshop Oswald Rückblick 2009 Th Thema: Z Zusammenarbeit b it Fachtheorie F hth i - Fachpraxis F h i Bau eines Roboters Projekt der 1. – 4. JG 08/09: ca. 55 Stück, nur 4.JG 09/10: 1. – 4.JG. beteiligt Juni 2010: 2 2-tägiger tägiger Wettbewerb Fachgruppenworkshop Oswald Digitale Signalverarbeitung H kö Herkömmlicher li h Ansatz A t DSPs Zahlreiche Algorithmen Schnell in der Verarbeitung Hohe Busfrequenzen Problem: Layout Fachgruppenworkshop Oswald Digitale Signalverarbeitung Lö Lösung mit it FPGA FPGAs ohne DSP-Core Benötigen "nur" Versorgung Funktionen sofort verfügbar Speicherstrukturen p Viele I/O-Pins Unflexible Lösung Fachgruppenworkshop Oswald Digitale Signalverarbeitung Di it l Audio Digital A di mit it FPGAs FPGA S i ll Verarbeitung Serielle V b it Wordclock 48kHz Bitclock 6,144MHz S h Synchrone Schaltungen S h lt Parameterübergabe asynchron Fachgruppenworkshop Oswald Digitale Signalverarbeitung FPGAs FPGA ALTERA FLEX10k50RC240-10 SRAM basierend 2880 Logic Elements PQFP 240, 240 189 User I/O Fachgruppenworkshop Oswald Konkreter Einsatz Di it l Audiosysteme Digitale A di t in i ORF Landesstudios, L d t di Funkhaus F kh Wien Wi Di it l A Digital Audio di mit it FPGAs FPGA Fa. ACOUSTA Rundfunktechnik System D500 S Start d der Entwicklung E i kl 1996 1. Anlage November 1997 Fachgruppenworkshop Oswald Konkreter Einsatz R li i t Funktionen Realisierte F kti mit it FPGAs FPGA Signalprocessing Fader / Panorama Summen Equalizer Dynamics Pegelanzeigen / Korrelatoren " Drahtwaschel " Fachgruppenworkshop Oswald Konkreter Einsatz R li i t Funktionen Realisierte F kti mit it FPGAs FPGA Steuerungsaufgaben IPC-Interface Steuerung und Datenaufbereitung für Fiber Optic Link Routing der Kreuzschiene Clock-Synchronisation I/O Signalisierung, etc. Fachgruppenworkshop Oswald Konkreter Einsatz FPGAs FPGA ALTERA Flex 10k 50.000 Gatter equivalent SRAM basierend Konfiguration mit OTP, seriell ALTERA MAX+plus II Graphisch, p , AHDL Fachgruppenworkshop Oswald Ressourcen Alt Altera FLEX 10k Logic L i Element El t Fachgruppenworkshop Oswald Ressourcen Alt Altera FLEX 10k Logic L i Array A Block Bl k (LAB) Fachgruppenworkshop Oswald Ressourcen Alt Altera FLEX 10k Embedded E b dd d Array A Block Bl k (EAB) Fachgruppenworkshop Oswald Ressourcen Alt Altera FLEX 10k Device D i Block Bl k Diagram Di Fachgruppenworkshop Oswald Konzept F ti Fertige Einheit Ei h it Applikationskarte IPC Half-Size-CPU Netzwerkkarte Passive Backplane Netzteil 19“-Gehäuse Fachgruppenworkshop Oswald Konzept Z t l Audiobearbeitungssystem Zentrales A di b b it t Digital Audio zentral im HKR Kreuzschiene 320 x 320 stereo Im Studio nur Oberfläche Zentrale Ein- und Ausgänge Lokale Ein- und Ausgänge Netzwerk,, Audio über Lichtleiter Fachgruppenworkshop Oswald Realisierung A di Audio PC-Einschubkarten PC Einschubkarten -9dBFS Intern +33dBFS Multi Channel Link Fiber-Optic Link, 155MBit 32 Kanäle in Stereo Fachgruppenworkshop Oswald Realisierung PC Ei PC-Einschubkarten h bk t AT-Bus AT Bus Interface Kein Audio am PC-Bus Parameterübergabe über DPRAM Gepuffert mit 1µF VCXO, PLL: 48kHz und 6,144MHz extern synchronisiert y Fachgruppenworkshop Oswald Digital Audio A l Analoge Eingänge Ei ä Steuerung des analogen Vorverstärkers Steuerung der AD/Wandler MS / XY - Umschaltung Phantom-Speisung Mono, L auf beide, R auf beide Seitentausch, Phase Fachgruppenworkshop Oswald Digital Audio A l Analoge Ausgänge A ä Detektor für Übersteuerung Klippt "analog", kein Überlauf Mono L auf beide, Mono, beide R auf beide Seitentausch, Phase Mono, L auf beide, R auf beide Kommando-Patch Fachgruppenworkshop Oswald Digital Audio V fü b Verfügbare Geräte G ät mit it Digital Di it l Audio A di Analoge Ein- und Ausgänge AES/EBU Ein- und Ausgänge Kreuzschiene, 320 x 320 Stereo Fader- und Summen-Einheiten Equalizer, Dynamics Pegelanzeigen, Korrelatoren, Stereosichtgerät Fachgruppenworkshop Oswald Fader / Panorama G Grundüberlegungen düb l Serieller Multiplizierer Unabhängig von Signallänge LSB first nach 1 Clock gültiges Ergebnisbit 1 Rechenwerk mit 2 Koeffizienten 63-Bit Festkomma Fachgruppenworkshop Oswald Fader / Panorama G Grundüberlegungen düb l Parameter Fader/Panorama / vom IPC ins DPRAM 2 Koeffizientenregister: g L und R Nach WR_ in Zwischenregister Dann synchron über IIR-TP 1.Ordn. in Koeffizienten-Register Umschaltung mit LR-Signal Fachgruppenworkshop Oswald Fader / Panorama P i i Prinzipschaltung h lt Fachgruppenworkshop Oswald Fader / Panorama F ti Fertige Schaltung S h lt Half Size PC Einschubkarte Half-Size-PC-Einschubkarte 32-fach Fader/Panorama 1 Stück FLEX10k50 für Audio Beliebige Kennlinie über INI INI-File File Audio über Fiber-Optic-Link Fachgruppenworkshop Oswald Equalizer G Grundüberlegungen düb l Realisierung im Zeitbereich Allpassfilter in Kreuzgliedstruktur X(z) pk Ein-Multipliziererstruktur HA(k-1) (z) Notch aus Allpass 2.Ordnung Parametrischer 4-Band Equalizer Fachgruppenworkshop z--1 Y(z) Regalia et al., 1988 Oswald Equalizer N t h Filt 2.Grades Notch-Filter 2 G d mit it einem i All Allpass i Kreuzgliedstruktur in K li d t kt X(z) p2 p1 z--1 1/2 Y(z) Fachgruppenworkshop z--1 p1 …… Frequenz der Antiresonanz p2 …… Bandbreite des Filters Oswald Equalizer St kt des Struktur d Equalizer-Filters E li Filt von Regalia R li und d Mit Mitra 1 1+cEQ (Notch) X(z) Y(z) HA2(z) (Resonanz) cEQ > 1 … Filter hebt an Fachgruppenworkshop cEQ 1+cEQ Oswald 4-Band parametrischer Equalizer S h lt Schaltung Fachgruppenworkshop Oswald Equalizer E Ergebnis b i 32-fach 4-Band-Equalizer Full-Size-PC Einschubkarte Audio über MCL, 32 x Stereo 8 Stück Flex10k50 für Audio 63bit Festkomma Fachgruppenworkshop Oswald Equalizer E Ergebnis b i Frequenzbereich 40Hz – 20kHz Güte von 0,7 - 4,3 Pegel ±12dB in 1dB-Schritten Viel Lob von Tonmeistern " … klingt sehr analog …" Fachgruppenworkshop Oswald Dynamics A f d Anforderungen 32-fach Kompressor / Limiter Parameter: Threshold Attack- / Release-Time Ratio (1,5:1 … 10:1) Fachgruppenworkshop Oswald Dynamics R li i Realisierung Faderblock mit dynamischen Parametern Herausforderung: RATIO Ratio N:1 => N-te Wurzel Newton-Näherung mit Anfangswerttabelle Berechnung mit 1 Iteration Fachgruppenworkshop Oswald Fazit Di it l Audio Digital A di mit it FPGA H t gängige Heute ä i P Praxis i Fa.ACOUSTA: ACEX statt FLEX Grundschaltungen unverändert K Kreuzschiene hi mit it FPGA 1024 x 1024, Fader, Summen => ca. 55 Stück ACEX Fachgruppenworkshop Oswald Conclusio Di it l Signalverarbeitung Digitale Si l b it T h l i 15 Jahre Technologie J h alt lt Heute Gatter-Equivalent > 106 Algorithmen unverändert Vielfältige Anforderungen Einsatz im Schulbereich ??? Fachgruppenworkshop Oswald
