FachgruppenworkshopOswald Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs Salzburg, März 2010 Fachgruppenworkshop.

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1 FachgruppenworkshopOswald Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs Salzburg, März 2010 Fachgruppenworkshop

2 Oswald HTBLuVA Pinkafeld Fachgruppenworkshop Höhere Lehranstalt für Elektronik Ausbildungsschwerpunkt: Computer- und Leittechnik Prof. Dipl.-Ing. Karlheinz Oswald

3 FachgruppenworkshopOswald Höhere Lehranstalt für Elektronik 5 Jahrgänge, zweizügig ca. 300 Schüler Fachtheorie: 10 Lehrer Fachpraxis: 10 Lehrer Abteilung E 10 Klassen

4 FachgruppenworkshopOswald 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

5 FachgruppenworkshopOswald Herkömmlicher Ansatz DSPs Schnell in der Verarbeitung Hohe Busfrequenzen Problem: Layout Digitale Signalverarbeitung Zahlreiche Algorithmen

6 FachgruppenworkshopOswald Lösung mit FPGAs Benötigen "nur" Versorgung Speicherstrukturen Viele I/O-Pins Unflexible Lösung Digitale Signalverarbeitung Funktionen sofort verfügbar ohne DSP-Core

7 FachgruppenworkshopOswald Digital Audio mit FPGAs Wordclock 48kHz Synchrone Schaltungen Parameterübergabe asynchron Digitale Signalverarbeitung Bitclock 6,144MHz Serielle Verarbeitung

8 FachgruppenworkshopOswald FPGAs FLEX10k50RC240-10 2880 Logic Elements PQFP 240, 189 User I/O Digitale Signalverarbeitung SRAM basierend ALTERA

9 FachgruppenworkshopOswald 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

10 FachgruppenworkshopOswald Realisierte Funktionen mit FPGAs Signalprocessing Summen Equalizer Dynamics Konkreter Einsatz Fader / Panorama Pegelanzeigen / Korrelatoren " Drahtwaschel "

11 FachgruppenworkshopOswald 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

12 FachgruppenworkshopOswald FPGAs ALTERA Flex 10k SRAM basierend Konfiguration mit OTP, seriell ALTERA MAX+plus II Konkreter Einsatz 50.000 Gatter equivalent Graphisch, AHDL

13 FachgruppenworkshopOswald Altera FLEX 10k Logic Element Ressourcen

14 FachgruppenworkshopOswald Altera FLEX 10k Logic Array Block (LAB) Ressourcen

15 FachgruppenworkshopOswald Altera FLEX 10k Embedded Array Block (EAB) Ressourcen

16 FachgruppenworkshopOswald Altera FLEX 10k Device Block Diagram Ressourcen

17 FachgruppenworkshopOswald Fertige Einheit Applikationskarte Netzwerkkarte Passive Backplane Netzteil Konzept IPC Half-Size-CPU 19-Gehäuse

18 FachgruppenworkshopOswald 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

19 FachgruppenworkshopOswald Audio -9dBFS Multi Channel Link Fiber-Optic Link, 155MBit 32 Kanäle in Stereo Realisierung Intern +33dBFS PC-Einschubkarten

20 FachgruppenworkshopOswald PC-Einschubkarten AT-Bus Interface Parameterübergabe über DPRAM Gepuffert mit 1µF VCXO, PLL: 48kHz und 6,144MHz Realisierung Kein Audio am PC-Bus extern synchronisiert

21 FachgruppenworkshopOswald Analoge Eingänge Steuerung des analogen Vorverstärkers Phantom-Speisung Mono, L auf beide, R auf beide Seitentausch, Phase Digital Audio MS / XY - Umschaltung Steuerung der AD/Wandler

22 FachgruppenworkshopOswald Analoge Ausgänge Detektor für Übersteuerung Seitentausch, Phase Mono, L auf beide, R auf beide Kommando-Patch Digital Audio Mono, L auf beide, R auf beide Klippt "analog", kein Überlauf

23 FachgruppenworkshopOswald Verfügbare Geräte mit Digital Audio Analoge Ein- und Ausgänge Kreuzschiene, 320 x 320 Stereo Fader- und Summen-Einheiten Equalizer, Dynamics Digital Audio AES/EBU Ein- und Ausgänge Pegelanzeigen, Korrelatoren, Stereosichtgerät

24 FachgruppenworkshopOswald Grundüberlegungen Unabhängig von Signallänge nach 1 Clock gültiges Ergebnisbit Fader / Panorama LSB first Serieller Multiplizierer 1 Rechenwerk mit 2 Koeffizienten 63-Bit Festkomma

25 FachgruppenworkshopOswald 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

26 FachgruppenworkshopOswald Prinzipschaltung Fader / Panorama

27 FachgruppenworkshopOswald 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

28 FachgruppenworkshopOswald Grundüberlegungen Allpassfilter in Kreuzgliedstruktur Notch aus Allpass 2.Ordnung Equalizer Ein-Multipliziererstruktur X(z ) Y(z ) z --1 pkpk H A (k-1) (z) Regalia et al., 1988 Realisierung im Zeitbereich Parametrischer 4-Band Equalizer

29 FachgruppenworkshopOswald Notch-Filter 2.Grades mit einem Allpass in Kreuzgliedstruktur Equalizer z --1 p1p1 X(z ) Y(z ) z --1 p2p2 1/2 p 1 …… Frequenz der Antiresonanz p 2 …… Bandbreite des Filters

30 FachgruppenworkshopOswald Struktur des Equalizer-Filters von Regalia und Mitra Equalizer X(z ) Y(z ) H A2 (z ) 1+c EQ c EQ 1+c EQ 1 (Notch) (Resonanz) c EQ > 1 … Filter hebt an

31 FachgruppenworkshopOswald Schaltung 4-Band parametrischer Equalizer

32 FachgruppenworkshopOswald Ergebnis Full-Size-PC Einschubkarte 8 Stück Flex10k50 für Audio Equalizer Audio über MCL, 32 x Stereo 32-fach 4-Band-Equalizer 63bit Festkomma

33 FachgruppenworkshopOswald Ergebnis Güte von 0,7 - 4,3 Viel Lob von Tonmeistern Equalizer Pegel ±12dB in 1dB-Schritten Frequenzbereich 40Hz – 20kHz " … klingt sehr analog …"

34 FachgruppenworkshopOswald Parameter: Attack- / Release-Time Threshold 32-fach Kompressor / Limiter Ratio (1,5:1 … 10:1) Anforderungen Dynamics

35 FachgruppenworkshopOswald Realisierung Ratio N:1 => N-te Wurzel Dynamics Herausforderung: RATIO Faderblock mit dynamischen Parametern Newton-Näherung mit Anfangswerttabelle Berechnung mit 1 Iteration

36 FachgruppenworkshopOswald 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

37 FachgruppenworkshopOswald Digitale Signalverarbeitung Algorithmen unverändert Conclusio Heute Gatter-Equivalent > 10 6 Technologie 15 Jahre alt Vielfältige Anforderungen Einsatz im Schulbereich ???