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Fachgruppenworkshop Oswald
Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs
Salzburg, März 2010
Fachgruppenworkshop
Fachgruppenworkshop Oswald
HTBLuVA Pinkafeld
Fachgruppenworkshop
Höhere Lehranstalt für Elektronik
Ausbildungsschwerpunkt: Computer- und Leittechnik
Prof. Dipl.-Ing. Karlheinz Oswald
Fachgruppenworkshop Oswald
Höhere Lehranstalt für Elektronik
5 Jahrgänge, zweizügig
ca. 300 Schüler
Fachtheorie: 10 Lehrer
Fachpraxis: 10 Lehrer
Abteilung E
10 Klassen
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Herkömmlicher Ansatz
DSPs
Schnell in der Verarbeitung
Hohe Busfrequenzen
Problem: Layout
Digitale Signalverarbeitung
Zahlreiche Algorithmen
Fachgruppenworkshop Oswald
Lösung mit FPGAs
Benötigen "nur" Versorgung
Speicherstrukturen
Viele I/O-Pins
Unflexible Lösung
Digitale Signalverarbeitung
Funktionen sofort verfügbar
ohne DSP-Core
Fachgruppenworkshop Oswald
Digital Audio mit FPGAs
Wordclock 48kHz
Synchrone Schaltungen
Parameterübergabe asynchron
Digitale Signalverarbeitung
Bitclock 6,144MHz
Serielle Verarbeitung
Fachgruppenworkshop Oswald
FPGAs
FLEX10k50RC240-10
2880 Logic Elements
PQFP 240, 189 User I/O
Digitale Signalverarbeitung
SRAM basierend
ALTERA
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Realisierte Funktionen mit FPGAs
Signalprocessing
Summen
Equalizer
Dynamics
Konkreter Einsatz
Fader / Panorama
Pegelanzeigen / Korrelatoren" Drahtwaschel "
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
FPGAs
ALTERA Flex 10k
SRAM basierend
Konfiguration mit OTP, seriell
ALTERA MAX+plus II
Konkreter Einsatz
50.000 Gatter equivalent
Graphisch, AHDL
Fachgruppenworkshop Oswald
Altera FLEX 10k Logic Element
Ressourcen
Fachgruppenworkshop Oswald
Altera FLEX 10k Logic Array Block (LAB)
Ressourcen
Fachgruppenworkshop Oswald
Altera FLEX 10k Embedded Array Block (EAB)
Ressourcen
Fachgruppenworkshop Oswald
Altera FLEX 10k Device Block Diagram
Ressourcen
Fachgruppenworkshop Oswald
Fertige Einheit
Applikationskarte
Netzwerkkarte
Passive Backplane
Netzteil
Konzept
IPC Half-Size-CPU
19“-Gehäuse
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Audio
-9dBFS
Multi Channel Link
Fiber-Optic Link, 155MBit
32 Kanäle in Stereo
Realisierung
Intern +33dBFS
PC-Einschubkarten
Fachgruppenworkshop Oswald
PC-Einschubkarten
AT-Bus Interface
Parameterübergabe über DPRAMGepuffert mit 1µF
VCXO, PLL: 48kHz und 6,144MHz
Realisierung
Kein Audio am PC-Bus
extern synchronisiert
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Grundüberlegungen
Unabhängig von Signallänge
nach 1 Clock gültiges Ergebnisbit
Fader / Panorama
LSB first
Serieller Multiplizierer
1 Rechenwerk mit 2 Koeffizienten63-Bit Festkomma
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Prinzipschaltung
Fader / Panorama
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
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
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Schaltung
4-Band parametrischer Equalizer
Fachgruppenworkshop Oswald
Ergebnis
Full-Size-PC Einschubkarte
8 Stück Flex10k50 für Audio
Equalizer
Audio über MCL, 32 x Stereo
32-fach 4-Band-Equalizer
63bit Festkomma
Fachgruppenworkshop Oswald
Ergebnis
Güte von 0,7 - 4,3
Viel Lob von Tonmeistern
Equalizer
Pegel ±12dB in 1dB-Schritten
Frequenzbereich 40Hz – 20kHz
" … klingt sehr analog …"
Fachgruppenworkshop Oswald
Parameter:
Attack- / Release-Time
Threshold
32-fach Kompressor / Limiter
Ratio (1,5:1 … 10:1)
Anforderungen
Dynamics
Fachgruppenworkshop Oswald
Realisierung
Ratio N:1 => N-te Wurzel
Dynamics
Herausforderung: RATIO
Faderblock mit dynamischen Parametern
Newton-Näherung mit Anfangswerttabelle
Berechnung mit 1 Iteration
Fachgruppenworkshop Oswald
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
Fachgruppenworkshop Oswald
Digitale Signalverarbeitung
Algorithmen unverändert
Conclusio
Heute Gatter-Equivalent > 106
Technologie 15 Jahre alt
Vielfältige Anforderungen
Einsatz im Schulbereich ???