Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs

1. Digitale Signalverarbeitung mit FPGAs Fachgruppenworkshop Salzburg, März 2010

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

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

4. Rückblick 2009 Thema: Zusammenarbeit Fachtheorie - Fachpraxis 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-tägiger Wettbewerb

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

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

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

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

9. Konkreter Einsatz Digitale Audiosysteme in ORF Landesstudios, Funkhaus Wien Digital Audio mit FPGAs Fa. ACOUSTA Rundfunktechnik System D500 Start der Entwicklung 1996 1. Anlage November 1997

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

11. Konkreter Einsatz Realisierte Funktionen mit FPGAs Steuerungsaufgaben IPC-Interface Steuerung und Datenauf-bereitung für Fiber Optic Link Routing der Kreuzschiene Clock-Synchronisation I/O Signalisierung, etc.

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

13. Ressourcen Altera FLEX 10k Logic Element

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

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

16. Ressourcen Altera FLEX 10k Device Block Diagram

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

18. Konzept Zentrales Audiobearbeitungssystem 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

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

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

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

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

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

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

25. Fader / Panorama Grundüberlegungen Parameter Fader/Panorama vom IPC ins DPRAM 2 Koeffizientenregister: L und R Nach WR_ in Zwischenregister Dann synchron über IIR-TP 1.Ordn. in Koeffizienten-Register Umschaltung mit LR-Signal

26. Fader / Panorama Prinzipschaltung

27. Fader / Panorama Fertige Schaltung Half-Size-PC-Einschubkarte 32-fach Fader/Panorama 1 Stück FLEX10k50 für Audio Beliebige Kennlinie über INI-File Audio über Fiber-Optic-Link

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

29. Equalizer Notch-Filter 2.Grades mit einem Allpass in Kreuzgliedstruktur X(z) p2 p1 z--1 z--1 p1 …… Frequenz der Antiresonanz 1/2 p2 …… Bandbreite des Filters Y(z)

30. Equalizer Struktur des Equalizer-Filters von Regalia und Mitra 1 1+cEQ (Notch) X(z) Y(z) HA2(z) (Resonanz) cEQ cEQ > 1 … Filter hebt an 1+cEQ

31. 4-Band parametrischer Equalizer Schaltung

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

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

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

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

36. Fazit Digital Audio mit FPGA Heute gängige Praxis Fa.ACOUSTA: ACEX statt FLEX Grundschaltungen unverändert Kreuzschiene mit FPGA 1024 x 1024, Fader, Summen => ca. 55 Stück ACEX

37. Conclusio Digitale Signalverarbeitung Technologie 15 Jahre alt Heute Gatter-Equivalent > 106 Algorithmen unverändert Vielfältige Anforderungen Einsatz im Schulbereich ???