Σύστημα ψηφιακής επεξεργασίας ακουστικών σημάτων με χρήση προγραμματιζόμενων διατάξεων πυλών

Abstract

Η παρούσα πτυχιακή εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη ενός συστήματος ψηφιακής επεξεργασίας σήματος ήχου για τη δημιουργία ακουστικών εφέ (Audio effect) με χρήση προγραμματιζόμενων διατάξεων πυλών (FPGAs). Το σύστημα διαχειρίζεται μονοκαναλικό ηχητικό σήμα και μπορεί να εφαρμόσει σε αυτό, ανάλογα με την επιλογή του χρήστη, μία ποικιλία εφέ, όπως παραμόρφωση (distortion), ηχώ (echo), χορωδία (chorus) κλπ αλλά και διαφορετικά ψηφιακά φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης (FIR). Όλοι οι αλγόριθμοι υλοποιούνται σε πραγματικό χρόνο (real-time) με αριθμητική σταθερής υποδιαστολής (fixed point) με ακρίβεια 16 δυαδικών ψηφίων και η συχνότητα δειγματοληψίας του σήματος είναι 44100 Hz. Το σύστημα υλοποιήθηκε στο αναπτυξιακό σύστημα DE1 της TERASIC, το οποίο διαθέτει ένα FPGA CYCLON II της ALTERA και o σχεδιασμός, η εξομοίωση και η υλοποίηση του συστήματος έγινε με χρήση της γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL στο περιβάλλον QUARTUS II. Η επιλογή του αναπτυξιακού DE1 έγινε γιατί εκτός από το FPGA διαθέτει και ολοκληρωμένο σύστημα εισόδου/εξόδου αναλογικού σήματος, το οποίο περιλαμβάνει κατάλληλο κωδικοποιητή ακουστικού σήματος (audio codec) για την μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό και αντίστροφα.Οι μετρήσεις που έγιναν με χρήση του λογισμικού Praxis επιβεβαίωσαν την ορθή λειτουργία του συστήματος και έδειξαν ικανοποιητική σύμπτωση με τις θεωρητικές αποκρίσεις των αντίστοιχων αλγορίθμων και των ψηφιακών φίλτρων που σχεδιάστηκαν στο MATLAB.