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