5. Esquema de diseño principal

En un estudio más detallado de la implementación de nuestro proyecto, el reverberador digital, hemos diseñado el esquema de bloques de nuestro proyecto con un pequeño esbozo de las funcionalidades básicas de cada uno, asi como el algoritmo que seguirá el circuito para conseguir dicho efecto.

En primer lugar, para la implementación del reverberador seguiremos el esquema de generaración de la reverberación más simple pudiendo ser modificado y aumentado más adelante. Los esquemas más complejos de reverberación son montados encima de este esquema inicial, con lo cual si más adelante ampliamos la complejidad no tendremos problemas de diseño puesto que este será incremental. El esquema básico de reverberación:

Ahora nos centraremos en definición de cada bloque del circuito y una pequeña explicación sobre su función. Estos funcionalidades pueden ser modificadas y/o mejoradas en el transcurso de la implementación del mismo. Tenemos la gráfica del bloque entero:

La UC (Unidad de Control), se trata de una máquina de estados que será la que gobernará el circuito. Mediante la señal de "control" (no especificamos si la señal de control será de tipo bus ni su anchura hasta la implementación en circuito) y la señal "estados" que marcará en que estado se encuentra el dispositivo, conseguiremos la correcta sincronización de las órdenes en cada momento. La UC tendrá los siguientes estados :

1. Inicialización: se reseteará el circuito entero y se inicializará la memoria.

2. Funcionamiento: en el cual la señal de entrada sufrirá el algoritmo de revereberación y saldrá reverberada. El algoritmo de reverberación:

señal_salida(0) = señal_entrada(0),

señal_salida(t) = señal_entrada(t) + retardo, si t>0

siendo: retardo = señal_entrada(t-1)*A

El producto se efectuará desde la muestra primera hasta la penúltima con la atenuación A. Un pequeño ejemplo:

si t=3

retardo(3) = A^3*señal(0)+A^2*señal(1)+A*señal(2) =>

señal_salida(3) = señal(3) + A*señal(2) + A^2*señal(1) + A^3*señal(0)

sea señal = señal_entrada

Definiremos más adelante el número de muestras de la señal anterior que guardamos en memoria. En principio guardaremos n>40 muestras, guardando la muestra 41 en la posición de la muestra 0.

3. Desconexión: La señal de entrada acaba y el circuito para de funcionar.

El AC97 es el circuito de recepción y emisión de la señal, posee ya integrados unos convertidos A/D para la entrada y D/A para la salida. La señal data_in es una señal que nos marcará la amplitud en ese instante y saldrá bit a bit debiendo ser guardada y enviada a modo de bus por el recibe señal.

La gráfica más detallada del bloque aritmético:El bloque recibe señal y el bloque envía señal están intimamente relacionados con el AC97 y seu forma de enviar la señal, cogeremos 18 muestras de las que salgan del AC97 y las trataremos a modo de bus y en salida cogeremos el bus y lo enviaremos bit a bit.

El circuito aritmético se encargará en general de la recepción de la señal, su tratamiento y su envio de nuevo al AC97. Ya explicados los bloques recibe señal y envia señal nos centraremos en mostrar el fucnionamiento de los demás bloques consistentes.

El Bloque de Decodificación se encarga de gobernar el algoritmo, marcando en que lugar deben ser guardadas las muestras dentro de la BRAM y en que orden deben salir las muestras para ir al generador de retardo.

El bloque generador de retardo crea el retardo de la señal y se la suma a la señal de entrada. En el debe estar especificado la atenuación. Deberemos calcular que factor de atenuación que usaremos en el circuito para que la señal no se atenúe ni demasiado rápido ni que no se aprecie este efecto.

La memoria BRAM almacenará las muestras de la señal en los instantes de tiempo.

4. Primer esbozo

Paso a describir un primer esbozo genérico (una primera idea) de lo que será nuestro sistema digital.
Mediante el AC97 CODEC descrito anteriormente muestrearemos el audio con una precisión de 18 bits por muestra (trabajaremos siempre con este número de bits). A estas muestras las pasaremos a la salida, sumándole a sí misma retardada y atenuada.
Para lograr esto, programaremos en VHDL una unidad de control (máquina de estados) que organice los procesos adecuadamente. Junto con esta, utilizaremos un conjunto de circuitos que se encarguen de ejecutar las acciones mandadas por la UC.
Un esquema un poco más preciso a nivel de señal sería asi:



En un principio empezaremos implementando sólo el efector de reverb, guardándonos la posibilidad de aplicar más efectos dependiendo de la complejidad que vayamos encontrando a la hora de desarrollarlo.

3. Periféricos a Utilizar

Para realizar nuestro reverberador digital, utilizaremos un FPGA, concretamente la Virtex II Pro de Xilinx, junto con una placa de desarrollo de la misma compañía, la XUPV2P. Esta placa tiene el AC97 audio codec que la provee de todasl las funcionalidades de audio analógicas que podría tener un ordenador.
- Rango dinámico de más de 90 dB.
- Arquitectura de conversión de 18-bit.
- 18-bit full-duplex, estereo CODEC.
- 4 entradas analógicas estereo (una de ellas utilizada para conectarse con el fpga).
- 2 salidas analógicas estereo.
- Entrada mono para micrófono.
- Muestreo full-duplex variable de 4 khz a 48khz, incrementable en 1 hz.
- Control de volumen de entrada con una ganancia máxima de 12 dB.

Este controlador se conecta al fpga mediante 4 conexiones:

2. Aplicaciones

La principal aplicación de un reverberador digital es la creación de efectos dentro de un sistema digital de audio. En un sistema digital para procesamiento de señal de audio y por lo tanto para un reverberador digital, los efectos básicos creados por él son:

- Reverb

- Early Reflections

- Room Simulator

- Echo+Rev

- Early Reflections+Rev

- Chorus+Rev, Symphonic+Rev

- Flange+Rev

- Pitch Change+Rev

- Pan+Rev

Una pequeña explicación de los fenómenos básicos:

El Chorus es el nombre que recibe un efecto de sonido usado en la interpretación o composición musical. El Chorus resulta de mezclar una señal con vibrato con la señal sin procesar. El resultado es similar al de un par de instrumentos que tocan al unísono de modo tal que uno de ellos se desafine ligeramente. Técnicamente se trata de un sistema que retarda la señal aplicando despúes un amplificador/atenuador. La salida es la suma de la señal retardada y amplificada a la señal original.

El Eco es un fenómeno relacionado con la reflexión del sonido. La señal acústica original se ha extinguido, pero aún devuelve sonido en forma de onda reflejada. Se consigue un eco acústico en un sistema digital mediante un sistema de realimentación que retarda la señal le aplica una ganancia y la suma a la señal inicial.

El Flanger es el efecto de sonido que produce un sonido metalizado oscilante sobre todo en frecuencias medias y altas. El efecto flanger se obtiene duplicando la onda sonora original, una de las ondas se mantiene limpia de procesado, la segunda se desfasa moduladamente aumentando o disminuyendo su retraso con una oscilación determinada.

Los controles habituales en los módulos de procesado flanger son los siguientes:

• Retraso: Es el umbral máximo de desfase de la onda duplicada respecto a la original, se suele expresar en milisegundos.

• Frecuencia: Es la frecuencia de oscilación del desfase de la onda duplicada.

• Profundidad: Es la cantidad de onda original que se mezcla con la duplicada.

Los módulos de procesado flanger pueden ser tanto analógicos como digitales, además de software

Phaser, este efecto está comprendido dentro de los que se obtienen modulando un filtro. En este caso se trata de un filtro pasa banda de alto Q .

El Delay es un fecto de sonido que consiste en la multiplicación y retraso modulado de una señal sonora. Una vez procesada la señal se mezcla con la original. El resultado es el clásico efecto de eco sonoro.

En cualquier módulo de delay sencillo se pueden encontrar los siguientes parámetros de control:

• Retraso: Es el tiempo que tarda en producirse un eco, suele medirse en milisegundos o estar sincronizado con un tempo.

• Feedback o retroalimentación: Es la cantidad de veces que se repite la señal sonora pudiendo ser cualquier valor entre una e infinito.

• Mezcla: Es la cantidad de sonido retrasado que se mezcla con el original.

Estos son los parámetros básicos de cualquier módulo de delay, pero no son los únicos posibles. En módulos más avanzados se pueden encontrar controles como la caída de frecuencias en el tiempo, ajustar varios ecos diferentes, sincronización MIDI, filtrado de frecuencias.

• Delay síncrono o sincrónico: delay cuyo retardo es una fracción entera del tempo, existiendo delays a blancas, negras, corcheas, semicorcheas, etc.

Existen multitud de modelos diferentes de delay, tanto en forma de módulo analógico, como en forma de módulo digital, pero la mayor creatividad se encuentra en los módulos de delay software disponibles para diversas plataformas (VST, DX, RTAS, AudioUnit ...)

Unos ejemplos de reverberadores digitales de audio Yamaha:

www.ispmusica.com/paginas/yamaha/PDF/Procesadores%20Rev500.pdf

www.ispmusica.com/paginas/yamaha/PDF/Procesadores%20ProR3.pdf

Otro reverberador digital Yamaha (con más información):

http://www.venta-visual.com/productos/prod-1-av/av_pdf/1.11.Audio_Profesional/Yamaha/yamaha_srev1_VV.pdf

1. Búsqueda de Información

En primer lugar nos informaremos de que es la reverberación en general y de luego entraremos más a fondo en el tema técnico: La reverberación es un fenómeno derivado de la reflexión del sonido consistente en una ligera prolongación del sonido una vez que se ha extinguido el original, debido a las ondas reflejadas. Estas ondas reflejadas sufrirán un retardo no superior a 100 milisegundos, que es el valor de la persistencia acústica, tiempo que corresponde a una distancia recorrida de 34 metros a la velocidad del sonido (el camino de ida y vuelta a una pared situada a 17 metros de distancia). Cuando el retardo es mayor ya no hablamos de reverberación, sino de eco. En un recinto pequeño la reverberación puede resultar inapreciable, pero cuanto mayor es el recinto, mejor percibe el oído este retardo o ligera prolongación del sonido. Para determinar cómo es la reverberación en un determinado recinto se utiliza una serie de parámetros físicos, uno de ellos es conocido como tiempo de reverberación.

Descripción Previa

REVERBERACIÓN DIGITAL DE AUDIO ESPECIFICACIONES El circuito debe memorizar una señal de audio y sumarle la misma señal desplazada en el tiempo para obtener el efecto de la reverberación (eco). CONOCIMIENTOS PREVIOS NECESARIOS - Manejo de convertidores A/D y D/A. PRUEBA DEL SISTEMA En el laboratorio se dispone de placas con entradas y salidas de audio y placas con convertidores A/D y D/A. POSIBLES MEJORAS POSTERIORES - Prueba del sistema mediante un micrófono y un altavoz. Será necesario amplificar y adaptar la señal analógica procedente del micrófono, así como amplificar la señal analógica de salida que se conectará al altavoz.