Audio effects unit

Abstract

O objectivo principal da presente tese de mestrado centrou-se no desenho e construção de uma unidade de efeitos de áudio (Audio Effects Unit -AEU), cuja função consiste em processar sinais áudio em tempo real. O propósito central foi desenvolver uma unidade de processamento áudio genérica, cuja função de processamento, implementada no domínio digital, pode ser facilmente especificada pelo utilizador via uma aplicação de software implementada num computador. A primeira etapa deste projecto consistiu na implementação completa do hardware que constitui o AEU. É importante acrescentar que esta concepção teve em conta a inclusão desse hardware numa caixa apropriada. Este método de projecto e implementação constituiu uma experiência muito interessante e útil. A próxima etapa consistiu no desenvolvimento de algoritmos matemáticos a ser implementados no microcontrolador do AEU e que geram os efeitos sonoros desejados por processamento dos sinais áudio originais. Estes algoritmos foram inicialmente testados através do Matlab. Para controlar os efeitos sonoros produzidos foi ainda criada uma aplicação de computador que permite a intervenção, de forma muito simples, do utilizador. A referida aplicação assegura a comunicação entre o microcontrolador do AEU e o computador através de uma ligação USB. O dispositivo, na sua versão final, foi testado em laboratório e através do Matlab. Cada bloco do dispositivo, e o dispositivo completo, foi testado individualmente. Com base nessa avaliação foram desenhadas as respectivas características na frequência e analisada a qualidade do dispositivo de áudio. Para além da experiência adquirida em concepção de hardware, este projecto permitiu-me alargar o meu conhecimento em programação de microcontroladores e na optimização de código, um requisito do processamento de sinal em tempo real. Também me deu a oportunidade de utilizar a ferramenta comercial MPLAB para programação de microcontroladores.

The main aim of this master thesis was to design and build an Audio Effects Unit (AEU), whose function is to process, a particular audio signal in real time. The objective was to develop a general purpose audio processing unit where the processing function, implemented in the digital domain, can be easily specified by the user by means of a software application running on a computer. The first stage of this project consisted on the full design and implementation of the hardware that constitutes the AEU. It is worth adding that such design also considered that the layout could be placed in an enclosure. Such way of designing was a great new experience. The next stage was to prepare the mathematical algorithms to be implemented in the AEU microcontroller which create the sound effects by processing the original audio signal. These algorithms were first tested in MatLab. To control the produced sound effects a computer program was created which allows the user intervention in a straightforward way. This program ensures communication between the AEU microcontroller and PC software using an USB connection. The completed device was tested in laboratory and with Matlab. The individual blocks of the AEU, and the whole device, were tested. On the basis of these tests frequency characteristics were drawn and the quality of the audio device was analyzed. Besides acquiring expertise in hardware design, this project has broadened my knowledge on microcontroller programming and code optimization, a requirement for real time signal processing. It also gave me the opportunity to use the commercial MPLAB programming environment.

Głównym celem tej pracy magisterskiej było zaprojektowanie i zbudowanie układu do generowania efektów dźwiękowych (Audio Effects Unit - AEU) służącego do przetwarzania sygnału dźwiękowego w czasie rzeczywistym. Zadaniem autora było skonstruowanie ogólnego zastosowania układu przetwarzającego sygnał dźwiękowy, w którym funkcja przetwarzania, zaimplementowana w sposób cyfrowy, może być łatwo określona przez użytkownika poprzez zastosowanie odpowiedniego oprogramowania komputerowego. Pierwszy etap projektu polegał na szczegółowym zaprojektowaniu i zbudowaniu warstwy sprzętowej tworzącej AEU. W projekcie przewidziano tez możliwość umieszczenia układu w obudowie, co było dla autora nowym doświadczeniem projektowym. Kolejnym etapem było opracowanie algorytmów matematycznych, zaimplementowanych w mikrokontrolerze AEU, które tworzą efekty dźwiękowe poprzez przetwarzanie oryginalnego sygnału dźwiękowego. Te algorytmy zostały najpierw przetestowane w programie MatLab. Do kontrolowania wytworzonych efektów dźwiękowych, został napisany program komputerowy, który pozwala na prostą interakcje z użytkownikiem. Ten program zapewnia komunikację między mikrokontrolerem AEU i oprogramowaniem komputerowym poprzez złącze USB. Gotowe urządzenie zostało zbadane w laboratorium oraz za pomocą programu Matlab. Poszczególne bloki AEU jak i całe urządzenie zostały przetestowane, co pozwoliło na wykreślenie charakterystyk częstotliwościowych i umożliwiło analizę jakości wykonanego urządzenia audio. Oprócz zdobywania doświadczenia w projektowaniu sprzętu, udział w projekcie poszerzył moją wiedzę o programowaniu mikrokontrolerów i optymalizacji kodu, potrzebną dla przetwarzania sygnału w czasie rzeczywistym. Ponadto miałem możliwość zapoznania się z komercyjnym środowiskiem programistycznym MPLAB.