[PDF] Aufbau Evaluierung und Programmierung einer Sigma-DSP

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Aufbau, Evaluierung und Programmierung einer

Sigma-DSP Testplatine

Bachelorarbeit

durchgeführt von

Martin Finsterer

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation Leiter: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Gernot Kubin

Betreuer/in: Dipl.-Ing. Dr. Werner Magnes

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

Zusammenfassung

Am Beginn der Bachelorarbeit wurde eine Marktrecherche durchgeführt, um einen Überblick über kostengünstige Testaufbauten digitaler Signalprozessoren für Audioanwendungen zu erhalten. Die Suche endete durch den Fund eines Artikels in der Elektronik-Fachzeitschrift Elektor, in welchem einen passender Bausatz vorgestellt wird, basierend auf dem Referenzdesign des Analog Devices DSP "ADAU1701". Nach der Beschaffung der auseinanderzusetzen. Mit Hilfe von PC-Software und eines geeigneten Messaufbaus gelang es schließlich die Leistungs-Eigenschaften der DSP-Platine zu evaluieren und Vergleiche mit Audio-Effekten wurde das Wissen rund um die Handhabung mit der Programmierumgebung

Sigma Studio vertieft.

Abstract

At the beginning of the Bachelor thesis a market research has been done, to get an overview of cost-effective digital signal processors for audio applications. In an article of the electronics magazine Elektor a proper assembly kit has been found, which is designed around the Analog Devices' DSP "ADAU1701". After the acquisition of the required components the circuitry has been set up and put into operation. Therefore it was necessary to get familiar with the proprietery programming environment Sigma Studio. With the help of PC software and a proper measurement setup the performance characteristics of the DSP-board have been evaluated and compared with the datasheet of the DSP. By implementing several popular audio-effects the knowledge about the handling of Sigma Studio has been enhanced. Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation2 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung................................................................................................................................8

1.1 Motivation...............................................................................................................8

1.2 Ziele.........................................................................................................................9

1.3 DSP-Familien von Analog Devices.......................................................................10

2 DSP-Hardware.....................................................................................................................11

2.1 Sigma-DSP ADAU1701........................................................................................11

2.2 Elektor Schaltung...................................................................................................12

2.3 Materialliste...........................................................................................................13

3 Programmier-Software........................................................................................................14

3.1 Programmierung mit Sigma Studio.......................................................................14

3.1.1 Neues Projekt...............................................................................................14

3.1.2 Einfügen von Auxiliary Inputs.....................................................................17

3.2 Programmieren des E2PROMs..............................................................................18

3.2.1 Serielle Schnittstelle.....................................................................................18

3.2.2 Arduino Uno.................................................................................................19

3.2.3 E2PROM Programmierer.............................................................................20

3.3 Diskussion weiterer Programmierumgebungen.....................................................21

4 Vermessung der wichtigsten Performance-Parameter.....................................................23

4.1 Messequipment und Aufbau..................................................................................23

4.2.1 Abweichung des zweiten Kanals..................................................................26

4.2.3 Tiefpassverhalten.........................................................................................27

4.2.4 Hochpassverhalten.......................................................................................27

4.2.5 Messung nach Umbau..................................................................................28

4.3 Signalrauschabstand..............................................................................................29

5 Implementierungen von Audioeffekten.............................................................................33

5.1 Entwurf eines Bandpassfilters...............................................................................34

5.2 Implementierung eines Phaser-Effekts..................................................................41

5.3 Implementierung eines Tongenerators...................................................................48

5.4 Implementierung eines Delay-Effekts...................................................................49

5.5 Implementierung eines State-Var-Filters...............................................................51

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation3 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

6 Literaturverzeichnis.............................................................................................................53

7 Abbkürzungsverzeichnis.....................................................................................................56

8 Anhang..................................................................................................................................57

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation4 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Das fertig bestückte Audio-DSP-Board von Elektor................................................9

Abb. 2: Block Diagramm des ADAU1701 [ADAU1]............................................................11

Abb. 3: Das Schaltungsdesign von Elektor [ELEKTOR2].................................................12

Abb. 4: Definieren der Hardware-Baugruppen...................................................................15

Abb. 5: Talkthrough-Schaltung.............................................................................................15

Abb. 6: Kompilieren des Programms....................................................................................16

Abb. 7: HEX-File-Konversion................................................................................................16

Abb. 8: Hardware-Konfiguration der Auxiliary Inputs.....................................................17

Abb. 9: Blockschaltbild des Programmieraufbaus..............................................................18

Abb. 10: "Sigma Studio for SHARC"...................................................................................21

Abb. 11: Blockschaltbild des Messaufbaus [ARTA1]..........................................................24

Abb. 12: Frequenzgang im Talkthrough-Modus.................................................................25

Abb. 13: Auszug aus dem Datenblatt: Performance [ADAU4]..........................................26 Abb. 14: Auszug des Schaltungsdesigns von Elektor [ELEKTOR1].................................27 Abb. 15: Frequenzgang bei Talkthrough-Betrieb mit überbrückten Kondensatoren am Abb. 16: Frequenzgang bei Talkthrough ohne Ein- und Ausgangsfilter..........................28 Abb. 17: FFT-Analyse mit einem 1 kHz Sinus als Eingangssignal.....................................29

Abb. 18: FFT-Analyse ohne Eingangssignal.........................................................................30

Abb. 19: FFT-Analyse mit einem 1 kHz Sinus als Eingangssignal.....................................31 Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation5 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

Abb. 20: FFT-Analyse ohne Eingangssignal.........................................................................32

Abb. 21: IIR-Filter: Direktform 1 [STANFORD1]..............................................................34

Abb. 22: IIR-Filter: Direktform 2 [STANFORD2]..............................................................34

Abb. 23: IIR-Filter: Transponierte Form 1 [STANFORD3]..............................................34

Abb. 24: IIR-Filter Hauptprogramm....................................................................................35

Abb. 25: IIR-Filter Unterprogramm Direkt Form 1...........................................................36

Abb. 26: IIR-Filter Unterprogramm Direkt Form 2...........................................................36

Abb. 27: IIR-Filter Unterprogramm Transponierte Form 1..............................................37

Abb. 28: IIR-Filter: Transponierte Form 2 [STANFORD3]..............................................38

Abb. 29: FFT-Analyse einer Talkthrough-Schaltung .........................................................38

Abb. 30: FFT-Analyse der DF1..............................................................................................39

Abb. 31: FFT-Analyse der DF2..............................................................................................39

Abb. 32: FFT-Analyse der TF1..............................................................................................40

Abb. 33: Hauptprogramm des Stereo-Phasers.....................................................................42

Abb. 34: Blockschaltbild eines Allpass-Filters.....................................................................43

Abb. 35: Unterprogramm zur Frequenzmodulation...........................................................44

Abb. 36: Unterprogramm eines Allpass-Filters...................................................................45

Abb. 37: Amplitudengang der Phaser-Schaltung................................................................46

Abb. 38: Variable Delay-Line................................................................................................49

Abb. 39: Typische Richtwerte für den Delay-Effekt...........................................................49

Abb. 40: Realisierung des Delay-Effekts...............................................................................50

Abb. 41: Digitales State-Var-Filter........................................................................................51

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation6 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

Abb. 42: Realisierung des State-Var-Filters.........................................................................52

Abb. 43: Hauptprogramm des Tongenerators.....................................................................58

Abb. 44: Unterprogramm zur Dreiecksberechnung............................................................59

Abb. 45: Unterprogramm zur Rechtecksberechnung.........................................................60

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation7 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

1Einleitung

1.1Motivation

Nach der Laborübung Digitale Audiotechnik wollte ich mein Wissen rund um das Thema Digital Signal Processing (DSP) weiter vertiefen und machte mich auf die Suche nach sogenannten Evaluation Boards. Solche Testplatinen haben einen offenen Aufbau und werden in der Regel von Firmen angefordert, die das Produkt auf dessen Funktionen überprüfen Nach kurzer Recherche bei den üblichen Herstellern wie Analog Devices, Freescale oder Texas Instruments wurde mir schnell klar, dass mein Vorhaben nur durch Investition mehrerer hundert Euro zu bewerkstelligen ist, da die Testplatinen keine Massenware sind.

Durch Zufall bin ich auf die Elektronik-Fachzeitschrift Elektor gestoßen, welches in

zugrundeliegt. Dieser Prozessor wird als energiesparender DSP vermarktet und findet Verwendung im Automotive-, Portable Audio- und auch im Home Cinema-Bereich. Die Platine samt vorbestücktem Prozessor ist bei Elektor im Online-Shop für rund 72,95€ Das originale Analog Devices Evaluation Board mit dem gleichen Chip ist im Vergleich dazu für den Einzelstückpreis von 195,00 US Dollar exkl. Versand direkt bei Analog Devices zu beziehen. Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation8 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

1.2Ziele

ADAU1701, im Vergleich mit den teureren Vertretern abschneidet. Da seitens des Herstellers auch noch Alternativen gibt, wie zum Beispiel VisualDSP++ oder CrossCore, den anderen beiden Programmierumgebungen von Analog Devices. Die Sigma DSPs werden damit beworben, dass bereits einige fertige Algorithmen fix implementiert wurden, die unter anderem heißen: Surround & 3D Audio, Dynamic Bass, Loudness, Automatic Volume Control, Automatic EQ, Beam Forming. Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) durchgeführt werden.

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation9Abb. 1: Das fertig bestückte Audio-DSP-Board von Elektor

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

1.3DSP-Familien von Analog Devices

Analog Devices ist ein amerikanischer Hersteller von Halbleitern-Bauteilen, der sich auf die Bereiche analoge und digitale Schaltungselektronik, Datenkonvertierung und Signalverarbeitung spezialisiert hat. Die wichtigsten Marktsegmente, die von Analog Devices bedient werden sind Medizintechnik, Automotive, Industrie und der Consumer-Bereich. Die digitalen Signalprozessoren die im Audio- und Video-Bereich verwendet werden, fallen unter den Überbegriff Consumer. Da es sehr unterschiedliche anwendungsbezogene Anforderungen von Audio-DSPs gibt, werden im Folgenden die verschiedenen Produktfamilien vorgestellt. Innerhalb dieser Familien gibt es, anhand der Artikelbezeichnung erkennbare, verschiedene Varianten, die sich wiederrum in den Spezifikationsdetails wie zum Eine genaue Übersicht ist auf der Homepage von Analog Devices zu finden. [AD1] versucht zumindest die wichtigsten Einsatzgebiete hervorzuheben und die DSPs anhand der wichtigsten Eckdaten zu vergleichen. Die Prozessoren der ADSP-21xxx Familie kommen mit sehr kleinen Taktraten, wenig Einsatzgebiet Sprachverarbeitung, Voice-Band Modems und Echtzeitsteuerung. Blackfin-Prozessoren sind die aktuellste DSP-Entwicklung von Analog Devices. Es handelt sich dabei um 16- oder 32-Bit Festkomma-Prozessoren, die bereits zu kleinen Preisen mit recht guten Eckdaten aufwarten. Von der Performance reihen sie sich knapp hinter den Anwendungsgebiete Multiformat Audio-, Video-, Sprach- und Bildverarbeitung. Das Flagschiff der Gleitkomma DSPs stellt die Familie der SHARC Prozessoren dar, da sie oder Anwendungen für zweikernige Prozessoren richten (ADSP-SC58x und ADSP-2158x). SHARC Prozessoren bieten aufgrund ihrer ursprünglichen Ausrichtung Schnittstellen zur Parallelverarbeitung von Mehrprozessorsystemen. Dieses Aufgabenfeld wird jedoch nun von der Folgeentwicklung TigerSHARC abgedeckt, die im Stande sind über eine Milliarde Gleitkomma-Operationen pro Sekunde auszuführen. TigerSHARC DSPs sind die teuersten aufgeführt. Eine große Besonderheit an den Produktfamilien von Analog Devices ist aber, dass sie sich mit unterschiedlichen Programmierumgebungen programmieren lassen. beschrieben. Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation10 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

2DSP-Hardware

2.1Sigma-DSP ADAU1701

Der ADAU1701 arbeitet mit einer Abtastrate von wahlweise 44.1 oder 48 kHz. Je nach Programmierung werden die Daten prozessor-intern mit 28 Bit oder mit 56 Bit Bandbreite verarbeitet (Single/Double Precision).

Verfügung.

Neben den Audiodaten bietet der ADAU1701 noch Hilfssignale in Form von 12 GPIOs, die

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation11Abb. 2: Block Diagramm des ADAU1701 [ADAU1]

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

2.2Elektor Schaltung

Das Schaltungsdesign von Elektor baut auf das elektronische Referenzdesign von Analog (IC2) spendiert. Der ADAU1701 wird im Self-Boot Mode betrieben, was bedeutet, dass beim Power-Up Vorgang das Programm aus dem E2PROM in den DSP geladen wird. Dieser Umstand wird durch die Beschaltung bestimmt. Alternativ würde es auch noch den I²C- oder den SPI- Mode geben, welche im Endeffekt nur den Bus zur externen Speicherquelle des Programms für den

DSP bekannt gibt.

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation12Abb. 3: Das Schaltungsdesign von Elektor [ELEKTOR2]

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

2.3Materialliste

berücksichtigt. um das Board zu versorgen. Der Spannungsregler liefert dann eine Boardspannung von 3V3 an die restlichen Bauteile. Als endgültige Programmiermethode für das E2PROM fiel die Entscheidung auf Arduino, da

Elektor DSP-Board [ELEKTOR3]€ 72,95

Netzteil Voltcraft universal [AMAZON1]€ 16,99

Arduino Uno [CONRAD1]€ 31,99

Total€ 121,93

Tabelle 1: Materialliste Elektor DSP-Board

Zum Vergleich werden unten noch die Preise bei Analog Devices für das hauseigene ADAU1701 Evaluation Board "EVAL-ADAU1701MINIZ" angeführt. Diese Platine Ausgangssignale. Zur Kommunikation mit dem PC und dem Programmieren wird das USB-

Interface "EVAL-ADUSB2EBZ" verwendet.

EVAL-ADAU1701MINIZ [ADAU2]$ 195,00

EVAL-ADUSB2EBZ [ADAU3]$ 80,00

Total$ 285,00

Tabelle 2: Materialliste Evaluation Board Analog Devices Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation13 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

3Programmier-Software

Analog Devices bietet mehrere Produktfamilien von Audio-DSPs an: ADSP, SHARC, eingegangen. Jedes dieser Produkte ist für unterschiedliche Anwendungsbereiche konzipiert. Entwicklungsumgebungen programmiert werden. Es bedarf also einiges an Recherche, um

3.1Programmierung mit Sigma Studio

programmiert. Sigma Studio verfolgt einen ganz anderen Ansatz, da es ausschließlich über anschaulich und schnell.

3.1.1Neues Projekt

Die Programmierbarkeit wird am Beispiel einer einfachen Talkthrough-Schaltung und der nachfolgenden E2PROM-Programmierung demonstriert, damit ein ganzer Ablauf einmal Kapitel 4. Umfangreichere Implementierungen folgen in Kapitel 5. Nach dem Öffnen von Sigma Studio erstellt man ein neues Projekt über den Programmaufruf:

File > New Project

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation14 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine ADAU1701 und USBi per Drag-and-Drop in das Hardware Configuration Fenster nach rechts hinübergezogen und miteinander verbunden (siehe Abb.4). Programm erstellen. Es werden nun folgende Elemente von der Tree Toolbox in das

Schematics Fenster nach rechts gezogen.

1x Input (ADAU1701 > IO > Input)

2x T Connection (Schematic Design)

4x Output (ADAU1701 > IO > Output)

verbunden, wie in der obenstehenden Abbildung zu sehen ist.

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation15Abb. 4: Definieren der Hardware-Baugruppen

Abb. 5: Talkthrough-Schaltung

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine Kompiliert wird das Programm durch das Menü: Action > Link Compile Download oder direkt per Druck auf F7. Nach dem Kompilieren wechselt man auf die Registerkarte Hardware Configuration zurück. Durch einen Rechtsklick auf ADAU1701 > Write Latest Compilation to E2PROM wird das kompilierte Programm nun in das Hex-File-Format geschrieben, damit es in das E2PROM geladen werden kann. Die Datei E2Prom.hex befindet sich nun im Projekt-Unterordner IC2. speichern, zu kompilieren, ins Hex-File-Format zu konvertieren und ins E2PROM zu schreiben (siehe Kapitel 3.2). Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation16Abb. 6: Kompilieren des Programms

Abb. 7: HEX-File-Konversion

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

3.1.2Einfügen von Auxiliary Inputs

Um die Potentiometer vom Elektor-Board ins Programm einzubinden, müssen Auxiliary Inputs in das Schematic eingefügt werden. (ADAU1701 > IO > GPIO > Input > Auxiliary

ADC Input)

170x/140x Register Control (unten) konfiguriert werden. (MP2, MP3, MP8, MP9)

Dieser Punkt wird noch genauer anhand einer bebilderten Implementierung in Kapitel 5.2

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation17Abb. 8: Hardware-Konfiguration der Auxiliary Inputs

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine

3.2Programmieren des E2PROMs

Das Programm des ADAU1701 wird in ein Onboard - E2PROM gespeichert, welches mittels verschiedener Methoden beschrieben werden kann, die in den folgenden Kaptieln 3.2.1, 3.2.2 alle zur Programmierung notwendige Software-Tools beinhaltet [ELEKTOR4].

3.2.1Serielle Schnittstelle

Um eine serielle Verbindung zwischen dem DSP und einem PC herzustellen, müssen die Leitungen DTR, RTS und GND der seriellen Schnittstelle mit den gleichnamigen Leitungen am Stecker K12 am Elektor Board verbunden werden. Dabei kann es sich um einen native serielle Schnittstelle oder einen USB-to-RS232 Konverter handeln. Weiters wird das Elektor Sigma Studio Serial I²C E2PROM-Programmer Utillity

E2PROM zu laden.

und der Jumper JP1 muss gesetzt sein. Dieser zieht das CLATCH/WP (Write Protect) auf LOW-Pegel. Bei jeder Aktion auf dem I2C Bus, wie beispielsweise das Beschreiben des

E2PROMS, muss der Jumper gesetzt werden.

Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation18Abb. 9: Blockschaltbild des Programmieraufbaus

BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine Mit "Program E2PROM" wird nun der Programmiervorgang gestartet, welcher einige Minuten in Anspruch nehmen kann. Wurde der Programmiervorgang abgeschlossen, so kann mit "Read E2PROM" und anschließendem "Verify" der Inhalt des E2PROMs zurückgelesen und mit dem Hex-File am Host-PC verglichen werden. Nach erfolgreichem Programmieren ist der Jumper JP1 wieder zu entfernen, um den ADAU1701 wieder in den Self-Boot Mode zu versetzen. Als Schlussfazit ist anzumerken, dass beim Programmieren über eine serielle Verbindung der

3.2.2Arduino Uno

erfolgt in C oder C++ und das fertige Programm wird als Sketch bezeichnet. Stecker K9 auf dem Elektor Board verbunden werden (siehe Tabelle 3 und Abb. 9)

ADAU1701_K9Arduino

SDA10 SCL11 WP12

Reset13

GNDGND

Tabelle 3: Pinbelegung des I2C Ports

Im Download-Archiv [ELEKTOR4] befindet sich ein Arduino Sketch zum Programmieren des E2PROM. ruft folgende Datei aus dem ZIP-Archiv auf: Es müssen über den Programmaufruf Sketch > Library importieren... > Add Library... noch \130232-11\Arduino\libraries\I2C\ Institut für Signalverarbeitung und Sprachkommunikation19 BachelorarbeitEvaluierung einer Sigma-DSP Testplatine Damit der Arduino vom PC über die richtige Schnittstelle angesprochen wird, muss diese werden. Wenn der COM Port nicht bekannt ist, der von Arduino emuliert wird, muss dieser zuerst imquotesdbs_dbs26.pdfusesText_32

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