Programovatelný digitální multiefekt

Abstract

Tato práce se věnuje studiu digitálního zpracování signálu (DSP) a jeho implementaci v kontextu vestavěných systémů. Jako základ práce je zvolen digitální signálový procesor Spin Semiconductor FV-1. Cílem je poté sestavení modulu pro platformu Eurorack. Úvod teoretické části rozebírá teoretické základy potřebné pro úspěšný návrh modulárního syntezátoru. Teorie začíná od fyzikální podstaty zvuku a pokračuje základními stavebními prvky syntezátoru. Vysvětluje také význam řídícího napětí a jakým způsobem umožňuje interakci mezi základními prvky. Běžné bloky syntezátoru jde zkoumat z hlediska čtyř základních komponentů: zdrojů zvuku, modifikátorů zvuku, zdrojů modulace a modifikátorů modulace. Demonstruje dvě rozšířené (avšak ne výhradní) metody jejich propojování. Následně vysvětluje, jak se tyto koncepty překládají do světa modulární syntézy. Poté jsou vysvětleny podrobnosti formátu modulárního syntezátoru Eurorack, kde jsou také uvedeny jeho mechanické a elektrické specifikace. Dále se zabývá základy DSP. Jsou zde rovněž rozebrány dva základní koncepty související s digitálním zpracováním signálu: digitální signály a digitální systémy. Vysvětluje význam digitální reprezentace signálu a prochází základy digitalizace zvuku. Modulární syntezátory Eurorack fungují na bázi analogových napětí, proto je pro jejich digitální zpracování nezbytný převod do číselné reprezentace pomoci analogově-digitálního převodníku (ADC). Po konverzi musí být proveden opačný proces, aby bylo možné signál zase spojit se zbytkem syntezátoru. Současně také vysvětluje koncepty vzorkování, kvantování a kódování. Nakonec je zde prozkoumán význam algoritmů se zaměřením na jejich implementaci pomocí digitálních signálových procesorů. Cílem druhé části je navrhnout programovatelnou efektovou jednotku ve formě modulu Eurorack s vhodným ovládáním. K dosažení tohoto cíle je stanoven návrhový cíl, kde je uveden určitý počet ovládacích prvků a funkcí, které mají být implementovány. Vlastnosti a parametry FV-1 popisuji omezenou sadu možností, které lze implementovat: efektová jednotka může mít pouze tři parametry a pouze 8 uživatelských programů. Neexistuje také žádná paměť přednastavení. Kromě toho nejsou k dispozici žádné dedikované možnosti pro míchání zpracovaných a nezpracovaných signálů. K dosažení těchto funkcí by bylo nutné obětovat některé kontrolní parametry. K překonání těchto omezení, je využit mikrokontroler Raspberry Pi Pico. Toto rozšíření umožnilo také využít displej pro zobrazení názvů efektů a parametrů. Jednotka mikrokontroleru je také použita k sériovému zápisu nových programů do EEPROM, ke kterému je FV-1 připojen. Tím je realizován programovatelný aspekt tohoto efektového modulu. FV-1 a Pico jsou navíc vzájemně propojeny v dalších klíčových aspektech. Piny pro výběr programu u FV-1 jsou přímo připojeny k Pico, což umožňuje Pico určovat, který efekt je aktuálně načten do paměti FV-1. DSP parametry FV-1 jsou obdobně ovládány Pico. K dosažení těchto cílů jsou řídicí napětí nejprve přečtena ADC Pico a poté je použito PWM spolu s dolní propustí. Také je navržena analogová periferie pro úpravu hlasitosti a obvod pro míchání zpracovaného a nezpracovaného signálu. Po popisu celkové architektury je každý z komponentů vysvětlen podrobněji. Pro každý obvod jsou vypočítány hodnoty součástek a pokud jsou dostupné modely, obvody jsou testovány pomocí počítačové simulace. Následně byla vyvinuta deska plošných spojů (PCB) společně s panelem a také je zde popsán kód.

This work delves into the topic of embeded digital audio signal processing in the context of modular synthesizers. Its theoretical part provides an overview of the basic terms and components used in modular synthesizers. It explores the design of a digital effect unit based on the programmable effect chip Spin Semiconductor FV-1. It also delves into the possibilities of its digital control using a microcontroller and data buses. It also proposes several analog circuits, including an analog voltage-coltrollable crossfader. The output of this work is a design for a Eurorack audio effects proccessor with suitable user control.