AMPLIFICADOR DE AURICULARES CON INTERFAZ USB Y … · 1 AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN,...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

AMPLIFICADOR DE AURICULARES CON INTERFAZ USB Y "CROSSFEED" DIGITAL

Autor: Fernando de Miguel de Couto Director: José Daniel Muñoz Frías

Madrid Mayo de 2013

1

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Fernando de Miguel de Couto, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA

COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la obra del proyecto fin de carrera: “Amplificador de auriculares con interfaz USB

y ‘crossfeed’ digital” 1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el

sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el

consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa

cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna

autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que

más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor

CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,

tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro

trabajo que deba ser objeto de evaluación académica

2

como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”

o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse

en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los

siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de

modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

3

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza

ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior

de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia

privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la

responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:



AMPLIFICADOR DE AURICULARES CON INTERFAZ USB Y "CROSSFEED" DIGITAL

Autor: Fernando de Miguel de Couto Director: José Daniel Muñoz Frías

Madrid Mayo de 2013

Agradecimientos

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS



Agradecimientos

En primer lugar, me gustaría nombrar a mi familia, agradecerles todos los

consejos y ánimos que he recibido de su parte, este y durante todos los años de la

carrera. Y, en especial, me gustaría agradecer a mis padres, Fernando y Aurora,

todas las oportunidades que me han dado a lo largo de mi vida, ya que siempre me

han apoyado, y animado a que sea yo mismo. Y a mi hermana Aurora, por toda su

ayuda durante toda la carrera.

Un agradecimiento especial a Rocio, Nehuen y Sara, amigos de mi ciudad y

una amiga del Erasmus. Gracias a ellos he podido continuar adelante este año.

Con sus risas, consejos y ánimos han conseguido que pueda llegar a escribir estos

agradecimientos.

Por otro lado, agradecer a toda la gente que durante este año se ha preocupado

por mi proyecto, y se interesaban como progresaba. Agradecimientos también a

Diego, por hacer el logotipo del proyecto, localizado en la esquina superior

izquierda en la redacción del mismo.

Por último, pero no menos importante, le doy las gracias a mi director de

proyecto, José Daniel, que siempre estuvo para ayudarme y aconsejarme con una

sonrisa en la cara.

Resumen del proyecto




Amplificador de auriculares con interfaz USB y

“crossfeed” digital

Autor: Fernando de Miguel de Couto

Director: José Daniel Muños Frías

Resumen del proyecto.

El problema que intenta resolver el filtro ‘crossfeed’ es recuperar la sensación

estéreo que se pierde cuando se reproduce música con los auriculares, ya que estos

fuerzan cada canal directamente a cada oído, y de esta forma se pierde la

sensación de espacio que se conseguiría con unos altavoces.

Por lo tanto, un filtro 'crossfeed' consiste en la naturalización de la música

estéreo a través de auriculares. Este tipo de filtro consigue que al escuchar música

estéreo en los auriculares, ésta sea lo más envolvente posible. Es decir, que con la

información básica que disponen los reproductores de música, obtenida de los dos

canales, el izquierdo y el derecho, el oyente pueda apreciar un sonido envolvente

de lo que se está escuchado. Por lo tanto que pueda identificar de donde provienen

los diferentes sonidos, y la distancia a la que estarían de su persona.

La sensación de naturalidad con la que escuchamos los sonidos se produce por

la simultaneidad de diferentes circunstancias. Para saber de dónde proceden los

sonidos, basta con controlar la atenuación y el tiempo con que llega la señal a los

oídos, de esta manera se puede determinar con bastante precisión la lejanía de la

fuente de sonido. Esta característica suele venir incluida en la información

grabada de la música estéreo, ya que las ondas de sonido se grabaran con la

atenuación y el tiempo de llegada natural que corresponda a la distancia de donde

este el grabador.





Otra causa son las reflexiones y absorciones que pueda hacer nuestra cabeza

con dichas ondas de sonido. Esto puede amplificar o atenuar la señal en diferentes

frecuencias que, añadido a las reflexiones del sonido en los medios físicos que

rodean al oyente, dan la sensación de profundidad y espacio, es decir, la

naturalidad de la situación.

El 'crossfeed' consigue reproducir esta sensación, centrándose en las causas

más importantes de percepción de la señal; ya que cuando se escucha música

estéreo, todas estas causas de profundidad y direccionalidad de las fuentes de

sonido se pierden, y la acción del movimiento natural de la cabeza para detectar

las fuentes de sonido, también desaparecen. Lo que puede llevar a acarrear estrés

mental, sobre todo a las personas que trabajen con la música, o estén gran parte

del día escuchando música.

Cada fuente de sonido puede producir señales diferentes, ya sean sonidos

agudos (con una frecuencia elevada) o sonidos graves (con una frecuencia menor

a la de los sonidos agudos), y, como se ve en la Figura 1, según la posición de las

fuentes de sonido, la señal que llega a nuestros oídos es diferente, a causa de la

distancia que hay entre ellos, y todas las reflexiones y absorciones nombradas con

anterioridad.

Figura 1: Percepción de las señales según su posición





Por esta razón, el filtro 'crossfeed' aplica un paso bajo y un paso alto a cada

canal de audio de la música estéreo. Como se puede apreciar en la Figura 2, el

filtro 'crossfeed' de este proyecto, consigue la naturalización de la señal a través

del uso de filtros en los canales de audio. Para ello, se realiza una alimentación

cruzada de la señal. Se suma la señal obtenida de un filtro que refuerza los altos

de un canal (filtro que deja pasar las frecuencias bajas de dicho canal, y robustece

las frecuencias altas de dicho canal), con la señal obtenida del paso bajo del otro

canal (ya que las ondas que más se sienten en la lejanía son, y son absorbidas por

los tejidos de la piel, son los graves). Aplicando por último un retardo a la señal

que sale del paso bajo, retardo que físicamente correspondería con el tiempo de

retraso en que una señal llegue al oído izquierdo, cuando primero ha llegado al

derecho, o viceversa.

Figura 2: Diagrama de bloques del filtro crossfeed





El filtro 'crossfeed' está hecho de forma digital, ya que el mundo digital, a día de

hoy, ofrece muchas mejoras en comparación con el mundo analógico. Gracias a

realizarlo de esta forma, se consiguen valores de filtrado más perfectos, sin ruidos,

y retrasos o sumatorios de señal mucho más exactos.

El filtro se ha realizado con un microcontrolador de la marca XMOS, el XS1-

L8-64, microchip con soporte para USB 2.0 de audio, formado por un núcleo y 8

hilos en paralelo.

Abstract




Headphone amplifier with USB interface and

“crossfeed” digital.

Author: Fernando de Miguel de Couto

Director: José Daniel Muños Frías

Abstract

The problem the 'crossfeed' filter attempts to solve is recovering the stereo

sensation that is lost when music is played using headphones. These force each

channel directly into the ears loosing the sensation of space gained when playing

the music in loudspeakers.

A 'crossfeed' filter naturalizes the stereo music being played with headphones.

This type of filter allows listening to stereo music in headphones to be as

surrounding as possible. In other words, starting from the basic information

available to the music players, got from the left and right channel, allow the

listener to appreciate the surrounding sound of what was actually recorded. This

way, he could perceive where the sounds are coming from and the distance to

them.

The natural sensation felt when earing sounds is produced by different

circumstances that happen simultaneously. For knowing where the sounds come

from its enough having control of the attenuation and the time delay it takes a

signal to reach the ears. This way, the distance to the source of the sound can be

estimated with an acceptable accuracy. This properties are often included in the

recorded stereo information since the soundwaves will be recorded with the

attenuation and the time delay natural to the distance to the music recorder.

Abstract




Another cause are the reflections and absoritions of the soundwaves that can be

caused by our head. This can amplify or attenuate the signal in different

frequencies that, added to the reflections of the sound in different objects

surrounding the listener, will give a feeling of depth and space, namely, a natural

sensation.

The 'crossfeed' filter reproduces this sensation by focusing in the most relevant

elements for signal perception. When we listen to stereo music with headphones,

that which causes deepness and the directionality of the sound is lost along with

the natural movement of the head for detecting the sources of the sounds. This can

lead to mental stress, specially in people that works with music or spends a great

amount of time listening to music.

Each sound source can produce different signals, and they can be high-pitched

(with a high frequency value) or low-pitched (with a lower frequency value). As

shown in the Figure 1, depending on the position of the source, the signal that

arrives to our ears is different due to the distance between them and, all the

reflections and absortions mentioned before.

Figure 1: Signal perception depending on the position of the sources

Abstract




For this reason, the 'crossfeed' filter places a low-pass filter and a high-pass

filter to each one of the stereo channels. As shown in the FIGURE 2, this project's

'crossfeed' filter achieves the naturalization of the signal thanks to applying these

filters to the audio channels. For that, the signals between the channels are

crossfeeded. We add the resulting signal of a filter that intensifies the high

frequencies of one channel (a filter that allow the low frequencies to pass and

intensifies high frequencies) to the signal resulting of a low-pass filter on the other

channel (since the soundwaves felt more distant and absorbed by the skin are the

low-pitched ones). Finally applying a delay to the signal resulting from the low-

pass filter, a delay that physically corresponds with the one it takes a soundwave

to get to one ear after having arrived to the other, or viceversa.

Figure 2: ‘Crossfeed’ filter’s blocks diagram

Abstract




The 'crossfeed' filter has been made using digital technologies instead of

analog ones due to the many adventages the first offers when comparing them.

Thanks to this, the resulting signal is much cleaner, with no noise or delay, and it

returns more exact values.

The filtering processes has been made using a XMOS microcontroller, the

XS1-L8-64, a microchip with USB 2.0 support for audio and a single core with 8

parallel threads.

Índice de documentos

Documento I. Memoria

Parte I. Memoria pág 3 a 86 84 páginas

Parte II. Estudio económico pág 87 a 90 4 páginas

Parte III. Manual de usuario pág 91 a 94 4 páginas

Parte IV. Código fuente pág 95 a 104 10 páginas

Parte V. Anexo pág 105 a 107+ 21 páginas

Documento II. Presupuesto

Capítulo 1. Mediciones pág 2 a 3 2 páginas

Capítulo 2. Precios unitarios pág 4 a 5 2 páginas

Capítulo 3. Sumas parciales pág 6 a 8 3 páginas

Capítulo 4. Presupuesto general pág 9 1 páginas

Documento I.

Memoria

ÍNDICE DE LA MEMORIA

I




Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 3

Capítulo 1 Introducción ................................................................................... 5

1.1 Conceptos previos ............................................................................................ 5

1.2 Introducción ..................................................................................................... 6

1.3 Crossfeed .......................................................................................................... 8

1.4 Contexto Histórico ......................................................................................... 14

1.5 Motivación ...................................................................................................... 16

1.6 Objetivos......................................................................................................... 17

1.7 Recursos / herramientas empleadas ............................................................. 18

Capítulo 2 Estudios Previos ............................................................................ 19

2.1 Benjamin Ben Bauer ..................................................................................... 19

2.2 Siegfried Linkwitz ......................................................................................... 20

2.3 Jan Meier........................................................................................................ 21

2.4 Chu Moy ......................................................................................................... 23

2.5 Boris Mikhaylov ............................................................................................ 25

2.6 Conclusiones................................................................................................... 26

Capítulo 3 Desarrollo de los filtros crossfeed ................................................ 29

3.1 Sistema LTI .................................................................................................... 30

3.2 Filtros IIR ....................................................................................................... 31

3.3 Filtros FIR ...................................................................................................... 33


II




3.4 Implantación de los filtros crossfeed ............................................................ 35

3.5 Resultados ...................................................................................................... 41

Capítulo 4 Información del microcontrolador utilizado ............................... 45

4.1 Microprocesadores con núcleo Xcore .......................................................... 45

4.2 Software del audio ......................................................................................... 52

4.3 USB Audio 2.0 Reference Design (XS1-L1)................................................. 56

4.4 Conocimientos importantes para la implantación de código ..................... 61

Capítulo 5 Implantación del código en el microcontrolador ........................ 69

5.1 Problemas con los números decimales ......................................................... 69

5.2 Problemas con limitaciones por la cantidad de operaciones ..................... 75

Capítulo 6 Conclusiones ................................................................................. 79

Capítulo 7 Futuros desarrollos ...................................................................... 81

7.1 Crossfeed en ordenadores ............................................................................. 81

7.2 Crossfeed en móviles ..................................................................................... 81

7.3 Crossfeed en los auriculares ......................................................................... 82

7.4 Mejoras ........................................................................................................... 83

Bibliografía 85

Parte II Estudio económico ........................................................................ 87

Capítulo 1 Estudio económico ........................................................................ 89

Parte III Manual de usuario ....................................................................... 91

Capítulo 1 Manual de usuario 1 .................................................................... 93

Parte IV Código fuente ................................................................................ 95

Capítulo 1 Código fuente ................................................................................ 97

1.1 Main ................................................................................................................ 97

1.2 Void dsp ( ) ................................................................................................... 100


III




1.3 Int fir ( ) ........................................................................................................ 103

1.4 Coeffs.xc ....................................................................................................... 104

Parte V Anexo .......................................................................................... 105

Capítulo 1 Anexo .......................................................................................... 107

ÍNDICE DE FIGURAS

IV




ÍNDICE DE FIGURAS

V




Índice de figuras

Figura 1: Diferencia de percepción del sonido con cascos y de forma natural ....... 9

Figura 2: Grabadores de sonido binaural .............................................................. 10

Figura 3: Respuestas a un impulso, registradas con una cabeza artificial, para pata

θ=30° y φ=0° ......................................................................................................... 11

Figura 4: Esquema de la percepción de las señales a través de los oídos ............. 12

Figura 5: Esquema general analógico para conseguir una señal crossfeed ........... 12

Figura 6: Esquema de la modificación de una señal por el crossfeed ................... 13

Figura 7: Esquema digital crossfeed ..................................................................... 14

Figura 8: Gráfica de la respuesta en frecuencia de la amplitud del filtro de

Linkwitz ................................................................................................................. 20

Figura 9: Gráfica de la respuesta en frecuencia de la amplitud del filtro de Meier

............................................................................................................................... 22

Figura 10: Gráfica de la respuesta en frecuencia del retardo de las señales en el

filtro de Meier ........................................................................................................ 23

Figura 11: Respuesta en frecuencia del filtro de Chu Moy ................................... 24

Figura 12: Comparación de la respuesta en frecuencia entre el filtro de Jan Meier

y Chu Moy ............................................................................................................. 24

Figura 13: Tiempo de retardo de las señales en el filtro de Chu Moy .................. 25

Figura 14: Comparación en frecuencia de la magnitud de los filtros diseñados por

Jan Meier, Chu Moy y Boris Mikhaylov ............................................................... 27

Figura 15: Comparación de los tiempos de retardo en los filtros diseñados por Jan

Meier, Chu Moy y Boris Mikhaylov ..................................................................... 28

ÍNDICE DE FIGURAS

VI




Figura 16: Diagrama de bloques del crossfeed, usado para la programación en

Matlab .................................................................................................................... 29

Figura 17: Diagrama de Bode de un filtro IIR ...................................................... 32

Figura 18: Diagrama de Bode de un filtro FIR ..................................................... 34

Figura 19: Señal generada a 50 y 120 Hz con ruido ............................................. 35

Figura 20: Filtro FIR de prueba, aplicado a 100Hz ............................................... 36

Figura 21: Filtro FIR de prueba, aplicado a 100Hz ............................................... 37

Figura 22: Señal de audio Lr ................................................................................. 39

Figura 23: Señal de audio Rr ................................................................................. 39

Figura 24: Filtro paso bajo a 700Hz de la señal de audio ..................................... 40

Figura 25: Filtro paso alto a 700Hz de la señal de audio ...................................... 40

Figura 26: Comparación de los diferentes filtros crossfeed en un escenario ........ 42

Figura 27: Una familia Xcore™ formada por 8 hilos Xcore ................................. 46

Figura 28: Dos núcleos Xcore™ conectados a un núcleo Xcore USB ................. 49

Figura 29: Tiempo de respuesta de un hilo Xcore ................................................. 50

Figura 30: Microcontrolador con un núcleo Xcore™ y 8 hilos Xcore................. 51

Figura 31: Estructura de bloques del software del audio ...................................... 52

Figura 32: Software dispositivo XS1-L1............................................................... 56

Figura 33: Software XS1-L1 con DSP .................................................................. 59

Figura 34: Salida del puerto XS1_PORT_1A ....................................................... 62

Figura 35: Ejemplo de salida del XS1_PORT_4A ................................................ 63

Figura 36: Diagrama de bloques del crossfeed ..................................................... 76

Memoria

- 1 -




Índice de tablas

Tabla 1: Ejemplo de la estructura de la coma flotante .......................................... 70

Tabla 2: Coeficientes para k=51 ............................................................................ 74

Tabla 3: Coeficientes para k=13 ............................................................................ 74

Memoria

- 2 -




Introducción

- 3 -




Parte I MEMORIA

Introducción

- 4 -




Introducción

- 5 -




Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

1.1 CONCEPTOS PREVIOS

Antes de comenzar, se realizarán dos definiciones básicas, pero necesarias,

usadas para la comprensión y el estudio del proyecto. La definición de

amplificador de auriculares, y de sonido estéreo.

Se define como amplificador de auriculares, un amplificador de audio diseñado

especialmente para usar los auriculares en lugar de altavoces. Por lo general se

encuentran dentro de dispositivos electrónicos tales como reproductores de

música portátil, televisores, etc.

Se define como sonido estéreo, al método de reproducción de sonido que crea

una ilusión de direccionalidad y perspectiva audible. Esto se consigue

normalmente mediante el uso de dos canales de audio independientes, a través de

una configuración de dos altavoces. El propósito de grabar en sonido

estereofónico es el de recrear una experiencia más natural al escucharlo, y donde,

al menos en parte, se reproducen las direcciones izquierda y derecha de las que

proviene cada fuente de sonido grabada. El sonido estéreo es bastante común en

los sistemas de entretenimiento, tales como la radio, la televisión, la música

grabada y el cine.

Por último, se establece que cuando se hable de grados, se tomara como ángulo

θ = 0º el eje horizontal.

Introducción

- 6 -




1.2 INTRODUCCIÓN

A partir de estas definiciones, la primera idea que puede venir en mente

cuando se piensa en un amplificador de auriculares es que solamente es utilizado

por la gente que trabaje con la música; pero que es una cosa poco usada, ya que

solamente tenemos que conectar los auriculares a la salida del reproductor de

música del ordenador, a la salida del reproductor de CD o del amplificador

integrado, y así seremos capaces de disfrutar de nuestra música.

Lamentablemente, las salidas de audio, a veces, en estos dispositivos son ideas

de último momento, y como podemos imaginar, ideas de baja prioridad, realizadas

con los componentes más económicos que podamos encontrar en el mercado,

sonando en consecuencia a los componentes usados. Otras veces, esta calidad de

audio se ve reducida ya que se contamina con ruido del sistema digital, o porque

la alimentación de dichos dispositivos es a través de baterías.

Aunque la calidad del sonido de los reproductores portátiles, diseñados

específicamente para auriculares, está lejos de ser optimo (ya que estos tienen la

limitación de la baja tensión a la que tienen que trabajar), para escuchar y usar

bien los auriculares, se necesita casi obligatoriamente un amplificador de

auriculares decente.

Los amplificadores de auriculares que incluyen un crossfeed suelen estar

formados de varias partes; a grandes rasgos podríamos diferenciar: diferentes

filtros (que dan un sonido más detallado y limpio), una alimentación cruzada de la

señal (que porta una escucha más relajada y natural), y por último, una

amplificación de la señal (que sirve para obtener una escucha mejorada).

Una de las mejoras que se realizaran con este proyecto en los amplificadores

de auriculares, es que todo se hará de forma digital, así, podremos evitar

diferentes problemas naturales; problemas como el ruido generado por diferentes

componentes electrónicos del “reproductor” de música (que como ya hemos

hablado antes, normalmente la prioridad del aparato electrónico no es la

Introducción

- 7 -




reproducción de música, por lo tanto, es bastante común que un componente del

aparato añada ruido a nuestra señal de música), este ruido se quitará con diferentes

filtros paso alto (pero nunca se puede conseguir algo ideal con componentes

analógicos), y lo mismo pasa con la alimentación cruzada, todos los estudios

anteriores son con componentes analógicos, los cuales no son ideales, por lo tanto

se generan errores de transición, hasta que dichos componentes analógicos

alcanzan el estado en régimen permanente.

Todo esto sirve para reproducir una sensación más natural, similar a la de los

sonidos escuchados con los altavoces. Realmente, esta sensación de naturalidad se

consigue con varias causas que ocurren todas a la vez; primero se diferencia la

procedencia de un sonido, por la atenuación y el retardo con que llega a cada oído

(esta es una de las características más importantes), además, estas ondas de sonido

se ven parcialmente absorbidas y reflejadas por los tejidos de la cabeza, que

acaban llegando al canal auditivo y amplifican o atenúan componentes de

frecuencias específicas. Y por último, las reflexiones de las ondas de sonido en las

paredes, en el techo y en el suelo de la habitación, nos ayudan a tener una

sensación extra del espacio y la profundidad de las cosas.

Todos estos mecanismos de audición direccional no se encuentran cuando se

utilizan los auriculares. Además, los auriculares están conectados directamente a

la cabeza, por lo que los movimientos de la cabeza no ayudará a agregar esta

información a la que estamos acostumbrados. Como resultado, el sonido que se

oye por los auriculares parece adherirse a nuestra cabeza, e intenta forzar un

campo de sonido natural creado, el cerebro no ve indicios lógicos para la

direccionalidad del sonido, y esto inconscientemente se convierte en estrés

mental.

Poder reproducir todos estos campos de forma artificial para simular los

sonidos de forma más natural es bastante complicado. Afortunadamente, la

información direccional media es proporcionada por el retardo del tiempo y el

nivel de atenuación de los sonidos que llegan al oído opuesto. Un filtro de

alimentación cruzada o crossfeed puede simular este proceso, y añadido a una

Introducción

- 8 -




atenuación y retraso de la señal ayudan a reproducir esta forma de escucha más

natural, y por lo tanto, se reduce considerablemente los síntomas adversos

surgidos por la escucha con auriculares.

Por esta razón, es de gran utilidad e importancia explicar un poco más a fondo

uno de los apartados más importantes del proyecto, la alimentación cruzada, o

crossfeed.

1.3 CROSSFEED

Resumiendo y ampliando un poco todo lo expuesto anteriormente, se sabe que

para localizar y exteriorizar las fuentes de sonidos, se usan los dos oídos. El

sonido de una fuente que se tenga a la derecha (por ejemplo, un altavoz derecho)

se escucha no sólo por el oído derecho, sino también, por el oído izquierdo;

solamente que la señal se escuchará un poco atrasada y atenuada. El cerebro

compara el sonido retardado y atenuado con el original para deducir la ubicación

exacta de la fuente de sonido. Cuando escuchamos sonidos en unos auriculares,

todas estas fuentes de información están ausentes.

Los auriculares colocados directamente en los oídos nos provocan una

intensificación del sonido estéreo, algo que no es natural, donde un oído no oye lo

que el otro está escuchando. Esto da una fatiga auditiva al oyente con dolores de

cabeza e incluso mareos después de un largo tiempo de audición.

Para ayudar a reducir esta fatiga auditiva causada por la imagen estéreo no

natural proporcionada por los auriculares, se pensó en desarrollar de forma

analógica una alimentación cruzada de la señal de sonido o crossfeed

(básicamente, un simulador acústico).

El proceso de crossfeed se basa en una alimentación cruzada de la señal de

audio estéreo, de los canales izquierdo y derecho, con un filtro que imita las

características de absorción de sonido de la cabeza humana. Después de pasar a

Introducción

- 9 -




través de un filtro, se mezcla una porción retardada de los canales izquierdo y

derecho, entre sí, para simular el retraso que se produce cuando se escuchan

señales de audio a través de altavoces estéreo posicionados aproximadamente a 60

grados de la cabeza.

El resultado obtenido con el crossfeed es un sonido mucho más realista, más

natural, donde podemos diferenciar las ubicaciones de las fuentes de los diferentes

sonidos incluso con la utilización de cascos. Gracias a esto podemos evitar lo

representado en la Figura 1 [EIER__], ya que la causa de esta fatiga auditiva

mencionada con anterioridad es por la creación de tres “globos” auditivos en

nuestra cabeza (los dos laterales creados por los altavoces de los auriculares

cuando los escuchamos en modo estéreo, y el central, una zona de nuestra cabeza

ausente de sonido direccional, en esta parte de la cabeza, se mezclan los sonidos

de los otros dos “globos”, creándonos el estrés mental nombrado con

anterioridad), en lugar del “globo” auditivo único que crea el cerebro de forma

natural, donde todo el sonido lo escuchamos al unísono.

Figura 1: Diferencia de percepción del sonido con cascos y de forma natural

Hay un tipo de grabación (llamada grabación “binaural”) que se diseñan

específicamente para escucharlas con auriculares, por lo tanto no tienen estos

problemas (es un micrófono especial que se asemeja a una cabeza humana con

elementos de micrófonos en los oídos). Lamentablemente, este tipo de grabación

binaural solamente producen un sonido agradable con los auriculares, no es

aconsejable usarlas con altavoces; por esta causa pocas empresas invierten en su

producción. En la Figura 2, se observan dos imágenes de dos tipos diferentes de

Introducción

- 10 -




micrófonos de sonido binaural, podemos observar que la estructura es muy

diversa, pero la idea principal es la misma, intentar captar el sonido de la forma

más similar posible al sonido captado por nuestros aparatos auditivos, a causa de

esto, se crean micrófonos tan peculiares y diferentes.

Figura 2: Grabadores de sonido binaural

Continuando con el crossfeed, y lo relacionado al retraso de la onda por la

distancia entre las orejas en la cabeza, en la Figura 3 [TAV__] se observa un gráfico

de dos respuestas a un impulso, una por cada oído, grabadas con una cabeza

artificial, con la fuente ubicada a 60° respecto a la horizontal y 0° de elevación. El

eje horizontal corresponde al tiempo y el vertical a la amplitud. En esta imagen

podemos apreciar claramente todo lo comentado con anterioridad (que un oído

escucha lo del otro oído, pero con un retardo y una atenuación de la señal).

Introducción

- 11 -




Figura 3: Respuestas a un impulso, registradas con una cabeza artificial, para pata θ=60° y φ=0°

En este momento entra la posibilidad de continuar con la idea crossfeed o

cambiar a intentar conseguir una reproducción de los sonidos como si fueran

captados con micrófonos binaurales, es decir, reproducir la función de

transferencia de la cabeza reconocida con la sigla HRTF (Head Related Transfer

Functions), ya que hay similitudes con el crossfeed, (el conseguir una respuesta

más natural a la hora de escuchar música), pero la idea es desechada rápidamente,

ya que en los archivos de sonido estéreo falta mucha información de

posicionamiento para poder realizar el proyecto de esta manera.

Así que, retomando el tema del crossfeed con los auriculares, en pocas

palabras: el sonido en el canal derecho sólo se oye en el oído derecho y el sonido

en el canal izquierdo sólo se oye en el oído izquierdo. Lo que falta en los

auriculares es el sonido que va desde cada canal al oído contrario, con un poco de

retraso por la distancia adicional recorrida, y con una pequeña atenuación de las

altas frecuencias por el efecto de sombra de la cabeza. Se contempla un ejemplo

gráfico en la Figura 4[EIER__].

Introducción

- 12 -




Figura 4: Esquema de la percepción de las señales a través de los oídos

La Figura 5 y la Figura 6 nos darán una idea más concreta, general y amplia de

cómo modifica la señal el crossfeed:

Figura 5: Esquema general analógico para conseguir una señal crossfeed

La Figura 5 sería el esquema analógico básico del que se habla con

anterioridad, como podemos ver se aplica un filtro paso bajo a la señal de entrada

de cada canal, y posteriormente se añade en el cruce la atenuación del canal

contrario antes de la salida de cada canal.

Introducción

- 13 -




Figura 6: Esquema de la modificación de una señal por el crossfeed

En la Figura 6, se aprecia con bastante facilidad lo que hace el crossfeed con la

señal estéreo original, viendo que la amplitud de la señal directa del canal se ve

ligeramente atenuada y ligeramente atrasada para comodidad del oyente por la

recreación de dicho altavoz a unos 60 grados (el ángulo varía según el retardo con

que el sonido llega al otro oído).

Sabiendo ya una idea básica general de lo que es un crossfeed, se aclarará que

no solo se hace un filtro paso bajo y un retardo a las frecuencias del canal que

queremos sumar a la señal original, sino que estudios posteriores muestran que

además también se tiene que aplicar un filtro que refuerce las altas frecuencias a la

señal directa, así la unión de ambas señales será más natural, en la Figura 7 se

puede ver dicha explicación gráficamente.

Introducción

- 14 -




Figura 7: Esquema digital crossfeed

Como se observa en la Figura 7, la señal de audio de cada canal se ve sometida

a un paso bajo y un filtro que refuerza las altas frecuencias (consiguiéndose con la

suma de un filtro paso alto a la señal original). A continuación se suma a esta

señal un retardo de la salida del paso bajo del canal anterior, y siendo la suma de

estas dos señales la salida del sistema, que sería la salida de audio que nosotros

escucharíamos a través de nuestros altavoces.

1.4 CONTEXTO HISTÓRICO

Refiriéndonos un poco al contexto histórico, todo surge por la década de 1950,

un ingeniero llamado Ben Bauer [BEN61] que sabía de estos problemas con los

auriculares se dio cuenta de que podía utilizar un filtro analógico que le simularía

bastante bien el retardo que sentimos de la señal auditiva por la distancia entre los

Introducción

- 15 -




oídos y usaría un ecualizador para alimentar un poco cada canal a través del canal

opuesto.

Su esperanza era que el sonido de los auriculares pareciera que viene fuera de

la cabeza. Por desgracia, los auriculares no eran tan buenos en aquella época, y la

electrónica no era tan sofisticada como lo es ahora; aunque su circuito hizo que

con los auriculares se escuchara un sonido más natural, pero no hizo una mejora

lo suficientemente grande como para compensar las desventajas comercialmente.

Su circuito era también bastante costoso debido al número de condensadores de

grandes valores y bobinas. El producto que salió de su trabajo nunca se vendió

bien y, finalmente, desapareció del mercado.

Ben Bauer no era la única persona que trabaja con esta tecnología, en estos

años. Otros investigadores intentaron conseguir mejorar el sonido de los

auriculares. Como el ruso Siegfried Linkwitz [LINK71], en cuyo estudio incluye un

refuerzo de los bajos, para compensar la cancelación de las bajas frecuencias,

además su versión no usa bobinas, y es menos sensible a la impedancia de carga.

Desafortunadamente, los resultados fueron los mismos que para Ben Bauer, ya

que los auriculares no se vendían en esa época como se venden en la actualidad,

por lo tanto no tenía prometedores beneficios para continuar con el estudio del

crossfeed en aquellos tiempos.

Avanzando ya unos años, todo va cambiando significativamente. En 1980, los

auriculares ya se están utilizando en gran número de equipos portátiles, circuitos

integrados hechos con la construcción de filtros analógicos mucho más simples y

menos costosos, y gracias a todo esto la calidad de los auriculares empezó a

mejorar significativamente.

A partir de este momento, diferentes ingenieros como Tyll Hertsens

continuaron trabajando con esta idea del crossfeed para poder mejorarla. Tyll

construyó un prototipo de procesador psicoacústico y amplificador de auriculares

que logró los cambios de ecualización propuestos por los circuitos de Bauer. Aun

así, hasta pasados unos años no empezaría a tomar una forma más afianzada y

comercial la idea del crossfeed.

Introducción

- 16 -




Más o menos, en esta última década, diferentes estudios han ido mejorando

esta idea, como los realizados por Chu Moy [MOY01], Jan Meier [MEIE__] o por Boris

Mikhaylov [MIKH05]; cada uno de ellos ha introducido diferentes mejoras o

aportaciones a dicha idea, como el retraso de la señal de audio, modificaciones de

la ganancia entre los filtros de un mismo canal, o cambiando la frecuencia de

corte de los filtros; pero todos basados a partir de la ampliación del estudio de

Bauer.

1.5 MOTIVACIÓN

Ahora sí que es una buena idea invertir en la idea del crossfeed ya que todo ha

cambiado: el increíble crecimiento en el uso de reproductores portátiles, la gran

cantidad de personas que utilizan auriculares con ordenadores o teléfonos

inteligentes, la gran movilidad de la música y la cantidad de aficionados a las

películas, ha hecho de los auriculares un área importante para investigaciones

serias y por lo tanto una buena inversión de dinero para su desarrollo.

Todo esto se ve aumentado por la continua evolución de la gente al trabajar,

estudiar o hacer sus trabajos diarios con la música, por lo tanto, el papel de los

auriculares coge cada vez más importancia en un mundo donde cada persona tiene

diferentes gustos musicales, y no todos quieren escuchar las mismas canciones en

los mismos momentos. Por esta razón, su utilización está en auge, ya que es la

mejor forma para poder reproducir la música que se quiere en cada momento, sin

molestar a la gente que pueda haber alrededor.

También las grandes mejoras en el rendimiento de la calidad de sonido de los

auriculares es otra gran razón tecnológica que ha hecho florecer la investigación

del crossfeed; gracias a esta, se pueden reproducir sonidos mucho más limpios y

sin tanto ruido, donde podemos diferenciar mejor los distintos instrumentos que

intervienen en las canciones, por esta razón, casi se ve obligada la implantación de

un sistema crossfeed, al mejorar de forma continua los altavoces de reproducción

Introducción

- 17 -




de la música, hay que mejorar también la forma de escuchar la música a través de

ellos.

1.6 OBJETIVOS

El proyecto está formado por tres objetivos principales y uno secundario, el

secundario se realizará si se dispone de tiempo suficiente.

Objetivos principales:

Estudio de los algoritmos ya existentes, este objetivo se basa en la

búsqueda de información de los trabajos y/o proyectos ya existentes

sobre el tema en internet y otras fuentes, es decir, la búsqueda de los

diferentes avances históricos sobre el tema con su recopilación de

diferentes algoritmos con sus parámetros de funcionamiento y

diferencias entre ellos.

Implementación del circuito en Matlab, este objetivo se basa en la

prueba del estudio de información del primer objetivo. Una vez

recopilada la información necesaria, sabiendo los algoritmos usados en

los diferentes estudios, se tendrá que comprobar la respuesta de dichos

algoritmos y ver cual se asemeja más a los requisitos necesarios,

procediendo a hacer diferentes modificaciones en caso de ser

necesarias.

Implementar el algoritmo en un chip XMOS, en este objetivo

tendremos la programación del microchip para implantar el sistema

optimo desarrollado en el punto anterior. Se usará una placa de

evaluación adquirida del fabricante.

Objetivo secundario:

Hacer una tarjeta con el chip y un convertidor D/A, y por último,

en este objetivo, se diseñará una tarjeta definitiva con el chip XMOS,

añadiéndole una etapa de conversión digital-analógica.

Introducción

- 18 -




1.7 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS

Para la realización de este proyecto, se utilizaron las siguientes herramientas:

Internet: para la búsqueda de información y estudio de los diferentes

proyectos existentes hasta el momento

Matlab: para la implementación del circuito crossfeed que se codificara

en el microchip de XMOS

Simulink: usado para comprobaciones de la respuesta a una señal del

filtro crossfeed, cambiando el orden de los filtros FIR.

USB Audio 2.0 Reference Design: tarjeta a utilizar en el proyecto

xSOFTip explorer: programa necesario para el funcionamiento del

microchip a utilizar.

xTIMEcomposer studio: compilador de XMOS en lenguaje XC

Estudios Previos

- 19 -




Capítulo 2 ESTUDIOS PREVIOS

Ahora que ya sabemos en profundidad todo sobre el crossfeed, continuaremos

con el análisis de las diferentes características, opciones y modificaciones de los

diferentes estudios sobre el crossfeed a lo largo de su historia.

Solamente nos centraremos en las características de la respuesta de los filtros,

ya que para este proyecto no interesa el circuito analógico usado para dichos

filtros.

2.1 BENJAMIN BEN BAUER

Todo comenzó con Ben Bauer [BEN61], que en 1961 estableció el método

directo para la reproducción de una señal con crossfeed: tomar la señal estéreo

original y atenuar su amplitud. Después, cruzar los dos canales y añadir las

señales procesadas a la señal estéreo original. Todo realizado de forma analógica.

Representándolo con una fórmula matemática seria:

Estudios Previos

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2.2 SIEGFRIED LINKWITZ

La versión de Linkwitz [LINK71] no tardó mucho en salir, una década después, en

1971, su versión no usa bobinas y es menos sensible a la impedancia de carga. El

propuso la idea de no solo mezclar las señales estéreo, sino también usar filtros

simples de primer orden RC, paso bajo para la señal crossfeed, y paso alto para la

señal directa, a una frecuencia de corte de 700Hz, como se puede contemplar en la

Figura 8, creando una imagen de sonido más realista en los auriculares, todo a

través de electrónica analógica, consiguiendo imitar la “sombra de la cabeza” con

el crossfeed.

Figura 8: Gráfica de la respuesta en frecuencia de la amplitud del filtro de Linkwitz

Linkwitz planteo descender 3dB los graves de la señal del canal derecho frente

al izquierdo antes de aplicar el filtro paso bajo al canal derecho (lo que quiere

decir, reducir en 3dB los bajos de la señal crossfeed, antes de aplicarle el filtro

paso bajo a 700Hz). Además que también impuso el incremento de las altas

Estudios Previos

- 21 -




frecuencias del canal izquierdo en 2dB (lo que quiere decir, el incremento en 2dB

de los altos en la señal directa después de los 700Hz).

Este juego con los filtros paso alto y paso bajo mejora bastante la unión de las

señales después de aplicar el crossfeed, y por lo tanto, supone un gran incremento

en la naturalización de la señal de audio, este juego se realiza, ya que nuestro

oído, en percepción directa (se definirá como percepción directa, al oído que está

más cerca de la fuente de sonido) además de sentir los bajos de la señal, sentirá

sin modificaciones y con bastante intensidad las frecuencias altas de la señal; por

el contrario, el oído en percepción indirecta (definido como el oído más alejado de

la fuente de sonido) recibirá principalmente las frecuencias bajas de la señal; por

lo tanto es de bastante interés, y de gran ayuda, aplicar filtros paso alto y paso

bajo a la señal original para poder tener en cuenta estos aspectos.

Linkwitz también estableció un descenso de 16 dB a la señal directa del canal,

pero se verá más adelante, que es un descenso de intensidad de sonido un poco

excesivo.

En la Figura 8 también se observa la respuesta del filtro de Linkwitz en el caso

de que tanto el canal izquierdo, como el canal derecho reciban la misma señal de

audio, este caso se ve contemplado con la línea discontinua horizontal.

2.3 JAN MEIER

El estudio de Jan Meier [MEIE__] se produjo entre 1998 y 2001, cuando el uso de

los auriculares, el “boom” de los “discman” y el inicio de la música CD en los

jóvenes como medio de reproducción de música empezó a coger auge,

añadiéndose a todas estas oportunidades el desarrollo de la música en MP3.

Usa también filtros paso bajo y paso alto simples de primer orden RC. En su

estudio aumentó la separación a frecuencias bajas de los filtros de 3dB ( lo usado

Estudios Previos

- 22 -




por Linkwitz ) a 9,5dB, como se puede ver en la Figura 9, y redujo la frecuencia

de corte a 650Hz.

Figura 9: Gráfica de la respuesta en frecuencia de la amplitud del filtro de Meier

Además, Jan Meier estableció el retraso relativo a bajas frecuencias entre

señales de alimentación cruzada o crossfeed y la señal directa en la parte inferior

de las frecuencias. Este retraso que estableció fue de 320µs, retraso que imita el

retardo natural para un altavoz visto en un ángulo de aproximadamente 60º.

Esta característica añadida fue de gran importancia, ya que introdujo otro

factor muy importante para la naturalización de la música estéreo, la separación

real entre los oídos.

Estudios Previos

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Figura 10: Gráfica de la respuesta en frecuencia del retardo de las señales en el filtro de Meier

En la Figura 10, se puede ver el retraso relativo comentado que implemento el

filtro crossfeed de Jan Meier. Se ve que ejerce un adelanto de unos 80µs a la señal

directa, y atrasa unos 250µs la señal crossfeed antes de sumarla a la señal directa

del otro canal.

2.4 CHU MOY

Esta versión del 2001 incluye un refuerzo de bajos para compensar la

cancelación de bajas frecuencias. Su filtro también está formado por RCs de

primer orden.

Este trabajo realizó cambios más característicos, sobre todo en las frecuencias

altas, que fueron severamente atenuadas en comparación con la señal original, a

pesar del impulso incorporado en los agudos de cada canal.

Estudios Previos

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Figura 11: Respuesta en frecuencia del filtro de Chu Moy

En la Figura 11 se ve la respuesta en frecuencia del filtro de Chu Moy [MOY01],

donde vemos que él impuso una separación de 6dB entre el filtro de la señal

crossfeed y el filtro paso alto de la señal original.

Figura 12: Comparación de la respuesta en frecuencia entre el filtro de Jan Meier y Chu Moy

Es importante destacar lo que se ve en la Figura 12, la diferencia principal

entre los filtros de Jan Meier y Chu Moy, siendo que en el filtro de Chu Moy, el

filtro paso bajo de la señal crossfeed se ve alzado 3dB.

En conjunto, en la Figura 11, Figura 12, y Figura 13, se ve a simple vista que

además Chu Moy puso de nuevo la frecuencia de corte a 700Hz, y centrándonos

Estudios Previos

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en la Figura 13, vemos que redujo el desfase relativo entre canales a 250µs.

Dejando un retraso casi nulo en la señal original, y aplicando todo el retardo a la

señal crossfeed.

Figura 13: Tiempo de retardo de las señales en el filtro de Chu Moy

Los trabajos de Chu Moy y Jan Meier se realizaron más o menos en la misma

época, observando que hay diferentes versiones de ambos trabajos, ya que cada

uno se apoyó en los estudios del otro para mejorar y actualizar su trabajo.

2.5 BORIS MIKHAYLOV

Por último, el estudio de Boris Mikhaylov [MIKH05], realizado en 2005, se basó

en la construcción de un crossfeed digital, cambiando los parámetros del filtro.

Dejando la frecuencia de corte a 700Hz, pero cambiando la separación de graves a

4,5dB.

Uso un filtro de un polo simple recursivo, usando la Ecuación 1 de

recursividad.

Estudios Previos

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Ecuación 1: Ecuación de Boris Mikhaylov

Donde a0, a1, y b1 son los coeficientes de recursividad, I[n] es la muestra de

entrada, y O[n] la muestra de salida.

Este fue un filtro creado por el, sacando los valores de a0, a1, y b1 a través de

diferentes algoritmos que uso en sus ecuaciones.

Dejó la frecuencia de corte a 700Hz, y el tiempo de desfase entre señales, el

establecido por Chu Moy, de 250µs, modificando la separación entre filtros,

estableciéndola a 4,5dB.

2.6 CONCLUSIONES

En la Figura 14 [MIKH05] se verá una comparación en magnitud de los filtros y

cómo reaccionan según la frecuencia, y en la Figura 15 del tiempo de retraso,

entre los filtros diseñados por Jan Meier, Chu Moy y Boris Mikhaylov, que fueron

los tres últimos estudios realizados, y por tanto, las tres últimas versiones con

mejores resultados.

Estudios Previos

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Figura 14: Comparación en frecuencia de la magnitud de los filtros diseñados por Jan Meier, Chu

Moy y Boris Mikhaylov

En la Figura 14 se puede apreciar muy bien la diferencia principal entre los

últimos tres métodos, la diferencia relativa en dB entre los dos filtros, ya que esta

diferencia, nos dará una intensidad mayor o menor en los bajos de la señal

crossfeed, y otra característica que podemos diferenciar, aunque más difícilmente,

es la frecuencia de corte de los filtros, viendo que tanto Chu Moy como Boris

Mikhaylov la establecen a 700Hz, y Meier a 650.

Estudios Previos

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Figura 15: Comparación de los tiempos de retardo en los filtros diseñados por Jan Meier, Chu

Moy y Boris Mikhaylov

En la Figura 15, se observa el retardo relativo a frecuencias bajas entre señales

de los tres últimos modelos, como se mencionó con anterioridad, en esta

característica no hay mucha diferencia, ya que, todos los estudios se basan en un

altavoz situado a 60º.

A partir de esta información, para sacar verdaderas conclusiones de qué filtro

es el mejor para el proyecto, se tendrá que comprobar la respuesta de los cuatro

filtros a una señal de audio establecida. Esto se realizará con Matlab, como se

explica a continuación.

Después de hacer estas comprobaciones se sabrá que filtro se amolda mejor a

las necesidades requeridas, y se podrán hacer los cambios necesarios.

Desarrollo de los filtros crossfeed

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Capítulo 3 DESARROLLO DE LOS FILTROS

CROSSFEED

Antes de empezar a programar con Matlab, se realiza un diagrama de bloques

para tener más clara la idea del crossfeed, y así comprender mejor cómo tendría

que ser la programación a realizar. Se dibujó el diagrama de bloques realizado en

la Figura 16.

Figura 16: Diagrama de bloques del crossfeed, usado para la programación en Matlab


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En el diagrama de bloques de la Figura 16 se añadieron los nombres de las

variables utilizadas en Matlab en las diferentes etapas del tratamiento de la señal

de audio, para facilitar la comprensión del código utilizado.

Una vez que se tiene claro qué hay que programar, empiezan a surgir los

diferentes caminos por los que podemos optar para hacer la programación.

La primera duda surge en los filtros, ya que es el primer bloque que nos

encontramos, se concluye que los filtros a utilizar tienen que ser sistemas LTI (se

explicará a continuación el porqué) y dentro de este tipo de sistemas, se

encuentran dos tipos de filtros digitales, los filtros IIR y FIR, que se detallaran en

los puntos 3.2 y 3.3.

Antes de comentar en detalle la explicación de los filtros, se definirá:

Respuesta en frecuencia: función compleja cuyo valor depende de la

pulsación normalizada, determina los cambios producidos en la

amplitud y la fase de una señal exponencial compleja aplicada a la

entrada de un sistema LTI.

3.1 SISTEMA LTI

Un sistema LTI (“Linear Time-Invariant” o Sistemas lineales invariantes en el

tiempo) es un sistema, que como su nombre indica, cumple dos propiedades, la

linealidad y la invarianza en el tiempo.

Linealidad

Un sistema es lineal si satisface el principio de superposición, que dice que si

la entrada es igual a la suma de dos o más señales, o una parte proporcional de

alguna de ellas, la salida será igual a la suma de la respuesta del sistema a cada

una de las señales.


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Invariabilidad

Un sistema es invariante en el tiempo, si la respuesta producida por el sistema

es siempre la misma, independiente del instante de tiempo en que se produzca

dicha respuesta. Esto quiere decir, que una muestra especifica producirá la misma

respuesta al pasar por un sistema, independientemente de cuándo pase dicha

muestra.

Después de esta explicación, se puede concluir que el filtro usado para el

proyecto tiene que ser obligatoriamente un LTI.

3.2 FILTROS IIR

Los filtros IIR (Infinite Impulse Response) satisfacen las propiedades de

linealidad e invarianza en el tiempo, por lo que son sistemas LTI. Además, tienen

una respuesta al impulso unidad de duración infinita, es decir, la salida tendrá un

número infinito de términos no nulos, es decir, nunca vuelve al reposo.

La respuesta de estos sistemas no sólo depende de las muestras de entrada sino

también de las muestras de salida anteriores en el tiempo. Por tanto, los filtros IIR

son sistemas realimentados.

La ecuación de este tipo de filtros cuya salida es y[n] y entrada es u[n] se

representa en la Ecuación 2.

Ecuación 2: Filtros IIR

Los coeficientes ai se denominan de realimentación, mientras que bk se

denominan coeficientes directos. En este caso, se define N como el orden del

filtro.


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Aplicando la transformada Z, obtendríamos la función de transferencia

representada en la Ecuación 3.

Ecuación 3: Transformada Z de los filtros IIR

Por último, una de las características que interesa para este proyecto es la

respuesta en frecuencia del filtro, esta está relacionada directamente con la

función de transferencia, obteniéndose al hacer la sustitución .

En la Figura 17 representamos con Matlab un ejemplo de filtro IIR, de esta

figura nos interesa observar la fase, ya que se puede distinguir claramente que no

es lineal.

Figura 17: Diagrama de Bode de un filtro IIR

Se ve en la Figura 17, que la fase del filtro IIR no es lineal, por lo tanto,

sacamos como conclusión que los filtros IIR tienen una respuesta en fase no

lineal.


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3.3 FILTROS FIR

Los filtros FIR (Finite Impulse Response) satisfacen las propiedades de los

sistemas LTI y son aquellos en los que cada muestra de salida es una suma ponderada

de un número finito de muestras de la secuencia de entrada ya recibida.

La ecuación que sigue este tipo de filtros se ve en la Ecuación 4.

Ecuación 4: Filtros FIR

Como podemos observar, es un caso particular de un filtro IIR, donde todos los

coeficientes ai=0.

Aplicando la transformada Z, obtendríamos la siguiente función de transferencia

de la Ecuación 5.

Ecuación 5: Transformada Z de los filtros FIR

Como ya se dijo para los filtros IIR, una de las características que más interesa

en este proyecto es la respuesta en frecuencia del filtro, y como sucede con los

filtros IIR, al ser el filtro FIR un caso particular, la respuesta en frecuencia del

filtro también está relacionada directamente con la función de transferencia,

obteniéndose al hacer la sustitución .


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En la Figura 18 representamos con Matlab un ejemplo de filtro FIR, como en

el caso anterior, observaremos la fase, viendo que es claramente lineal en los

márgenes del filtro que nos interesa.

Figura 18: Diagrama de Bode de un filtro FIR

Se contempla en la Figura 18, que la fase del filtro FIR es lineal, por lo tanto,

los filtros FIR tienen una respuesta en fase lineal, en contraposición a los filtros

IIR.

Después del estudio de las dos opciones de filtros digitales que tenemos,

optamos por usar un filtro FIR, por diferentes causas; porque son estables por

definición y porque su respuesta en frecuencia es lineal, ya que un filtro con una


- 35 -




característica de fase no lineal originará una distorsión de fase, esto, a las

componentes de distinta frecuencia al ser procesadas por el filtro las afectará en

un retraso que no será proporcional a la frecuencia y por lo tanto se alterará la

relación original entre los distintos armónicos que la formen, y al estar tratando

con señales de audio, interesa que dichas señales no se desfasen unas de otras en

el tiempo al aplicar los diferentes filtros, sino, al hacer el sumatorio de las señales

representado en la Figura 16, dichas señales estarán desfasadas entre sí, y se

producirá una deformación de la onda.

3.4 IMPLANTACIÓN DE LOS FILTROS CROSSFEED

Para comenzar a programar, primero se comenzó con un par de pruebas de los

filtros. Se generó una señal senoidal de dos frecuencias, a 50 y 120 Hz, y se

añadió ruido a la señal. A esta señal se le aplico el filtro FIR a una frecuencia de

corte de 100Hz, cuyos resultados se muestran en la Figura 19.

Figura 19: Señal generada a 50 y 120 Hz con ruido


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La señal representada en la Figura 19, es la señal de prueba, se generó con

ruido para comprobar la eficacia del filtro FIR a utilizar, y las amplitudes de las

frecuencias fueron de 0,8V para 50Hz y 1V para 120Hz, se generaron de

diferentes amplitudes con el mismo propósito por el que se metió el ruido, para

ver la eficacia del filtro FIR.

Figura 20: Filtro FIR de prueba, aplicado a 100Hz

En la Figura 20 se ve la gráfica del filtro FIR utilizado, hemos generado la

señal de prueba a una frecuencia de muestreo:

Por lo tanto, por el criterio de Nyquist, la frecuencia de muestreo de dicha

señal tiene que ser como mínimo el doble de la frecuencia de la señal, por lo tanto,

la frecuencia de Nyquist será:


- 37 -




Como hemos normalizado las gráficas de los filtros, los 100Hz de nuestro filtro

en frecuencia normalizada serán:

Ecuación 6: Frecuencia normalizada del filtro de prueba

Como bien se observa en la gráfica, la frecuencia de corte del filtro es a una

frecuencia normalizada igual al resultado de la Ecuación 6.

Aplicando el filtro a la señal, se obtiene la Figura 21.

Figura 21: Filtro FIR de prueba, aplicado a 100Hz


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Como muestra la Figura 21, el filtro FIR digital de orden 50 es casi perfecto, no

tenemos los problemas que existen con los filtros analógicos, que

aproximadamente empiezan a filtrar una década antes y acaban una década

después (en dB), en estos filtros, al ser digitales, son más exactos, siendo este uno

de los atractivos para nuestro filtro crossfeed.

Una vez que ya se han realizado las comprobaciones pertinentes, se continúa

con la programación del código siguiendo el diagrama de bloques expuesto en la

Figura 16.

Antes de los comentarios de esta parte, se deja en conocimiento que todo tipo

de señales referidas de aquí en adelante estarán limitadas a 5 segundos, ya que

basta para el estudio de este proyecto con estudiar los primeros cinco segundos de

una canción.

Se puede saber con cuantas muestras estaremos trabajando, ya que para la

música se utiliza una frecuencia de muestreo de:

Por lo tanto, como se trabajará con 5 segundos, estaremos trabajando

continuamente con el número de muestras obtenidas en la Ecuación 7.

Ecuación 7: Muestras con las que se trabajará durante el estudio de los filtros

Como se puede diferenciar en la Figura 16, primero se separarán los canales

izquierdo y derecho de la señal, como podemos ver en la Figura 22 y en la Figura

23.


- 39 -




Figura 22: Señal de audio Lr

Figura 23: Señal de audio Rr

Se observan diferencias sobre todo entre los armónicos encontrados entre las

frecuencias de 0 a 1500Hz, donde se puede ver que para la señal del canal derecho

(Figura 23), hay más cantidad de armónicos, y su amplitud es mayor.

Pero como se puede ver en la Figura 22 y en la Figura 23, las diferencias entre

los canales no son muy apreciables, así que para no sobrecargar el proyecto con

demasiadas gráficas, solamente se pondrán las gráficas y las conclusiones


- 40 -




correspondientes a uno de los dos canales (se eligió el canal “Left” o izquierdo),

suponiendo que las gráficas correspondientes al otro canal serán similares.

Aplicando al canal izquierdo los filtros correspondientes, se obtienen la Figura

24 y la Figura 25.

Figura 24: Filtro paso bajo a 700Hz de la señal de audio

Figura 25: Filtro paso alto a 700Hz de la señal de audio


- 41 -




Se estableció para este filtro un filtrado a 700Hz y no de 650Hz por la lectura

de un proyecto basado en la música binaural, del que se sacó la Figura 3, además

de por la influencia de los estudios anteriores sobre el tema.

Se impuso también un retraso de 320µs, basándonos en el mismo estudio

nombrado con anterioridad, los posibles retardos que se pueden percibir llegan

hasta 600µs, dependiendo del ángulo en que se encuentre la fuente de sonido,

aproximándolo para una fuente situada a 60º con 320µs de retardo.

Por último, experimentalmente se puso la diferencia relativa entre filtros,

estableciéndola a -5.25dB, ya que es con la que mejor resultados se obtienen para

todas las frecuencias auditivas.

3.5 RESULTADOS

Después de la aplicación del código de Matlab a todos los filtros anteriormente

nombrados, mejorándolos ya de por si un poco, ya que a todos se les aplica el

mismo filtro FIR (de orden 50) con el que se trabajará durante todo el proyecto, se

llega a las siguientes características para el filtro crossfeed:

Utilización de un filtro paso bajo para la señal crossfeed, y uno paso alto

para la señal directa. Ya que los sonidos por encima de una determinada

frecuencia (de 600 – 900 Hz, aproximadamente), cuya longitud de onda es

pequeña, sólo serán escuchados por uno de los dos oídos; ya que la cabeza

funciona como una pantalla, y evita que una parte del sonido alcance al

oído que está situado en el lado opuesto a la dirección del sonido.

Aplicación de la frecuencia de corte a 700 Hz, se planteó la posibilidad de

cambiar la frecuencia de corte entre el paso bajo y el paso alto, el

problema de hacer esto, es que cuando sumas la señal crossfeed a la señal

original la unión no es buena, ya que hay diferentes instrumentos (como

las guitarras) que pueden trabajar a frecuencias bajas y altas, y aplicando

esta posibilidad a estos instrumentos, da la sensación que el instrumento se


- 42 -




va moviendo. Y después de gran cantidad de comprobaciones, se impuso

la frecuencia de 700Hz como la frecuencia de la que se habla en el punto

anterior.

Retardo de la señal de 320μs.

Una diferencia entre filtros de 5,25dB, ya que experimentalmente, se ha

llegado a la conclusión, que con esa diferencia entre filtros se cumple la

realidad en la que se basa todo el estudio, suponiendo la emisora de sonido

a una fuente situada a 60º.

Utilizando estas características nombradas con anterioridad, para generar el

filtro crossfeed, y para compararlo con los diferentes filtros de los estudios

realizados anteriormente, se recurre a la ayuda de la Figura 26.

Figura 26: Comparación de los diferentes filtros crossfeed en un escenario


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La Figura 26 es la escenografía de las plateas de un concierto, se usará la

figura para hacer las comparaciones necesarias entre los diferentes filtros

crossfeed, para comentar las diferencias observadas, y explicar mejor por qué la

selección de las características nombradas con anterioridad.

Los puntos de la Figura 26 se dibujaron de forma aproximada tras la escucha

experimental de los diferentes filtros nombrados en este capítulo.

Comentar que realmente el filtro de Linkwitz no está situado donde está el

punto negro. Su verdadera ubicación sería fuera del escenario, bastante lejos,

como si se escuchase el concierto desde la terraza de una casa cercana y centrada,

solo que incrementando el circuito de Linkwitz con el retraso de 320μs y

reduciendo los decibelios que establece Linkwitz en su estudio, se ha situado en

un punto donde se le puede comparar con el resto. Se redujo los decibelios de su

estudio ya que Linkwitz reduce la señal crossfeed 19dB, situándonos esta

reducción muy lejos del escenario. Se modificó su estudio de tal forma que solo

importasen los 3dB de diferencia entre filtros como el exponía en su trabajo.

Se puede ver en la Figura 26, que la separación entre los filtros es la que me

dará la lejanía del espectador en el escenario, suponiendo siempre que el

espectador se encontrará en un ángulo de 60º, aunque como se puede ver, la

diferencia de decibelios entre filtros afecta también un poco a esta magnitud.

Una característica muy importante que se tuvo en cuenta, es la relacionada con

instrumentos como la batería, instrumentos que tienen graves y agudos muy

notados. Se eligió la frecuencia de corte de 700Hz, ya que con una frecuencia de

corte de 650Hz cuando se escucha la batería, da la sensación que los altos y los

bajos del mismo instrumento están desplazados varios metros.

Por último, la mayor diferencia notada frente al filtro de Boris Mikhailov, el

más parecido al de este proyecto, es que experimentalmente, su filtro crossfeed

pone siempre en segundo plano los agudos más elevados, como serían los agudos

de una trompeta, da igual si esta trompeta originalmente esta en primer plano o de

fondo, su filtro siempre las pasa al segundo plano, junto a la batería. Una pena al

intentar escuchar gran cantidad de grupos que juegan con la música a altas


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frecuencias de diferentes instrumentos en ambos planos. Sin embargo, el filtro

crossfeed de este proyecto deja los instrumentos en sus posiciones originales, y

sin separar los sonidos de los instrumentos, además de aproximarse bastante bien

a los 60º en los que se basa el estudio, y conseguir una música bastante envolvente

y natural.

Información del microcontrolador utilizado

- 45 -




Capítulo 4 INFORMACIÓN DEL

MICROCONTROLADOR UTILIZADO

Para este proyecto se utilizará un microcontrolador de Xmos [XMOS13],

compañía que trabaja con diferentes microcontroladores de diferentes capacidades

y características. Xmos es de las compañías de microcontroladores que más

trabajan con temas relacionados con el audio. Por esta razón se eligió un

microcontrolador suyo para este proyecto.

A continuación se detallaran las características más importantes de los

microcontroladores de Xmos. Los núcleos Xcore, los cuales pueden formar un

microcontrolador Xcore™ de multinúcleo, el software de audio, que es el que

interesa para este proyecto, y se adjunta en el Anexo el hardware del micro.

4.1 MICROPROCESADORES CON NÚCLEO XCORE

Este tipo de microcontrolador, el microcontrolador Xcore™ de multinúcleo, es

diferente a los microcontroladores estándar. Permite programar con exactitud y

con precisión las interfaces y las funciones necesarias para el programa a utilizar.

Los microcontroladores de Xmos proporcionan un rendimiento en tiempo real

bastante mejorado, ya que tienen que trabajar con señales de audio. Se recuerda

que la frecuencia de muestreo de las señales de audio comúnmente es de:


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Por lo tanto, se dispone de un tiempo de operaciones entre las muestras muy

pequeño, como se ha calculado en la Ecuación 8.

Ecuación 8: Tiempo de operaciones entre las muestras de audio

Por esta causa, los micros de Xmos[XMOS13] pueden disponer de diferentes

núcleos de procesadores lógicos de 32 bits, lo que permite realizar más de una

tarea en paralelo, gracias a lo cual, se podrían realizar gran cantidad de

operaciones.

Figura 27: Una familia Xcore™ formada por 8 hilos Xcore

Estos microcontroladores, como se puede ver en la Figura 27, están formados

de varios hilos Xcore, cada familia de microcontroladores Xcore™, o núcleo

Xcore, puede contener de 4 a 8 procesadores lógicos Xcore.

Cada procesador lógico es temporalmente independiente del resto, gracias a

que son controlados por el hardware Xtime. Cada hilo puede ejecutar código

computacional, software de control (incluyendo la toma de decisiones lógicas) o


- 47 -




el software encargado de las operaciones I/O (entrada y salida de datos a través de

los pins del micro).

Otra característica, y una de las más importantes de este microcontrolador, es

que se pueden personalizar los diferentes hilos Xcore, gracias al programa

xSOFTip, que proporciona una gran gama de periféricos para personalizar dichos

hilos. Dichos periféricos se pueden modificar, añadir, o incluso se pueden crear

periféricos nuevos para conseguir la personalización de los hilos Xcore.

Entre los ya programados, se pueden encontrar periféricos ofrecidos por la

compañía Xmos, como:

Un periférico (usado para este proyecto) que modifica la velocidad del

USB, permitiendo que el microcontrolador pueda soportar la velocidad de

un USB 2.0

En el caso de usar un multicanal, se puede descargar un bloque Ethernet

del programa xSOFTip, y usar uno de varios núcleos o familia Xcore™

para dicho multicanal.

Esto nos ofrece un microcontrolador flexible, con un software formado a través

de periféricos, y por lo tanto personalizado y adaptado a las necesidades de cada

proyecto.

Como se mencionó con anterioridad, en este proyecto se usará uno de estos

periféricos de xSOFTip, ya que se trabajará con un puerto de entrada de música

USB 2.0.

Lo que se quiere en conjunto con este microcontrolador, en resumen, es tener

un micro totalmente personalizado, y saber con exactitud cuál va a ser la respuesta

de nuestro programa.

Centrándonos de nuevo en su arquitectura, como se ha nombrado, cada núcleo

Xcore™ está formado por diferentes hilos Xcore, estos, según el microchip,

pueden estar almacenados en una cantidad de 4, 6, 8, 10, 12, 16 o 32 hilos Xcore


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por bloque o núcleo, y después cada micro puede tener uno, dos o cuatro bloques

de familias Xcore™. En la Figura 27 se ve un núcleo o bloque Xcore™ de 8 hilos

Xcore. Para mejorar el rendimiento de estos hilos, cada Xcore incluye soporte

para operadores MAC, CRC y otros operadores DSP.

Cada hilo Xcore, es independiente del resto, son procesadores en paralelo,

capaces de funcionar sin problemas al mismo tiempo. El Xtime tiene un papel

muy importante en este momento, ya que es el encargado de que cada hilo Xcore

tenga una capacidad de respuesta en tiempo real.

Pero al mismo tiempo, tienen un sistema unificado de memoria, y pueden

pasarse información entre ellos. Los núcleos Xcore están “dormidos” mientras

que no exista una necesidad de utilización, por lo que se les despertará cuando el

código necesite de su funcionamiento para procesar alguna información. En el

caso de que tuviéramos un equipo muy sensible a la energía, o se quisiera una

precisión aun mayor, existen diferentes Xcore USB, como se puede ver en la

Figura 28, que combinan las características del Xcore ya nombradas con estos

núcleos Xcore USB, abordando aplicaciones más exigentes, incluyendo

periféricos de alto rendimiento, múltiples canales de audio USB, modos de espera,

o sueño profundo para aplicaciones sensibles a la energía.

Estos módulos Xcore USB, al comunicarse directamente con uno de los

núcleos Xcore™ del microprocesador, pueden transmitir toda la información

necesaria a todos los hilos Xcore que necesiten su utilización. Pero solamente se

pueden unir a núcleos Xcore™ con 8, 10, 12 o 16 hilos Xcore.


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Figura 28: Dos núcleos Xcore™ conectados a un núcleo Xcore USB

Otras características importantes que se tienen en cuenta de estos

microcontroladores, son:

Las entradas del micro responden mucho más rápido, por lo que se podrán

realizar tareas de audio a gran velocidad.

Se pueden añadir bloques de seguridad, e incluso contraseñas, para

garantizar que el código está protegido.

El tiempo de respuesta es más rápido que otros procesadores. Como se ve

en la Figura 29, el tiempo de respuesta de cada Xcore es independiente

del número de entradas. Al tener este micro una arquitectura en paralelo.

La arquitectura de los núcleos, hace que los hilos estén estrechamente

relacionados con los puertos I/O. Data transfiere los datos directamente

entre los núcleos y los puertos I/O.


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Figura 29: Tiempo de respuesta de un hilo Xcore

La característica representada en la Figura 29 es de las más importantes para

este proyecto, ya que como se ha hallado en la Ecuación 8, se dispone de muy

poco tiempo entre las diferentes muestras de audio.

Según la propia página de Xmos, este tipo de microchips son ideales para

equipos de sonido de alta gama, proporcionando comunicaciones en tiempo real, y

pudiendo hacer cambios de control al dispositivo en tiempo real. Se usan en

aplicaciones de sistemas de audio profesional, equipos de audio multicanal, y otra

gran cantidad de equipos que manejan el audio. En general, para cualquier tipo de

producto de audio digital.

Aparte, este microchip, por su modulador de ancho de pulso, flexible a causa

de los bloques de XSOFTip, Xcore se puede utilizar también para motores. Y

gracias a su rápida respuesta, y trabajo de núcleos paralelos, se encuentra en gran

cantidad de sistemas robóticos.

Como resumen, y como conclusión final, después de la lectura de toda la

información ofrecida de los microcontroladores de Xmos, se decidió utilizar uno

de estos microcontroladores para la realización de este proyecto. En la Figura 30

se ve como es un microcontrolador de un bloque Xcore™ con 8 hilos Xcore.


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Figura 30: Microcontrolador con un núcleo Xcore™ y 8 hilos Xcore

El microchip con el que se trabaja en este proyecto es exactamente el mismo

representado en la Figura 30, el microcontrolador “XS1-L8A-64” de 500MIPS,

microcontrolador con un solo núcleo Xcore™ y de 8 hilos lógicos Xcore.


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4.2 SOFTWARE DEL AUDIO

Este tipo de microprocesadores usan una estructura de software de audio muy

especial, ya que como se explicará a continuación, dispone de varias

características, por las que se usan los diferentes hilos Xcore. Estas características

se basan en la comunicación continuada de los diferentes hilos, para establecer

una buena comunicación entre los módulos de tratamiento de la señal.

Figura 31: Estructura de bloques del software del audio

En la Figura 31, se ve la estructura de bloques general usada por los

microcontroladores de audio de Xmos, para el microcontrolador que se usará en

este proyecto, dicha estructura se simplifica un poco, ya que no tienen

entrada/salida MIDI. Pero el esquema es muy similar.


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Comentar que este esquema es válido tanto para la recepción de datos a través

del puerto USB, la posterior modificación de dichos datos de audio y salida hacia

unos altavoces, como para la recepción de datos del exterior (lo que sería a través

de un micrófono, o algún aparato similar), el tratamiento de dicha señal y salida a

través del puerto USB.

Para este proyecto se utilizara la comunicación USB-altavoces, utilizando

como altavoces unos auriculares de música estéreo.

Como se ve en la Figura 31, la interfaz USB del microchip es controlada por el

dispositivo XMOS USB (correspondiendo con el modulo USB XUD de la figura).

Dicha interfaz está relacionada muy estrechamente con otros tres módulos:

Endpoint(): este módulo controla las tareas de enumeración/configuración

del dispositivo USB

Endpoint Buffer: este módulo envía/recibe paquetes de datos de audio de

la biblioteca XUD de los CHANNELS (canales) de XC (lenguaje de

programación del microchip) y manda a la memoria del módulo Buffer.

Decoupler: este módulo lee/escribe paquetes a/desde el módulo Buffer, a

través de su memoria, y envía/recibe las muestras de los CHANNELS de

los componentes de audio de XC del software.

La frecuencia de muestreo a la que trabaja el microcontrolador está establecida

en 44,1 KHz, aunque se puede cambiar y modificar hasta un máximo de 48 KHz,

siempre y cuando tanto la entrada como la salida de audio estén habilitadas para

esta frecuencia de muestreo y se hayan realizado los pertinentes cambios en las

características del micro.


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A continuación se profundizará un poco más en el funcionamiento de los tres

módulos comentados con anterioridad.

Endpoint(0): Management and Control

Este módulo controla las tareas de gestión del dispositivo USB, sus funciones

se pueden dividir en enumeración, reset, configuración de audio y actualización

de firmware.

Cuando el HOST (anfitrión, será el dispositivo externo que nos mande la señal

de audio, en el caso de este proyecto, el ordenador, que nos enviará las muestras

de la señal de audio) envía un paquete a “Endpoint(0)”, primero el módulo XUD

examina el paquete (mandando las correspondientes órdenes, como se explicará

más adelante, en el caso de que sea necesario un reset, por cambio de parámetros,

o por algún error, este módulo lo ejecuta), y después “Endpoint(0)” inspecciona el

paquete, y lo envía a uno de los siguientes subsistemas:

La interfaz “Audio class” (Aplication mode)

La interfaz “DFU”

o Start/Enumeración:

Esta función del “Endpoint(0)” se ejecuta cuando el dispositivo se une

directamente a un Host.

Cuando se ejecuta esta conexión, el dispositivo dispone de la información de la

frecuencia de la señal de audio con la que se va a trabajar, por lo tanto, se

conectara al modo “Aplication mode” cuando la frecuencia de muestreo de la

señal de audio es la misma que la frecuencia de muestreo del microcontrolador.

Por el contrario, si hay algún cambio en algún parámetro de trabajo del micro, se

recibirá un mensaje especial para conectarse en DFU, y desde esta interfaz, se

pueden realizar algunos cambios en los parámetros de arranque del dispositivo.


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o Reset (si recibe esta solicitud, pueden ocurrir tres casos):

Dependiendo del estado DFU, el dispositivo puede ser que esté

conectado en modo DFU y necesita algún cambio en los parámetros de

arranque.

Se envía un mensaje al “audio driver” para alertar de un inminente

reset. En este momento la reproducción se detiene, y se espera a que se

reinicie el dispositivo.

Se llama al módulo “XUD” para realizar un reset del USB

o Configuración de audio (dispone de dos modificaciones, los ajustes de

frecuencia, y el control de volumen):

Ajuste de la frecuencia de muestreo: cuando el Host solicita un cambio

de la frecuencia de muestreo, se envía un comando a “Endpoint(0)”, y

el dispositivo inicia un reset para una autoconfiguración a la nueva

frecuencia de muestreo. Cuando el dispositivo se reinicia, ya se ha

registrado la nueva frecuencia de muestreo.

Control de volumen: cuando el Host solicita un cambio de volumen, se

envía una solicitud de cambio de volumen al interfaz de audio a través

de “Endpoint(0)”. El volumen será modificado a través del módulo

“Decoupler” o a través del módulo “Mixer component” (si se está

utilizando).

Audio endpoints (compuesto por el módulo “Endpoint buffer” y el

módulo “Decoupler”).

Endpoint Buffer:

Debe responder a las librerías de XUD, por lo tanto, solo recibe y transmite

buffers, que son pasados a este módulo a través de la memoria compartida de

“Decoupler”. Este módulo también es responsable de leer el puerto “counter”

(contador) siempre y cuando haya algún puerto conectado al “master clock” (reloj

maestro manejado por el Xtime del núcleo Xcore).


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Decoupler:

El desacoplador suministra al módulo “Buffer” las protecciones para

transmitir/recibir datos desde el Host. Este módulo también determina el tamaño

de cada paquete de audio enviado al Host, por lo tanto, comparando de nuevo la

igualdad de la frecuencia de muestreo para el tratamiento de la señal, con la

frecuencia de los paquetes del USB.

4.3 USB AUDIO 2.0 REFERENCE DESIGN (XS1-L1)

Con el software de audio descrito en el Apartado 4.2, hay dos dispositivos, el

“XS1-L1” y el “XS1-L2”. El usado para este proyecto es el XS1-L1, así que, a

continuación de detallará el funcionamiento del software más detalladamente

centrándose en el dispositivo XS1-L1.

Figura 32: Software dispositivo XS1-L1


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La Figura 32 es el esquema usado como unión entre los módulos “Buffer”,

“Decoupler” y “XUD” del dispositivo utilizado para el proyecto. Los datos se

pueden transmitir de dos maneras, desde un dispositivo al Host (donde el

microcontrolador recogería las señales de audio de un dispositivo externo, como

un micrófono), o del Host a la maquina (que en este caso, sería la recepción de la

música desde el ordenador hacia nuestro dispositivo de audio).

Cuando los datos van del dispositivo al Host:

El módulo “Decoupler” recibe las muestras del módulo “Audio” y las

manda al FIFO. Este FIFO se divide en paquetes cuando los datos se

introducen en él.

Cuando el módulo “Buffer” ya ha enviado un buffer, y necesita otro buffer

para enviar al módulo “XUD”, en este momento se envía una señal a

“Decoupler”.

Después de esta señal del módulo “Buffer”, “Decoupler” pasa el siguiente

paquete de la FIFO a “Buffer”, y envía una señal al módulo “XUD”, para

decir que el módulo “Buffer” ya puede enviar un paquete.

Cuando “Buffer” ha enviado este buffer, se regresa al segundo paso

descrito, y así sucesivamente.

Cuando los datos van del Host a la maquina:

El módulo “Decoupler” pasa un puntero a “Buffer” que señala dentro de

los datos del FIFO, y al módulo “XUD”, y le dice que “Buffer” está listo

para recibir datos.

El módulo “Buffer” entonces lee un paquete del puerto USB dentro de la

información del FIFO, y envía una señal al módulo “Decoupler” para

decirle que el paquete fue leído.

Al recibir esta señal, “Decoupler” actualiza el puntero del FIFO y

proporciona un nuevo puntero a “Buffer” para recibir más información.

Por la petición del módulo “Audio”, el “Decoupler” envía las muestras de

audio mediante la lectura de las muestras del FIFO.


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Es importante destacar la interacción entre el “Decoupler” y el “Audio”. Ya

que el módulo “Decoupler” debe satisfacer los requisitos de tiempo del audio del

sistema (establecidos por el xTime del xCore™) para poder enviar/recibir

muestras. Para conseguir este acuerdo, se introduce un controlador de interrupción

“interrupt handler” (que se explicará más adelante con más detalle).

Generalmente, se puede decir que el sistema de audio envía una palabra sobre

un canal a “Decoupler” para solicitar el inicio de la transferencia de muestras

(utilizando la función “outuint()”, que también se explicará más adelante ).

La primera acción de este controlador, es devolver una palabra reconociendo la

petición, en el caso de que haya habido un cambio en la frecuencia de muestreo,

se enviará una señal de control, (el sistema de audio utiliza la función “testct()”

para comprobar este caso).

Una vez que todo está correcto, empieza la transferencia de datos, primero el

sistema de audio transfiere las muestras destinadas para el Host, después

“Decoupler” envía las muestras procedentes del Host al dispositivo.

Esta transferencia siempre se hace con el control de las variables de

contabilizador de tamaño (en el caso de este microprocesador, serían las variables:

NUM_USB_CHAN_OUT y la variable NUM_USB_CHAN_IN). Esto quiere

decir, que si el dispositivo dispone de 10 puertos de salida, y 8 de entrada, 10

muestras serán enviadas desde el “Decoupler” y 8 recibidas en cada interrupción.


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Figura 33: Software XS1-L1 con DSP

El dispositivo “USB Audio Desing” está formado por los bloques nombrados y

explicados con anterioridad, y un bloque de almacenamiento temporal de datos,

este bloque se encuentra entre el “Decoupler” y el módulo de salida de datos de

audio, como se ve en la Figura 33, es el llamado “DSP”.

El bloque de ejecución DSP está basado en la correcta mezcla de la música que

proviene del USB y los datos del buffer.

Este módulo se aplica a los dos canales recogidos desde el Host, por lo que hay

que tenerlo en cuenta cuando se aplique un filtro solamente a uno de los dos

canales, o solo se modifique una de las dos señales, ya que esto podría afectar al

“handshake” que se necesita realizar para su correcto funcionamiento.

Su funcionamiento es sencillo, el hilo de audio emite una palabra para indicar

que está listo para recibir/mandar muestras, y el hilo de hablar responde con una

de las siguientes dos opciones:

Con una señal de control, para indicar el cambio de la frecuencia de

muestreo.


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Con una palabra handshake (apretón de manos), que es la palabra de

apoyo para indicar que los datos de audio son normales, o están

modificados correctamente.

El hilo de audio a continuación envía una muestra por cada canal de entrada, y

recibe una muestra por cada canal de salida antes de realizar las operaciones de

I/O con los puertos.

Como el DSP se encuentra entre “Decoupler” y “Audio”, las muestras en cada

momento tienen que ser iguales entre ambos módulos para conectarse entre ellos.

En ese momento, se pide el movimiento de los datos, si es aceptada la solicitud

de enviar/recibir los datos de audio, esta solicitud pasa a “Decoupler”. A

continuación, si se cumple el protocolo de enlace de “handshake” de “Decoupler”,

la solicitud pasa de nuevo a “Audio”. Las muestras, a este punto pasan como se

hayan requerido al inicio (se recuerda, que el hilo hablar, puede responder

diciendo que se necesita un cambio de frecuencia), pasando una muestra por canal

a través del “Buffer”. El DSP se aplica a las muestras cuando se reciben de

“Decoupler”.

En el módulo DSP será donde se realizará todo el código para el tratamiento de

la señal.

En resumen, todo este proceso, se puede considerar como un único hilo de

mezclador de audio digital, el cual coge las muestras de salida de audio del

módulo “Decoupler” (outgoing, o muestras de salida del ordenador a través del

USB) y las muestras de audio del módulo “Audio driver” (incoming, o muestras

de entrada a nuestro dispositivo). En este momento de aplica una modificación de

volumen a cada canal, si fue solicitada, y pasan las muestras del “incoming audio”

al “Decoupler” y las muestras del “outgoing audio” al módulo “audio driver”.

El mezclador puede recoger los inputs (entradas) de:

Los outputs (salidas) del USB proveniente del Host (las muestras

provenientes del “Decoupler”).

Los inputs provenientes de un dispositivo de audio (estas muestras

provienen del módulo “Audio driver”).


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Después de la mezcla de canales, y tratamiento de la señal, se crean los

productos finales, que pueden tener dos tipos diferentes de salidas:

Los inputs del USB al Host (estas muestras son enviadas al “Decoupler”).

Los outputs al dispositivo de audio (estas muestras son enviadas al módulo

“Audio driver”).

Por último, cabe destacar la importancia del “the main program”, ya que, no

solo tiene una declaración de todos los puertos usados en el diseño, sino que una

de sus principales funciones es declarar los “channels” y poder ejecutar los

subprocesos necesarios en paralelo (los diferentes hilos xCore que se necesite

usar).

4.4 CONOCIMIENTOS IMPORTANTES PARA LA

IMPLANTACIÓN DE CÓDIGO

Por la flexibilidad de este microcontrolador, se puede modificar cualquier parte

del software a excepción de la biblioteca XUD. Además de modificar, también se

pueden crear nuevas funciones y cambiar las características del micro. Por esta

razón, conviene mencionar el funcionamiento de varias funciones ya incorporadas

en el micro, y de diferentes variables que usa este microprocesador.

Salida de datos:

Un pequeño ejemplo para comprender como se realiza la salida de datos en

este micro:

# include <xs1.h> out port p = XS1_PORT_1A ; int main ( void ) p <: 1; p <: 0;


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La declaración:

out port p = XS1_PORT_1A;

declara un puerto de salida llamado p, que manda bit a bit la información al puerto

1A.

La declaración:

p<:1

emite el valor 1 para el puerto p, causando en la salida del puerto el

correspondiente cambio de tensión. El puerto mantiene dicho valor hasta la

ejecución de la siguiente orden:

p<:0

En este momento se emite el valor 0 para el puerto p, causando que la salida

del puerto se quede sin tensión. En la Figura 34 se ve el cambio producido.

Figura 34: Salida del puerto XS1_PORT_1ª

Recogida de datos:

Para comprenderlo mejor, se comenzará con un ejemplo, y se explicará:

# include <xs1.h> in port inP = XS1_PORT_4A ; out port outP = XS1_PORT_1A ; int main ( void ) int x; while (1) inP :> x; if (x > 9) outP <: 1; else outP <: 0;


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La declaración del código:

in port inP = XS1_PORT_4A ;

declara un puerto de entrada llamado inP, de 4-bit y está identificado con el

puerto 4A del micro.

El código

inP :> x ;

transfiere las muestras del puerto inP a la variable x. En la Figura 35 se muestra

un ejemplo de la salida del código de este programa:

Figura 35: Ejemplo de salida del XS1_PORT_4ª

Comunicación Channel

La variable chanend proporciona una conexión síncrona, una conexión punto a

punto entre dos hilos de datos, sobre el cual se irán comunicando los datos.

Un sencillo ejemplo, es el siguiente:

# include <platform .h> on stdcore [0] : out port tx = XS1_PORT_1A ; on stdcore [1] : in port keys = XS1_PORT_8B ; void uartTX ( chanend dataIn , port tx) char data ; while (1) dataIn :> data ; transmitByte (tx , data );


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void kbListen ( chanend c, port keys ) char data ; while (1) data = waitForKeyStroke ( keys ); c <: data ; int main ( void ) chan c; par on stdcore [0] : uartTX (c, tx); // Thread X on stdcore [1] : kbListen (c, keys ); // Thread Y

Las declaraciones:

void uartTX (chanend dataIn, port tx)

void kbListen (chanend c, port keys)

declaran uartTX y kbListen a ser funciones que cogen la parte final del channel y

un puerto como sus argumentos.

En la función main, la declaración

chan c ;

declara un channel. Este channel es usado en dos hilos, donde con este programa

crea una relación entre el hilo X en XCore 0, y el hilo Y en el XCore 1.

Void AudioStreamStart (void)

Se llama a esta función cuando se inicia el flujo de audio que va desde el

dispositivo al Host.

Void AudioStreamStop (void)

Se llama a esta función cuando se para el flujo de audio que va desde el

dispositivo al Host.


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Void output (chanend c, unsigned val)

Manda fuera el valor de un unsigned int al extreme de un chanend.

c: extremo del chanend a transmitir el dato de entrada.

val: valor del output.

Unsigned inuit (chanend c)

Recoge un unsigned int del extremo de un chanend.

Si la palabra siguiente en los datos del chanend es una muestra de control, se

aplica una excepción.

c: extremo del chanend a recoger el dato de entrada.

Returns: el valor recibido.

Void outct (chanend c, unsigned char val)

Pone una muestra de control del final de un chanend.

c: extremo del chanend a transmitir el dato de entrada.

val: el valor de la muestra de control output.

Unsigned char inct (chanend c)

Coge una muestra de control al final de un chanend.

Si el siguiente byte en el chanend no es una muestra de control, se aplica una

excepción, sino, regresa el valor de la muestra de control.

c: extremo del chanend a recoger el dato de entrada.

Returns: la señal de control recibida.


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Int testct (chanend c)

Comprueba si el byte siguiente en un extremo del chanend es una muestra de

control.

La muestra no se borrará del chanend y todavía está disponible para el input.

c: el extremo del canal para realizar la prueba “on”.

Returns: 1 si el siguiente byte es una muestra de control,0 cualquier otra

cosa.

Void chkct (chanend c, unsigned char val)

Comprueba una señal de control de un valor dado.

Si el siguiente byte en el chanend es una muestra de control que coincide con

el valor esperado, entonces este es introducido y descartado. De lo contrario, se

produce una excepción.

val: valor esperado de la muestra de control.

Void giveSamplesToDevice (chanend c, const int samples[])

Deja las muestras en el Host, con esta función dentro del hilo DSP se pueden

dejar las muestras de audio, ya tratadas y modificadas en el Host, muestras

provenientes del dispositivo que este introduciendo las muestras al micro.

c: canal para transmitir los datos de salida.

samples[]: vector con las dos muestras de cada canal.

Void getSamplesFromDevice (chanend c, int samples[])

Coge las muestras del dispositivo que está introduciendo la señal de audio en el

microchip.

c: canal a través del cual se cogen las muestras de audio.

samples[]: vector donde se almacenan las dos muestras de audio, una por

cada canal.


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Void giveSamplesToHost (chanend c, const int samples[])

Deja las muestras en el dispositivo de audio, con esta función dentro del hilo

DSP se pueden dejar las muestras de audio, ya tratadas y modificadas en el

dispositivo de audio, lo que sería el reproductor. Las muestras provienen del Host,

o en el caso de este proyecto, del ordenador.

c: canal para transmitir los datos de salida.

samples[]: vector con las dos muestras de cada canal.

Void getSamplesFromHost (chanend c, int samples[])

Coge las muestras del Host que está introduciendo la señal de audio en el

microchip.

c: canal a través del cual se cogen las muestras de audio.

samples[]: vector donde se almacenan las dos muestras de audio, una por

cada canal.

La descripción de las anteriores variables, y funciones es la descripción de las

variables y funciones de más importancia para el proyecto, pero para la

realización del mismo, se han usado otras muchas más funciones del

microcontrolador. Además se ha tenido que programar todo en lenguaje XC, un

lenguaje similar al C, pero con algunas modificaciones.

Para poder completar la comprensión de todas las funciones que utiliza el

micro, y como se programa en XC, se puede encontrar toda la información en los

siguientes archivos obtenidos de la página de Xmos:


- 68 -




Adding-DSP-to-the-USB-Audio-2.0-L1-Reference-Design

USB-Audio-Software-Design-Guide(X6299C)

XC-Programming-Guide(X1009A)

De estos archivos es de donde se ha sacado el resumen de las partes más

importantes de toda la información escrita anteriormente.

Implantación del código en el microcontrolador

- 69 -




Capítulo 5 IMPLANTACIÓN DEL CÓDIGO EN EL

MICROCONTROLADOR

La implantación del código en el microcontrolador supuso la comprensión de

cómo trabajaban los diferentes módulos explicados en el Capítulo 4, y como se

accede a ellos a través de la programación.

Para esta comprensión fue de gran ayuda la lectura de:

Adding-DSP-to-the-USB-Audio-2.0-L1-Reference-Design

Ya que gracias a ese documento, con un pequeño ejemplo, explican cómo se

puede crear el módulo DSP, como se cogen las muestras y en que variables son

guardadas.

5.1 PROBLEMAS CON LOS NÚMEROS DECIMALES

Con los microchips no se puede trabajar directamente con números decimales,

ya que cuando se realizan cálculos matemáticos, estos números pueden llegar a

acarrear muchos problemas, sobre todo, cuando hay que multiplicarlos.

Esto es debido a que cuando se realicen las multiplicaciones en el microchip,

no solo se tiene que multiplicar números enteros, sino que también se multiplican

números fraccionarios, es decir, se multiplicaran todo tipo de números racionales.

Esto causa un problema originalmente, ya que hay que tener cuidado cuando se

multiplican los números fraccionarios, ya que estos necesitan la coma en

diferentes posiciones, dependiendo de cómo sean los multiplicandos.


- 70 -




Para resolver este problema, se plantean dos soluciones:

Coma Flotante:

En inglés “floating point”, este tipo de representación se usa para representar y

multiplicar números reales muy grandes o muy pequeños.

El problema, es que un valor real puede ser inmensamente grande, y la coma

flotante lo que permite es poder representar una cantidad limitada de cifras de este

número. Para resolver esta situación, la coma flotante coge la parte más

representativa de los números, y por esta razón, según en qué aplicaciones se use

este método, dicha cantidad de números limitada es más que suficiente, por lo

tanto, se llega a la conclusión de que las aproximaciones que pueda acarrear este

método son despreciables.

Este método está basado en la forma de representación de los números con

notación científica, donde los números son representados de tal forma que están

formados por un coeficiente (a), una base (b, que para este tipo de representación,

b = 10) y un exponente (e), como se expresa en la Ecuación 9.

Ecuación 9: Representación de números en notación científica

La mejor forma de comprender como se representan los números con coma

flotante, es un ejemplo. En el siguiente ejemplo, se dispone de la representación

de dos números en coma flotante:

Signo Exponente Parte significativa del número

1 100011 011101100 = 0xC6EC

0 011011 111001101 = 0x37CD

Tabla 1: Ejemplo de la estructura de la coma flotante


- 71 -




El signo, como se ve en la Tabla 1, es representado por el bit que está más a la

izquierda. Representado con un 0 si el número es positivo, o con un 1 si el número

es negativo.

El exponente representa cuanto se tiene que trasladar la coma, ya sea hacia la

izquierda, o hacia la derecha. En el ejemplo de la Tabla 1, como el exponente es

de 6 bits, se dispone de una cantidad de movimientos de:

Números

De estos 64 números, corresponderán 31 desplazamientos de dígitos binarios

hacia la izquierda, y 32 desplazamientos hacia la derecha.

De esta forma, se multiplican los números de forma binaria, y al final, se

obtiene un numero con un signo, un exponente y una parte significativa, y de esta

forma, es muy sencillo saber que cifras son dígitos enteros, y cuales decimales, ya

que el número del exponente simboliza cuantas cifras decimales se tiene que

correr la coma, como se ve en la Ecuación 10.

Ecuación 10: Ejemplo multiplicación de un número en coma flotante

Este método suele necesitar una gran capacidad de procesamiento, a causa de

esto, para este proyecto no se puede utilizar esta forma de representación de

números para su multiplicación, ya que el tempo del que se dispone de operación

entre muestras es muy pequeño.


- 72 -




Coma fija:

La representación en coma fija consiste en establecer una cantidad fija de

dígitos para la parte entera, y otra para la parte fraccionaria.

Lo que se consigue con este método, es que un número fraccionario, es el

mismo que ese mismo número fraccionario multiplicado por un número fijo (un

factor de escala) y dividido después por ese mismo número.

Un ejemplo se ve a continuación:

Como se observa en el ejemplo, con esta manera se trunca el número, y nos

quedamos solamente con la parte decimal más importante, por lo tanto, según para

que se quiera emplear este método, se tendrá que utilizar un factor de escala

mayor o menor.

Este es el método que finalmente se optó por implantar en los coeficientes del

filtro FIR obtenidos a través de Matlab, ya que, partiendo de la Ecuación 5, y

usando un factor de escala de 1000 como ejemplo:


- 73 -




Por lo tanto, los coeficientes del filtro FIR obtenidos con Matlab, se

multiplicaron con un factor de escala de , obteniéndose los siguientes valores

para usar como coeficientes en la programación del microchip:

Para una k = 51:

k = 51 Paso Alto

Coef. Matlab Coef.con factor Paso Bajo

Coef. Matlab Coef.con factor

0,00041582 6976 -0,000462836 -7766

0,000304345 5106 -3,39E-04 -5684

0,000176472 2960 -0,000196425 -3296

-1,16E-05 -195 1,29E-05 216

-0,000309418 -5192 0,000344403 5778

-0,000769582 -12912 0,000856597 14371

-0,001444279 -24231 0,00160758 26970

-0,002381903 -39962 0,00265122 44480

-0,003623567 -60794 0,004033276 67667

-0,005199838 -87239 0,005787773 97102

-0,007127892 -119587 0,007933828 133107

-0,009409263 -157862 0,010473149 175710

-0,012028352 -201803 0,013388374 224619

-0,014951805 -250850 0,016642376 279212

-0,018128827 -304152 0,020178618 338541

-0,021492459 -360584 0,023922569 401354

-0,024961761 -418789 0,027784138 466140

-0,028444829 -477226 0,03166103 531183

-0,03184249 -534229 0,035442857 594632

-0,035052499 -588084 0,039015815 654576

-0,037974026 -637099 0,042267674 709133

-0,040512199 -679682 0,045092833 756532

-0,042582455 -714416 0,047397169 795192

-0,044114482 -740119 0,049102419 823801

-0,045055529 -755907 0,050149868 841375

0,955099582 16023911 0,050503126 847301

-0,045055529 -755907 0,050149868 841375

-0,044114482 -740119 0,049102419 823801

-0,042582455 -714416 0,047397169 795192

-0,040512199 -679682 0,045092833 756532

-0,037974026 -637099 0,042267674 709133

-0,035052499 -588084 0,039015815 654576

-0,03184249 -534229 0,035442857 594632


- 74 -




-0,028444829 -477226 0,03166103 531183

-0,024961761 -418789 0,027784138 466140

-0,021492459 -360584 0,023922569 401354

-0,018128827 -304152 0,020178618 338541

-0,014951805 -250850 0,016642376 279212

-0,012028352 -201803 0,013388374 224619

-0,009409263 -157862 0,010473149 175710

-0,007127892 -119587 0,007933828 133107

-0,005199838 -87239 0,005787773 97102

-0,003623567 -60794 0,004033276 67667

-0,002381903 -39962 0,00265122 44480

-0,001444279 -24231 0,00160758 26970

-0,000769582 -12912 8,57E-04 14371

-0,000309418 -5192 0,000344403 5778

-1,16E-05 -195 1,29E-05 216

0,000176472 2960 -0,000196425 -3296

0,000304345 5106 -0,000338757 -5684

0,00041582 6976 -0,000462836 -7766

Tabla 2: Coeficientes para k=51

Para una k = 13:

K = 13 Paso Alto

Coef. Matlab Coef.con factor Paso Bajo

Coef. Matlab Coef.con factor

-0,003212252 -53893 0,010989036 184365

-0,0059121 -99189 0,02022515 339321

-0,013352406 -224017 0,045678256 766353

-0,023826225 -399738 0,081508935 1367493

-0,034559248 -579808 0,118226344 1983508

-0,04254724 -713825 0,145553072 2441975

0,957676681 16067148 0,155638413 2611179

-0,04254724 -713825 0,145553072 2441975

-0,034559248 -579808 0,118226344 1983508

-0,023826225 -399738 0,081508935 1367493

-0,013352406 -224017 0,045678256 766353

-0,0059121 -99189 0,02022515 339321

-0,003212252 -53893 0,010989036 184365

Tabla 3: Coeficientes para k=13


- 75 -




Finalmente, en el proyecto se usaron los coeficientes para k = 13, a causa de

los problemas que se comentaran en la sección 5.2.

5.2 PROBLEMAS CON LIMITACIONES POR LA CANTIDAD DE

OPERACIONES

Uno de los problemas más grandes para este tipo de proyectos, es que todo

proyecto relacionado con el audio necesita de microchips bastante potentes, ya

que como se ve en la Ecuación 8, el tiempo de operaciones entre diversas

muestras es de , por lo que se dispone de un tiempo muy limitado para

poder realizar todo el código.

El microchip USB Audio 2.0 Reference Design es un microchip creado para su

uso en audio, por lo tanto, ya por esta causa es mucho más potente que una gran

cantidad de microchips.

La potencia de este microchip se ve ampliada gracias a la utilización de los

diferentes hilos xCore y los diferentes núcleos en paralelo, comunicados

internamente entre ellos.

Esta limitación es la más importante para este proyecto, ya que, por esta

limitación se debe optimizar el código lo máximo posible, reduciendo la cantidad

de operaciones.

Se necesita optimizar al máximo porque el proyecto consta de cuatro filtros

FIR, cuyo resultado es la suma de gran cantidad de productos. Por lo tanto, a más

sumandos tengan los filtros FIR, más tiempo necesitará el microcontrolador para

dar la muestra filtrada.

Inicialmente, con Matlab se han sacado los coeficientes para un filtro paso bajo

y otro paso alto con una cantidad de 51 sumandos.

Se recuerda la Figura 16 para comprender la utilización de los 4 filtros en la

Figura 36.


- 76 -




Figura 36: Diagrama de bloques del crossfeed

Como se ve en la Figura 36, se tiene que usar 4 filtros FIR para generar el

crossfeed, por lo tanto, se multiplicará por 4 la cantidad de operaciones que tenga

que hacer el micro por cada muestra recibida.

Después de varias pruebas, se llegó a la conclusión de que 51 coeficientes son

muchos coeficientes para este microcontrolador de un solo núcleo, por lo tanto,

para poder estar dentro del tiempo máximo entre muestras, se tuvo que reducir la

cantidad de coeficientes a 13 coeficientes.

Se realizó una comprobación en Matlab, para comprobar teóricamente si el

cambio de 51 a 13 coeficientes era significativo en la idea crossfeed, para saber si

una misma señal experimentaba un cambio grande o no.


- 77 -




Gráficamente las señales obtenidas fueron muy parecidas, por lo que se pasó a

comprobar experimentalmente, si esta naturalización de la música aún continuaba,

o por el contrario, se escuchaba muy diferente.

Después de aplicar varias canciones, se dedujo que el efecto crossfeed aún se

mantenía con 13 coeficientes, pero que se reducía un poco la naturalización de la

señal al reducir tan significativamente los coeficientes, ya que de esa forma, el

filtro FIR dejaba de ser tan exacto.


- 78 -




Conclusiones

- 79 -




Capítulo 6 CONCLUSIONES

El objetivo de este proyecto era mejorar la idea de crossfeed que se tiene hasta

ahora, consiguiendo una naturalización mucho mejor de una señal de audio,

usando medios digitales.

Inicialmente, se buscó información sobre el proyecto, y se implanto en Matlab

el código necesario para poder sacar conclusiones experimentales sobre el

crossfeed.

Se implantaron los diferentes filtros de los diferentes estudios previos para

sacar conclusiones sobre ellos, como se explica en detalle en el subcapítulo 3.5.

Gracias a esta información y a estudios recientes sobre el tema, se llegaron a

las siguientes conclusiones como características del filtro crossfeed:

Frecuencia de corte de los filtros FIR a 700Hz

Retraso entre los canales de audio de 320μs

Diferencia de 5,25 dB entre el filtro paso bajo, y paso alto

Valor de los coeficientes del filtro FIR, obtenidos con Matlab

De esta forma se cumplieron dos de los tres objetivos principales del proyecto,

pero aun no el más importante.

Después de tener estas características del filtro crossfeed, se comenzó a

trabajar con el microchip de XMOS, consiguiendo un primer contacto con la

implantación de un filtro ejemplo gracias a la documentación leída sobre el

microchip.

Una vez que se tuvo un manejo sobre cómo trabaja el microchip de XMOS, se

procedió a la implantación de nuestro código, surgiendo dos problemas

importantes:

Problemas con los números decimales de los coeficientes del filtro FIR,

problema resuelto usando coma fija.

Conclusiones

- 80 -




Problemas con la limitación en la cantidad de operaciones, por el poco

tiempo de operación disponible entre muestras. A causa de esto, se

tuvieron que reducir los coeficientes del filtro FIR a 13.

Una vez resueltos estos dos problemas, se hizo que si tocabas un botón, se

aplicara el filtro crossfeed, y si tocabas otro se desactivara dicho filtro.

De esta manera se completó el objetivo principal del proyecto, y se comprobó

que usando este filtro se mejoraba bastante la naturalización de la música estéreo.

Y gracias a poder aplicar el filtro si se quiere, por los botones, se comprueba

experimentalmente, que aunque solamente se usen 13 coeficientes, estos son

suficientes para sentir el efecto deseado.

Futuros desarrollos

- 81 -




Capítulo 7 FUTUROS DESARROLLOS

En este capítulo se describirán futuros desarrollos que podrían tener como base

este proyecto.

7.1 CROSSFEED EN ORDENADORES

Hoy día casi todo el trabajo se realiza a través de los ordenadores, el implantar

una aplicación que pueda realizar las funciones de crossfeed y pueda ofrecer esta

opción cuando se escuche música no incrementaría mucho el precio del

ordenador, y con la importancia que tiene hoy día la música, sería un añadido

bastante valorado.

Sobre todo para los fanáticos de la música, o gente que tenga que trabajar con

ella.

7.2 CROSSFEED EN MÓVILES

A día de hoy, los móviles se han convertido en los reproductores de música

portátil, gran parte de la población cuando se traslada de casa a algún lado

escucha música a través del móvil.

La implantación de este filtro en una aplicación móvil, para Android, Apple o

alguna de las distintas plataformas para móvil, para poder poner la opción

crossfeed al reproductor de música es muy interesante, ya que el desarrollo de la

importancia de la música en los móviles está en continuo crecimiento.

Futuros desarrollos

- 82 -




Según un estudio de la industria musical en dispositivos móviles [ANGEL13]:

Existen 1,3 billones de descargas digitales vía móviles.

El 56% de las descargas de música a nivel mundial fueron vía dispositivos

móviles.

Las expectativas reflejan un incremento del 41% en los ingresos

musicales móviles para el 2014.

Las aplicaciones musicales son las segundas con mayor crecimiento entre

todos los dispositivos, teniendo en cuenta que en 2012 se descargaron 73

billones de aplicaciones.

Por lo tanto, esta importancia, incrementa las posibilidades para este posible

futuro proyecto, y lo convierte en muy atractivo, ya que el filtro crossfeed añadiría

una buena ventaja competitiva a los móviles a los que se le incorpore.

7.3 CROSSFEED EN LOS AURICULARES

Los auriculares, a día de hoy, se han convertido en una moda, y por esta causa

es una buena idea explotar todo lo relacionado con ello, para conseguir una

mejora, y así diferentes ventajas competitivas.

Estos aparatos han seguido una evolución en continuo crecimiento desde el

2003 [BEAT12], llegando a nuestros días con auriculares mejorados, incluso que se

comunican inalámbricamente con el reproductor de música.

A causa de esto, implantar un filtro crossfeed en los auriculares, donde puedas

activar o desactivar dicho filtro con un botón tiene bastante atractivo. Se proponen

dos formas para abordar esta idea:

Con un aparato externo, que se pueda comunicar entre el dispositivo de

música y el reproductor. Este aparato estaría formado por el microchip con

el filtro crossfeed y un convertidor D/A que mejore la conversión de la

música.

Futuros desarrollos

- 83 -




En uno de los dos auriculares, ya que de esta manera, nos da igual el

aparato reproductor de música, siempre podremos optar a tener una música

más natural, con un sonido envolvente gracias al filtro incorporado en los

auriculares.

7.4 MEJORAS

Para los tres posibles futuros desarrollos propuestos con anterioridad, se

propondrían con una mejora frente al filtro creado en este proyecto.

Dicha mejora consiste en realizar el filtro crossfeed con un microchip un poco

más potente, se propone el XS1-L8-128 de XMOS, ya que este micro es igual que

el usado en este proyecto, de 8 hilos xCore, pero de dos núcleos en lugar de uno.

A parte, también se aconsejaría mejorar el convertidor D/A, en las mejoras

propuestas en el 7.1 y 7.2. Para la propuesta 7.3 no haría falta, ya que de ello se

encargaría el auricular.

- 84 -




Bibliografía

- 85 -




BIBLIOGRAFÍA

[1] [EIER__] http://www.meier-audio.homepage.t-online.de/

[2] [TAV__] http://www.tav.net/audio/espacializacion_psicoacustica.pdf

[3] [BEN61] http://www.aes.org/

[4] [LINK71] http://www.linkwitzlab.com/headphone-xfeed.htm

[5] [MOY01] http://headwize.com/projects/cmoy1_prj.htm

[6] [MEIE__] http://headwize.com/projects/meier_prj.htm

[7] [Mikh05] http://bs2b.sourceforge.net/

[8] [XMOS13] http://www.xmos.com/

[9] [ANGEL13] http://blog.muwom.com/infografia-sobre-el-estado-de-la-industria-

musical-movil/

[10] [BEAT12] http://www.ticbeat.com/tecnologias/historia-auriculares-infografia/

http://www.xmos.com/

http://blog.muwom.com/infografia-sobre-el-estado-de-la-industria-musical-movil/

http://blog.muwom.com/infografia-sobre-el-estado-de-la-industria-musical-movil/

http://www.ticbeat.com/tecnologias/historia-auriculares-infografia/

Bibliografía

- 86 -




Bibliografía

- 87 -




Parte II ESTUDIO

ECONÓMICO

Bibliografía

- 88 -




Estudio económico

- 89 -




Capítulo 1 ESTUDIO ECONÓMICO

En esta parte, se realizarán diferentes justificaciones para la realización del

proyecto Amplificador de auriculares con interfaz USB y “crossfeed” digital.

Viabilidad del proyecto

En el mundo de la reproducción de audio, la perfección para conseguir un

sonido mucho más puro está cobrando mucha importancia, lo que esto conlleva

conseguir un sonido más natural y envolvente.

Esta razón hace bastante viable el proyecto, sobre todo en aparatos móviles,

donde está evolucionando muy positivamente todo lo relacionado con la música,

utilizándose tanto para trabajar, o estudiar.

Este proyecto cogería su fuerza en este punto, ya que se podría implantar

fácilmente en diferentes aparatos para mejorar las prestaciones de estos a un coste

bajo, ofreciendo una mejora de las características de los aparatos bastante elevada.

Rentabilidad del proyecto

El proyecto es muy rentable, ya que después de la ejecución de este proyecto,

solamente habría que realizar algunas mejoras, si se quiere tener mucha más

calidad, pero incluso tal cual está ahora ya se podría realizar un estudio para

implantarlo en algún aparato de música.

La rentabilidad de este proyecto se basa en la cantidad de unidades que se

vendan, ya que lo bueno de este filtro, es que se puedan incrementar en los

aparatos de música, ya sean reproductores, o altavoces, y no incremente mucho su

precio en comparación con el precio original.

Estudio económico

- 90 -




Interés económico del proyecto

Como se ha explicado en el Capítulo 7, con el futuro desarrollo propuesto en el

punto 7.2, el interés económico a día de hoy es bastante elevado, ya que la

evolución de la importancia de la música está cogiendo mucha fuerza.

Además que vendría bien aprovechar la moda que hay ahora por la

reproducción de música de calidad, ya que ahora, es uno de los mejores momentos

para lanzar este producto.

Lo bueno de este proyecto, es que no se habla mucho de la idea crossfeed, por

lo que ayudada por la moda de la reproducción de música de calidad, podría coger

mucha fuerza en muy poco tiempo, y crear una necesidad de naturalización de la

música en la sociedad con bastante velocidad.

Estudio económico

- 91 -




Parte III MANUAL DE

USUARIO

Estudio económico

- 92 -




Manual de usuario

- 93 -




Capítulo 1 MANUAL DE USUARIO

La utilización de este michochip es muy sencilla, solamente se necesita de:

Un aparato reproductor de música con acceso USB.

Auriculares

El microchip ya está programado, y con todas las modificaciones necesarias

para su uso directo. Solamente se tienen que seguir unos sencillos pasos para

poder escuchar la música a través del microchip, y poder aplicar el filtro crossfeed

si queremos.

Se conectará la tarjeta del micro al aparato reproductor a través del puerto

USB

Se dará alimentación a la tarjeta

Se debe establecer en el aparato reproductor (normalmente un ordenador)

que la salida de audio la reproduzca a través de nuestro microchip.

Se conectan los auriculares en la salida de audio de la tarjeta del

microchip.

Se comienza con la reproducción de música.

Si durante la reproducción de música se presiona el pulsador A, se

escuchará la música en forma estéreo.

Si durante la reproducción de música se presiona el pulsador B, se

escuchará la música aplicándole el filtro crossfeed.

Manual de usuario

- 94 -




Manual de usuario

- 95 -




Parte IV CÓDIGO FUENTE

Manual de usuario

- 96 -




Código fuente

- 97 -




Capítulo 1 CÓDIGO FUENTE

A continuación se detallará el código fuente utilizado para este proyecto, con

sus diferentes funciones.

1.1 MAIN

#include <syscall.h>

#include <platform.h>

#include <xs1.h>

#include <xclib.h>

#include <print.h>

#include "xud.h" /* XMOS USB Device Layer defines

and functions */

#include "usb.h" /* Defines from the USB 2.0

Specification */

#include "devicedefines.h" /* Device specific defines */

#include "endpoint0.h"

#include "usb_buffer.h"

#include "port32A.h"

#include "usb_midi.h"

#include "dsp.h"

void audio(chanend c_mix_out, chanend?, chanend?) ;

/* Audio I/O */

on stdcore[0] : buffered out port:32 p_i2s_dac[1] = XS1_PORT_1D;

on stdcore[0] : buffered in port:32 p_i2s_adc[1] = XS1_PORT_1I;

on stdcore[0] : buffered out port:32 p_lrclk = XS1_PORT_1C;

on stdcore[0] : buffered out port:32 p_bclk = XS1_PORT_1A;

on stdcore[0] : port p_mclk = XS1_PORT_1M;

on stdcore[0] : buffered out port:32 p_spdif_tx = XS1_PORT_1L;

on stdcore[0] :in port p_for_mclk_count = XS1_PORT_1E;

/* USB Reset port */

on stdcore[0] : out port p_usb_rst = XS1_PORT_32A;

on stdcore[0] : in port p_button_a = XS1_PORT_1J;

on stdcore[0] : in port p_button_b = XS1_PORT_1K;

Código fuente

- 98 -




/* Clock blocks */

on stdcore[0] : clock clk_midi = XS1_CLKBLK_1;

on stdcore[0] : clock clk_audio_mclk = XS1_CLKBLK_2;

/* Master clock */

on stdcore[0] : clock clk_audio_bclk = XS1_CLKBLK_3;

/* Bit clock */

on stdcore[0] : clock clk = XS1_CLKBLK_4;

/* USB clock */

on stdcore[0] : clock clk_mst_spd = XS1_CLKBLK_5;

void decouple(chanend, chanend?, chanend?);

void mixer(chanend, chanend, chanend );

void spdif_transmitter(buffered out port:32 p, chanend c_in);

/* Endpoint type tables for XUD */

XUD_EpType epTypeTableOut[NUM_EP_OUT] = XUD_EPTYPE_CTL |

XUD_STATUS_ENABLE,

XUD_EPTYPE_ISO,

XUD_EPTYPE_BUL,

XUD_EPTYPE_DIS;

XUD_EpType epTypeTableIn[NUM_EP_IN] = XUD_EPTYPE_CTL |

XUD_STATUS_ENABLE,

XUD_EPTYPE_ISO,

XUD_EPTYPE_ISO,

XUD_EPTYPE_BUL,

XUD_EPTYPE_BUL;

#define FAST_MODE 0

void thread_speed()

#if (FAST_MODE)

set_thread_fast_mode_on();

#else

set_thread_fast_mode_off();

#endif

int main()

chan c_sof;

chan c_xud_out[NUM_EP_OUT]; /* Endpoint channels

for XUD */

chan c_xud_in[NUM_EP_IN];

chan c_aud_ctl;

chan c_aud_out;

chan c_mix_out;

#ifdef MIDI

chan c_midi;

#endif

set_port_clock(p_for_mclk_count, clk_audio_mclk);

par

Código fuente

- 99 -




/* USB Interface */

#if (AUDIO_CLASS==2)

XUD_Manager(c_xud_out, NUM_EP_OUT, c_xud_in, NUM_EP_IN,

c_sof, epTypeTableOut, epTypeTableIn, p_usb_rst,

clk, 1, XUD_SPEED_HS, null);

#else

XUD_Manager(c_xud_out, NUM_EP_OUT, c_xud_in, NUM_EP_IN,

c_sof, epTypeTableOut, epTypeTableIn, p_usb_rst,

clk, 1, XUD_SPEED_FS, null);

#endif

/* Endpoint 0 */

thread_speed();

Endpoint0( c_xud_out[0], c_xud_in[0], c_aud_ctl, null,

null);

/* Buffer / EP Man */

thread_speed();

buffer(c_xud_out[1], c_xud_in[2], c_xud_in[1],

c_xud_out[2], c_xud_in[3], c_xud_in[4],

c_sof, c_aud_ctl, p_for_mclk_count);

thread_speed();

decouple(c_mix_out,

#ifdef MIDI

c_midi,

#else

null,

#endif

null);

set_thread_fast_mode_on();

dsp(c_mix_out, c_aud_out, p_button_a, p_button_b);

thread_speed();

/* Audio I/O (pars additional S/PDIF TX thread) */

audio(c_aud_out, null, null);

#ifdef MIDI

thread_speed();

usb_midi(p_midi_rx, p_midi_tx, clk_midi, c_midi, 0);

#endif

Código fuente

- 100 -




return 0;

1.2 VOID DSP ( )

En este modulo, como ya se ha explicado, es donde se realizará todo el código

para el filtro crossfeed. Las variables p_button_a y p_button_b, son las variables

de dos botones externos, para aplicar o no el filtro crossfeed.

El “.h” de esta función será el que se muestra a continuación.

void dsp ( chanend c_aud_in, chanend c_aud_out, in port

p_button_a, in port p_button_b);

El código será el siguiente:

// Hilo DSP.

#include <xs1.h>

#include "devicedefines.h"

#include <print.h>

#include "fir.h"

#pragma unsafe arrays

void giveSamplesToHost(chanend c, const int samples[])

#pragma loop unroll

for (int i=0;i<NUM_USB_CHAN_IN;i++)

int sample;

sample = samples[i + NUM_USB_CHAN_OUT];

outuint(c,sample);

int statei[13];

int stated[13];

extern int coeff[];

extern int coeffa[];

int filtro[2]; //0=PB,1=PA

int filtro1[2];

int stateia[13];

Código fuente

- 101 -




int stateda[13];

int stati;

int statd;

int salidad;

int salidai;

int a=13326616; // -2dB=0.7943; 0.7943*2^24=13326616

int b=7281483; // -2+5.25 = -7.25dB


static void getSamplesFromHost(chanend c, int samples[], int n)

if(n)

for (int i=0;i<NUM_USB_CHAN_OUT;i++)

samples[i] = inuint(c);

else

#pragma loop unroll


/* Coge las muestras desde decouple */

samples[i] = inuint(c);

if(i)

//1=derecho

filtro[0]= b*fir(samples[i], coeff, stated, 13);

filtro[1]= a*fir(samples[i], coeffa, stateda,

13);

filtro[0]= (filtro[0]) >> 24;

statd=filtro[0]

filtro[1]= (filtro[1]) >> 24;

salidad = (samples[i]+filtro[1])+stati;

salidai = (samples[0]+filtro1[1])+statd;

samples[i] = salidad;

samples[0] = salidai;

else

//0=izquierdo

filtro1[0]= b*fir(samples[i], coeff, statei,

13);

filtro1[1]= a*fir(samples[i], coeffa, stateia,

13);

filtro1[0]= (filtro1[0]) >> 24;

stati=filtro1[0];

filtro1[1]= (filtro1[1]) >> 24;


void giveSamplesToDevice(chanend c, const int samples[])

#pragma loop unroll


int sample;

sample = samples[i];

Código fuente

- 102 -




outuint(c, sample);


void getSamplesFromDevice(chanend c, int samples[])

#pragma loop unroll

for (int i=0;i<NUM_USB_CHAN_IN;i++)

int sample;

sample = inuint(c);

samples[NUM_USB_CHAN_OUT+i] = sample;

void dsp ( chanend c_aud_in, chanend c_aud_out, in port

p_button_a, in port p_button_b)

unsigned button_a_val = 1, normal = 1;

unsigned button_b_val = 1;

int cross;

int samples[NUM_USB_CHAN_OUT + NUM_USB_CHAN_IN + MAX_MIX_COUNT

+ 1];

for (int i=0;i<NUM_USB_CHAN_OUT + NUM_USB_CHAN_IN +

MAX_MIX_COUNT;i++)

samples[i] = 0;

while (1)

inuint(c_aud_out);

/* Request data from decouple thread */

outuint(c_aud_in, 0);

if (testct(c_aud_in))

int sampFreq;

// sample frequency change.

inct(c_aud_in);

sampFreq = inuint(c_aud_in);

// Send SF change to audio thread.

outct(c_aud_out, XS1_CT_END);

outuint(c_aud_out, sampFreq);

// wait for handshake and send back

chkct(c_aud_out, XS1_CT_END);

outct(c_aud_in, XS1_CT_END);

else

inuint(c_aud_in);

outuint(c_aud_out, 0);

giveSamplesToDevice(c_aud_out, samples);

getSamplesFromDevice(c_aud_out, samples);

Código fuente

- 103 -




giveSamplesToHost(c_aud_in, samples);

getSamplesFromHost(c_aud_in, samples, cross);

p_button_a :> button_a_val;

p_button_b :> button_b_val;

if(button_a_val == 0)

cross=1;

else

if(button_b_val == 0)

cross=0;

1.3 INT FIR ( )

#include <print.h>

#include <xs1.h>

#include "fir.h"


int fir(int xn, int coeffs[], int state[], int ELEMENTS)

unsigned int ynl;

int ynh;

ynl = (1<<23); // 0.5, for rounding, could be

triangular noise

ynh = 0;

for(int j=ELEMENTS-1; j!=0; j--)

state[j] = state[j-1];

ynh, ynl = macs(coeffs[j], state[j], ynh, ynl);

state[0] = xn;

ynh, ynl = macs(coeffs[0], xn, ynh, ynl);

if (sext(ynh,24) == ynh)

ynh = (ynh << 8) | (((unsigned) ynl) >> 24);

else if (ynh < 0)

ynh = 0x80000000;

else

ynh = 0x7fffffff;

return ynh;

Código fuente

- 104 -




1.4 COEFFS.XC

int coeff[13] = 184365, 339321, 766353, 1367493, 1983508,

2441975, 2611179, 2441975, 1983508, 1367493, 766353, 339321,

184365;

int coeffa[13] = -53892, -99188, -224016, -399737, -579807, -

713824, 16067148, -713824, -579807, -399737, -224016, -99188, -

53892;

Código fuente

- 105 -




Parte V ANEXO

Código fuente

- 106 -




Anexo

- 107 -




Capítulo 1 ANEXO

En esta sección se añadirá el hardware del microcontrolador XS1-L1,

documentación recogida directamente de la página de XMOS. El anexo es

importante para comprender más a fondo el microcontrolador.

USB Audio 2.0 Reference Design, XS1-L1 Edition Hardware Manual (1.0) 2/18

1 Introduction

The USB Audio 2.0 Reference Design, XS1-L1 Edition (hereafter "the board") is ahardware reference design for a USB audio interface using the XMOS XS1-L1 event-driven processor. It contains a single XS1-L1 device enabling implementation of acomplete USB 2.0 high-speed device compliant with release 2.0 of the audio USBdevice class.

A block diagram of the design is shown below:

XMOSXS1-L1-128

XSYSDebug

24 bit 192kHzStereo Audio

CODEC

CS4270

USBTranscieverUSB3318

13MHzOscillator

1MbitFLASH

USBSeries B

Receptacle

3.3V LDO

1.8V LDO

1.0V DC-DC

4.3V LDO

UserLEDs

Push-ButtonSwitches Audio Master

Clock Oscillator

Produces24.576MHz

or11.2896MHz

PassiveLPF

PassiveLPF

3.5mmStereo

TRS Jack

3.5mmStereo

TRS Jack

OpticalDigital AudioTransmitter

USBHigh Speed

480Mb/s ULPI

+5V VBus

CODEC Analogue

Supply

L1 CoreSupply

+3V3D

I2S

Analog Out1Vrms at Full Scale

Analog In2Vrms for Full Scale

SPIJTAG

Resync

MCLK

S/PDIF

The XS1-L1 event-driven processor communicates with the USB host via a ULPI USBtransceiver at the 480Mb/s high-speed rate. The XS1-L1 controls the streaming ofaudio data over the USB connection and direct I2S interface to the audio CODEC. Multi-ple additional functions (e.g. Mixers/DSP etc.) can be implemented by modificationsto the standard software.

Some key features of the board are listed below:

• USB bus-powered. No external power supply required

• Streams bit perfect audio data up to 24-bit @ 192kHz

• Supports standard sample rates - 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz, 96kHz, 192kHz

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• USB endpoints use the asynchronous synchronisation mode to allow an externallow jitter audio master clock to be used

• Optical digital audio output (S/PDIF)

• Stereo line level audio input and output

• XMOS XSYS debug header for easy programming/debug from the host using theXMOS XTAG2 debug adapter

• Two push-button switches and two LEDs for programmable use

The diagram below shows the layout of the main components on the board:

H

B

M

N

B

J

L

I

I

K C

F

E

E

DH

G

A

A XS1-L1 Device H Push-Button Switch

B USB Connector/Transceiver I Green User LED

C Audio CODEC J USB Power LED

D Optical digital output K Audio Clocking

E 3.5mm Stereo Jack L 1V0 Core Supply

F SPI FLASH M 4V3 Analogue Supply

G XSYS Debug Interface N 13MHz Oscillator

The rest of this document provides a detailed description of each of the main circuitcomponents.

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2 XS1-L1 Device [A]

The board is based on a single XS1-L1 device in a 128 pin TQFP package.

The XS1-L1 consists of a single XCore, which comprises an event-driven multi-threaded processor with tightly integrated general purpose I/O pins and 64 KBytesof on-chip RAM and 8 KBytes of OTP (One Time Programmable) memory.

The processor has time-aware ports that are directly connected to the I/O pins.Examples of how to write software that interfaces over these ports is provided inProgramming XC on XMOS Devices.

2.1 Clocking

A discrete 13MHz oscillator is used to feed the XS1-L1 reference clock input andalso the USB3318 USB transceiver. The L1 has the MODE1 and MODE0 pins wiredto ground which sets the internal XS1-L1 PLL multiplication factor to 30.75. Thisresults in a core clock frequency of 399.75MHz and an I/O reference clock frequencyof 99.9375MHz.

2.2 Reset

A supply voltage supervisor connected to the 1V0 core supply is used to provide areset to the L1. This ensures the device will be reset at power on and also providespredictable behaviour under brownout conditions. The device can also be reset overthe XSYS debug interface.

2.3 Boot

The boot mode of the device is set by the MODE3 and MODE2 pins which areconnected together on the board. With MODE3 and MODE2 both high (default), thedevice will boot from the 1Mb SPI FLASH on the board. With MODE3 and MODE2 bothlow, the device will not boot from SPI FLASH allowing boot instead via JTAG over theXSYS debug link.

Without anything connected to the XSYS interface, the board will boot from SPI FLASH.With the XTAG2 connected to the XSYS interface, the host can control the boot modeof the device by way of the TRST_N line.

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3 USB Connector and Transceiver [B]

The board uses a standard USB series B receptacle as its USB connector. Thehigh-speed USB signals are connected to an SMSC® USB3318 USB transceiver whichprovides a ULPI connection to the XS1-L1.

On power-up, a pulldown resistor holds the transceiver in reset until the XS1-L1 isready to begin accepting USB traffic. The USB transceiver reset pin is connected tobit zero of port 32A so this can be controlled by software.

The transceiver uses the 13MHz clock provided by a discrete oscillator on the boardwhich doubles as the reference clock for the XS1-L1.

The I/O pins for the USB transceiver are mapped to ports on the XS1-L processor asdescribed in the port map shown later in this document.

4 Audio CODEC [C]

The board uses a 24 bit, 192kHz stereo audio CODEC (Cirrus Logic® CS4270).

The CODEC is configured to operate in stand-alone mode meaning that no serialconfiguration interface is required. The digital audio interface is set to I2S mode withall clocks being inputs (slave mode).

The CODEC has three internal modes depending on the sampling rate used. Thesechange the oversampling ratio used internally in the CODEC. The three modes areshown below:

CODEC mode CODEC sample rate range

Single speed 4-54kHz

Double speed 50-108kHz

Quad speed 100-216kHz

In stand-alone mode, the CODEC automatically determines which mode to operate inbased on the input clock rates.

The internal master clock dividers are set using the MDIV pins. MDIV1 is tied lowand MDIV2 is controlled by the L1 on bit 2 of port 32A.

With MDIV2 low, the master clock must be 256Fs in single speed mode, 128Fs indouble speed mode and 64Fs in quad speed mode. This allows an 11.2896MHzmaster clock to be used for sample rates of 44.1, 88.2 and 176.4kHz.

With MDIV2 high, the master clock must be 512Fs in single speed mode, 256Fsin double speed mode and 128Fs in quad speed mode. This allows a 24.576MHzmaster clock to be used for sample rates of 48, 96 and 192kHz.

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These master clock frequencies were chosen due to the easy availability of crystalsat these frequencies.

The reset pin on the CODEC is mapped to bit 1 of port 32A on the processor.

4.1 Audio IO

Two 3.5mm Tip Ring Sleeve (TRS) audio jacks are provided for stereo audio inputand output. The layout of the audio jacks is displayed below:

OUT

IN

A simple passive ac-coupling and low pass filter circuit is used on input and output.The circuit is configured so that the audio output will produce approximately 1VRMS(0dBV) for a digital full scale signal. Due to the output coupling capacitors, theoutput impedance falls with frequency and is approximately 1kΩ @ 35Hz falling to576Ω @ 1kHz.

The input circuit contains an attenuator such that a 2VRMS (+6dBV) signal will producea full scale digital output. The input impedance is approximately 8kΩ.

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5 Optical digital output [D]

An optical digital audio transmitter is used to provide a digital audio output inIEC60958 consumer mode (S/PDIF) format. The S/PDIF signal is generated from a1-bit port on the processor as defined in the port map. The data stream from the L1is reclocked using the external master clock to synchronise the data into the audioclock domain. This is achieved using a simple external D-type flip-flop.

6 SPI Flash Memory [F]

The board contains a 1Mbit FLASH memory device which is connected via a standardSerial Peripheral Interface (SPI).

The FLASH is connected to four 1-bit ports as shown in the port map. These are thestandard ports the processor will try to boot from in boot from SPI mode.

Three of these ports are shared with I2S digital audio signals therefore the FLASHcannot be accessed at the same time as digital audio is playing. When accessing theSPI FLASH, the CODEC is held in reset and it ignores the three inputs shared with SPIsignals. When digital audio is playing, the FLASH is deselected by holding its chipselect (slave select) line inactive. In this mode, the FLASH will ignore other inputsignals and set its output high impedance therefore it does not affect the sharedsignals. The slave select signal is only active when booting the device therefore andis held inactive while audio is playing.

The XMOS development tools include the XFLASH utility for programming compiledprograms into the flash memory. Software may also access the FLASH memory atrun-time by interfacing with the above ports. Note that, as mentioned, this can nothappen simultaneously with audio IO.

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7 XSYS Interface [G]

A standard XMOS XSYS interface is provided to allow host debug of the board viaJTAG.

An XTAG2 USB debug adapter can be plugged into this port to allow running/debug-ging code, programming the FLASH memory and selection of boot mode. A 20-wayIDC header is used as the physical connector and the pinout of this is shown below:

Signal Pin Description

TRST_N 3 JTAG Test Reset. Active low.

TMS 7 JTAG Test Mode Select.

TCK 9 JTAG Test Clock.

TD1 5 JTAG Test Data. From debug adapter to XS1-L1.

TD2 13 JTAG Test Data. From XS1-L1 to debug adapter.

SRST_N 15 System Reset. Active low. Resets XS1-L1 device.

DEBUG 11 XS1-L1 DEBUG Interrupt line.

GND 4, 8, 12, 16, 20 Ground.

NC 1, 2, 6, 10, 14, 17, 18, 19 These pins are not connected.

On power on, the XS1-L1 boots from the on-board flash memory. With the XTAG2connected, the XS1-L1 can be reset and then booted from a program on the host PC.

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8 Push-Button Switches [H]

The board provides two push-button switches whose states can be sampled at anytime by software. The layout of these switches is shown below:

A

B

The switches are connected to two 1-bit ports, the mapping of which can be seen inthe port map.

The port will go logic low when the button is pressed.

9 User LEDs [I]

The board provides two user LEDs that can be driven by software. The layout ofthese LEDs is shown below:

B

A

The LEDs are connected to two bits of port 32A as shown in the port map. Settingthe relevant bit high will turn the LED on.

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10 Power

The board is a high-power bus-powered USB device. This means all the power usedby the board is derived from the nominally +5V VBus supply from the USB connectorand that the device will use more than 100mA from the VBus line when configured.The board will use approximately 150mA when fully configured and operating.

Simple Low drop out (LDO) linear regulators are used to generate the global 3.3Vsupply and the 1.8V supply required by the USB3318 USB transceiver.

A low noise LDO regulator is used to generate the analogue supply for the AudioCODEC. The CODEC offers higher audio performance at higher supply voltages so thevoltage for this supply is set at 4.3V. This allows some headroom between the 4.5Vminimum VBus voltage and the approx 100mV dropout of the LDO + RC pre-filter.

A low cost buck switching regulator is used to generate the 1.0V core supply forthe XS1-L1. A ferrite bead is used on the +5V VBus input to prevent switching noisepropagating down the USB cable.

When the board is correctly connected to a USB source the USB Power LED is illumi-nated.

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11 Audio Clocking [K]

The audio USB endpoints are configured in asynchronous mode. This means that theboard acts as the audio clock master and the host as the slave. This has the benefitthat a simple crystal oscillator can be used to generate the audio master clock whichtypically results in lower jitter and consequently higher quality audio.

Two crystal oscillators are used on the board to support the two standard sample ratebase frequencies (44.1 and 48kHz). The crystal oscillators are built using discretecomponents for low cost and easy availability however standard canned oscillatorscould also be used. The oscillator design is a simple Pierce oscillator using anunbuffered inverter as the amplifying component. The MCLK_SEL signal selects whichof the two oscillators is enabled, only one is enabled at any one time to avoid anyinterference from the unused clock.

The behaviour of this select signal is shown below:

MCLK_SEL Audio master clock frequency

0 11.2896MHz

1 24.576MHz

The audio master clock is connected to a 1-bit port of the XS1-L1 so that all of the I2Soutputs are synchronised with it. This also allows the S/PDIF output to be generatedfrom a buffered 1-bit port clocked by the audio master clock input.

The MCLK_SEL signal is mapped to bit 2 of port 32A on the processor as shown inthe port map.

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12 Test Points

The board provides 18 through-hole test points as defined in the table below:

Test Point Port Signal

1 P1I0 CODEC_ADC_DATA

2 P1D0 SPI_MOSI / CODEC_DAC_DATA

3 P1A0 SPI_MISO / CODEC_SCLK

4 P1C0 SPI_CLK / CODEC_LRCK

5 NA CODEC_MCLK

6 P32A2 MCLK_SEL

7 P32A1 CODEC_RST_N

8 NA GND

9 P1L0 SPDIF_TX

10 NA SPDIF_OUT

11 P32A6 XD55

12 P32A7 XD56

13 P32A8 XD57

14 P32A9 XD58

15 P32A10 XD61

16 NA 3V3

17 NA 5V

18 NA 4V3A

13 Printed Circuit Board

The PCB is a two layer design in a credit card form factor with dimensions of 86 x54mm. The mounting holes are 3.2mm in diameter.

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14 Port Map

The table below provides a full description of the port to signal mappings used onthe board.

Pin Port Processor

1b 4b 8b 32b

XD0 P1A0 SPI_MISO / CODEC_SCLK

XD1 P1B0 SPI_SS

XD10 P1C0 SPI_CLK / CODEC_LRCK

XD11 P1D0 SPI_MOSI / CODEC_DAC_DATA

XD12 P1E0 ULPI_STP

XD13 P1F0 ULPI_NXT

XD14 P4C0 P8B0

ULPI_DATA[0:7]

XD15 P4C1 P8B1

XD16 P4D0 P8B2

XD17 P4D1 P8B3

XD18 P4D2 P8B4

XD19 P4D3 P8B5

XD20 P4C2 P8B6

XD21 P4C3 P8B7

XD22 P1G0 ULPI_DIR

XD23 P1H0 ULPI_CLK

XD24 P1I0 CODEC_ADC_DATA

XD25 P1J0 SWITCH_A

XD34 P1K0 SWITCH_B

XD35 P1L0 SPDIF_TX

XD36 P1M0 MCLK_IN

XD49 P32A0 USB_PHY_RST_N

XD50 P32A1 CODEC_RST_N

XD51 P32A2 MCLK_SEL

XD52 P32A3 LED_A

XD53 P32A4 LED_B

XD55 P32A6 TESTPOINT





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15 Schematics

A

XC-6 USB AUDIO

SEPT 14 2009

TOP_LEVEL

11

A3

SHEET NAME

PROJECT NAME

REV

DATE

SIZE

OF

SHEET

Copyright (c) 2009 XMOS Ltd.

PTH_M3

MTH1

MTH2

PTH_M3

PTH_M3

MTH3

MTH4

PTH_M3

FM1

FM2

FM3

L1_128_USB

X0D55

X0D54

X0D53

X0D52

X0D51

X0D50

X0D36

X0D35

X0D25

X0D34

X0D24

X0D11

X0D10

X0D0

CLK

X0D63

X0D62

X0D61

X0D58

X0D57

X0D56

X0D66

X0D65

X0D64

1 BIT

PORTS

32 BIT

PORT TOTX147PL

J2

32 1GND

VCC

IN

KSC421J

SWA

1B

2B

2A

1A

10K

R3+3V3

R4

10K

+3V3

KSC421J

SWB

1B

2B

2A

1A

TP1

TP2

TP3

TP4

CLOCK_GEN

CLK_13M

MCLK_SEL

MCLK

MCLK_BUF1

MCLK_BUF2

CODEC

SDOUT

MDIV2

RST_N

SDIN

SCLK

LRCK

MCLK

NC7SZ175

U1

2456 13D CP

C_N

VCC Q

GND

DQ

C

+3V3

+3V3

+3V3

C1

100N

TP5

TP6

LEDB

GREEN

+3V3

R1

1K

100N

C2

+3V3

33R

R5

TP7

TP8

TP9

TP10

TP11

1K

R2

GREEN

LEDA

TP12

TP13

TP14

TP15

TP16

+3V3

TP17

+5V

+4V3A

TP18

SWITCHB

SWITCHB

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

SWITCHA

SWITCHA

SPDIF_OUT

SPDIF_MCLK

SPDIF_MCLK

DAC_DATA

DAC_DATA

CLK_13M

SCLK

SCLK

LRCK

LRCK

CODEC_RST_N

CODEC_RST_N

SPDIF_TX

SPDIF_TX

ADC_DATA

ADC_DATA

MCLK_SEL

MCLK_SEL

MCLK_SEL

MCLK_SEL

CODEC_MCLK

CODEC_MCLK

CODEC_MCLK

XCORE_MCLK

XCORE_MCLK

LEDA

LEDA

LEDB

LEDB

X0D66

X0D65

X0D64

X0D63

X0D62

X0D61

X0D58

X0D57

NC

X0D55

X0D56

www.xmos.com


A

XC-6 USB AUDIO

SEPT 14 2009

11

L1_128_USB

SHEET NAME

PROJECT NAME

REV

DATE

SIZE

OF

SHEET

A2


XS1_L1_128TQFP

U3

18

56

58

6362

61

21

55535251

42

25CLK

DEBUG

MODE0

MODE1

MODE2

MODE3

RST_N

TCK

TDI

TDO

TMS

TRST_N

RESERVED

CONFIG

+1V0

C7

1N

NCP303LSN09

U8

4

2 3

1

5CD

RST_OUT

GND

INPUT

NC

47K

R8

X0D50

X0D51

X0D52

X0D53

GREEND3

X0D54

X0D55

1K

R11

100N

C9

C10

100N

C11

100N

100N

C12

C13

100N

C14

100N

100N

C15

C16

100N

C17

100N

100N

C18

100N

C19

+3V3

+1V0

C20

100N

XS1_L1_128TQFP

U3

24

46

45

2219

2023

108

101

123

120

93797364

103

111

116

9992918880787166656057544341403917

129

3226151

4450

77746859492912

83

48

47

PLL_AGND

PLL_AVDD

VDD_83

VDD_12

VDD_29

VDD_49

VDD_59

VDD_68

VDD_74

VDD_77

VDDIO_50

VDDIO_44

VDDIO_1

VDDIO_15

VDDIO_26

VDDIO_32

GND_PAD

GND_17

GND_39

GND_40

GND_41

GND_43

GND_54

GND_57

GND_60

GND_65

GND_66

GND_71

GND_78

GND_80

GND_88

GND_91

GND_92

GND_99

GND_116

VDDIO_111

VDDIO_103

VDDIO_64

VDDIO_73

VDDIO_79

VDDIO_93

VDDIO_120

VDD_123

VDD_101

VDD_108

PCU_GATE

PCU_WAKE

PCU_VDD

PCU_VDDIO

OTP_VDDIO

OTP_VPP

PCU_CLK

POWER

4R7

R18+1V0 1U

C3

+3V3

+1V0

+3V3

+1V0

+3V3

XS1_L1_128TQFP

U3

67

112

114

117

119

121

122

124

125

127

33835333113119864959798100

75768182

697072102

104

105

109

8485868789949096106

107

110

113

115

118

126

128

257101416272830343637

X0D0

X0D1

X0D2

X0D3

X0D4

X0D5

X0D6

X0D7

X0D8

X0D9

X0D10

X0D11

X0D12

X0D13

X0D14

X0D15

X0D16

X0D17

X0D18

X0D19

X0D20

X0D21

X0D22

X0D23

X0D24

X0D25

X0D26

X0D27

X0D28

X0D29

X0D30

X0D31

X0D32

X0D33

X0D34

X0D36

X0D37

X0D38

X0D39

X0D40

X0D41

X0D42

X0D43

X0D49

X0D50

X0D51

X0D52

X0D53

X0D54

X0D55

X0D56

X0D57

X0D58

X0D61

X0D62

X0D63

X0D64

X0D65

X0D66

X0D67

X0D68

X0D69

X0D70

X0D35

IO

HEADER_RA

J4

2018

19

171

161412

11

13

153 5 7 9

2 4 6 8 10

+3V3

+5V

CLK

X0D0

X0D10

X0D11

X0D24

X0D34

1MBIT

AT25FS010

U4

162

5

48

3 7HOLD_N

WP_N

VCC

GND

SI

SO

SCK

CS_N

+3V3

+3V3

R12

10K

+3V3

+3V3 100N

C21

+5V

R9

47K

+3V3

X0D66

X0D65

X0D64

X0D63

X0D62

X0D61

X0D58

X0D57

X0D56

4U7

C4+5V

2U2

C26

+3V3

NCP699SN33

U6

451 3

2GND

EN

VIN

VOUT

NC

10K

R13

U7NCP1521B

451 3

2GND

EN

VIN

LX

FB

6K8

R7

330P

C6

L1

2U2

C8

10U

+1V0

100N

C22

X0D25

X0D35

X0D36

100N

C23

+3V3

U2USB3318

19

891011131415

17

21

12

1 7

22

23

16

2018

4 23 5 6

25

24

RBIAS

GND

DPDM

VBAT

VBUS

VDD33

NXT

STP

DATA0

REFCLK

RESETB

CPEN

ID

CLKOUT

VDD18

VDDIO

DATA1

DATA2

DATA3

DATA4

DATA5

DATA6

DATA7

DIR

DNP

R17

10N

C5

8K06

R6

+1V8

+3V3

C24

100N

USB_B

J3

64 521 3DP

VBUSDM

S1

GND

S2

100N

C25

NCP699SN18

U5

451 3

2GND

EN

VIN

VOUT

NC

2U2

C27

10K

R14

+1V8

+5V

1700mA

330R

FB1

+5V

1K

R10

TRST_N

TRST_N

TD2

TD2

TD1

TD1

TMS

TMS

TCK

TCK

NC

PHY_RST_N

PHY_RST_N

NCNC

NCNCNCNCNC

NC

NCNCNCNCNCNCNC

NCNC

NCNC

NC

NC

NCNC

ULPI_DATA0

ULPI_DATA0

ULPI_DIR

ULPI_DIR

NC

NC

ULPI_DATA7

ULPI_DATA7

ULPI_DATA6

ULPI_DATA6

ULPI_DATA5

ULPI_DATA5

ULPI_DATA4

ULPI_DATA4

ULPI_DATA3

ULPI_DATA3

ULPI_DATA2

ULPI_DATA2

ULPI_DATA1

ULPI_DATA1

NC

X0D1

X0D1

NC

NCNC

USB_DM

USB_DP

ULPI_NXT

ULPI_NXT

ULPI_STP

ULPI_STP

ULPI_CLK

ULPI_CLK

X0D0

X0D0

X0D10

X0D10

X0D11

X0D11

NCNC

CLK

CLK

CLK

SRST_N

SRST_N

SRST_N

DEBUG

DEBUG

NCNCNCNC

NC

NC

NC

NC

NCNCNCNC

XSYS2

SPI FLASH

USB_VBUS

USB PHY

ALL MODE PINS HAVE INTERNAL PULLUPS

MODE[3:2] = 11 ==> BOOT FROM SPI

MODE[1:0] = 00 ==> PLL_MULT = 30.75 ==> 13MHZ REFCLK

MODE[3:2] = 00 ==> BOOT FROM JTAG (DON'T BOOT)

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XC-6 USB AUDIO

SEPT 14 2009

CLOCK_GEN

11

AA3

SHEET NAME

PROJECT NAME

REV

DATE

SIZE

OF

SHEET


+3V3

NC7WZU04

U10

34

NC7WZU04

U10

251

6

C30

100N

100N

C31

+3V3

+3V3

MCLK

Q1

BSS138

21

3D

G

SR23

10K

33P

C32

R19

2M2

R28

470R

C33

33P

Q2

BSS138

21

3D

G

SR24

10K

C34

33P

2M2

R20

X2

24M576

HC49US

33P

C35

BSS138

Q3

21

3D

G

S

10K

R25

11M2896

HC49US

X3

1K

R22

+3V3

MCLK_SEL

NC7SZ157

U11

2456 13I0

I1

SVCC Q

GND

0 1

U9

NC7SZU04

352

4

+3V3

13M

ABLS2

X1

2M2

R21

470R

R29

C36

33P

C37

33P

CLK_13M

1700mA

330R

FB2

MECH1

CRYSTAL_INSULATOR

R26

33R

NC7WZ17

U12

1

46 25

3A2

VCC

GND

Y1

Y2

A1

+3V3

33R

R27

MCLK_BUF1

MCLK_BUF2

C29

100N

1U

C28

CRYSTAL_INSULATOR

MECH2

24M576

24M576

11M2896

11M2896

CLK_13M

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A

XC-6 USB AUDIO

SEPT 14 2009CODEC

11

A3

SHEET NAME

PROJECT NAME

REV

DATE

SIZE

OF

SHEET


C54

100N

C43

10U

+4V3A

100N

C55

+3V3

SDOUT

MDIV2

RST_N

SDIN

SCLK

LRCK

+3V3

10K

R37

C41

10U

10K

R35

2N2

C49

R36

10K

C50

2N2

R42

470R

10U

C42

C44

10U

R39

4K7

R32

3K3

C46

220P

3K3

R33

4K7

R40

470R

R41

220P

C45

10U

C39

10U

C40

C51

100N

100N

C52

47U

C48

+3V3

47K

R34

+4V3A

1R

R30

CS4270

U13

7 910

11

14

16

15

19

18

21

24

8522

23

17

20

6

1231

134 2LRCK

SCLK

MDIV2

SDIN

MCLK

MDIV1

DGND

AGND

VQ

AOUTB

AOUTA

VD

VLC

MUTEB_N

MUTEA_N

FILTP

VA

AINA

AINB

RST_N

I2S/LJ_N

M0

M1

SDOUT

MCLK

100P

C47

6K8

R31

2K7

R38

100N

C53

+4V3A

TPS73001

U14

5

24

16

3EN

OUT

IN

NR

GND

FB

2U2

C56

4U7

C38

+5V

SJ-3523-SMT

J5

32 1

J6

SJ-3523-SMT

32 1

NC

NC

MDIV PINS SELECT CLOCK RATIOS. SEE PAGE 23 OF DATASHEET.

I2S/LJ_N PULLED HIGH : I2S INTERFACE FORMAT.

M1 = 0 : NOT USED IN STAND ALONE SLAVE MODE

M0 = 0 : DE-EMPHASIS OFF

SDOUT PULLED LOW BY 47K - SLAVE MODE

CODEC DEFAULTS TO STAND ALONE MODE

4V3A LDO REGULATOR

VOUT = 1.225 * (1 + 6K8/2K7) = 4.31V

VREF = 1.225V

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16 Related Documents

The following documents provide more information on designing with the USB Audio2.0 Reference Design, XS1-L1 Edition:

• Programming XC on XMOS Devices: explains how to program XMOS event-drivenprocessor devices using the XC language.

• XCore XS1 Architecture Tutorial: provides an overview of the XS1 instructionset architecture.

• XS1 XSystem-L: provides an introduction on how to boot the XS1-L devices.

• XMOS Tools User Guide: explains how to use the XMOS Tools to program XMOSevent-driven processor devices.

The most up-to-date information on the board, including schematics and productdatasheets, is available from:

• http://www.xmos.com/usbaudio2/

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Documento II.

Presupuesto


I




Índice de la memoria

Capítulo 1 Mediciones ...................................................................................... 2

1.1 Hardware ......................................................................................................... 2

1.2 Software ............................................................................................................ 2

1.3 Mano de obra directa ...................................................................................... 3

Capítulo 2 Precios unitarios ............................................................................. 4

2.1 Precio de los componentes principales .......................................................... 4

2.2 Software ............................................................................................................ 4


Capítulo 3 Sumas parciales .............................................................................. 6

3.1 Componentes principales ................................................................................ 6

3.2 Software ............................................................................................................ 7


3.4 Costes indirectos .............................................................................................. 8

Capítulo 4 Presupuesto general ....................................................................... 9

ÍNDICE DE TABLAS

- 1 -




Índice de tablas

Tabla 1: Hardware usados ....................................................................................... 2

Tabla 2: Sofware usados .......................................................................................... 2

Tabla 3: Horas utilizadas de mano de obra directa ................................................. 3

Tabla 4: Precio de los componentes utilizados ....................................................... 4

Tabla 5: Precio de los software usados ................................................................... 4

Tabla 6: Precio de las actividades de mano de obra directa .................................... 5

Tabla 7: Coste por los componentes principales ..................................................... 6

Tabla 8: Coste por los software usados ................................................................... 7

Tabla 9: Coste por la mano de obra directa ............................................................. 7

Tabla 10: Costes indirectos ..................................................................................... 8

Tabla 11: Presupuesto general del proyecto ............................................................ 9

Mediciones

- 2 -




Capítulo 1 MEDICIONES

En este capítulo se detallaran las unidades de los componentes y los equipos

utilizados. Se nombraran los software usados, y la cantidad de horas que se

utilizaron de mano de obra directa.

1.1 HARDWARE

Componentes Cantidad Medida

Placa USB Audio 2.0 Reference Design 1 und

Cable de alimentación USB 1 und

Ordenador 1 und

Tabla 1: Hardware usados

1.2 SOFTWARE

Programas Cantidad Medida

xTIMEcomposer audio 1 und

xSOFTip explorer 1 und

Simulink 1 und

Matlab 1 und

Mozilla 1 und

Microsoft Office® 1 und

Tabla 2: Sofware usados

Mediciones

- 3 -




1.3 MANO DE OBRA DIRECTA

Actividad Horas

Recopilación de información 180

Programación 240

Trabajo de revisión y corrección 80

Documentación 150

Horas totales 650

Tabla 3: Horas utilizadas de mano de obra directa

Precios unitarios

- 4 -




Capítulo 2 PRECIOS UNITARIOS

En este capítulo se detallaran los precios unitarios de cada componente, el

precio de los software usados y los costes de mano de obra.

2.1 PRECIO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES

Componentes Precio (€/und)

Placa USB Audio 2.0 Reference Design 149

Cable de alimentación USB 3.67

Ordenador 850

Tabla 4: Precio de los componentes utilizados

2.2 SOFTWARE

Programas Precio (€/und)

xTIMEcomposer audio Software libre

xSOFTip explorer Software libre

Matlab y Simulink (versión estudiantes) 75

Mozilla Software libre

Microsoft Office® 103

Tabla 5: Precio de los software usados

Precios unitarios

- 5 -





Actividad Precio (€/hora)

Recopilación de información 25

Programación 35

Trabajo de revisión y corrección 30

Documentación 30

Tabla 6: Precio de las actividades de mano de obra directa

Sumas parciales

- 6 -




Capítulo 3 SUMAS PARCIALES

En este capítulo se calcularan las sumas parciales de los costes de cada

elemento. Calculándose usando los capítulos anteriores, y con el incremento de

los costes indirectos.

3.1 COMPONENTES PRINCIPALES

Componentes Cantidad Precio

(€/und)

Amortización Coste

Placa USB Audio 2.0 Reference

Design

1 149 - 149

Cable de alimentación USB 1 3.67 - 3.67

Ordenador 1 850 5 años 170

Total 322.67

Tabla 7: Coste por los componentes principales

Sumas parciales

- 7 -




3.2 SOFTWARE

Programas Cantidad Precio

(€/und)

Amortización Coste

xTIMEcomposer audio 1 Soft.libre - 0

xSOFTip explorer 1 Soft.libre - 0

Matlab y Simulink 1 75 5 años 15

Mozilla 1 Soft.libre - 0

Microsoft Office® 1 103 5 años 20.6

Total 35.6

Tabla 8: Coste por los software usados


Actividad Horas Precio (€/hora) Coste total (€)

Recopilación de información 180 25 4500

Programación 240 35 8400

Trabajo de revisión y corrección 80 30 2400

Documentación 150 30 4500

Total 19800

Tabla 9: Coste por la mano de obra directa

Sumas parciales

- 8 -




3.4 COSTES INDIRECTOS

Concepto Coste Total (€)

Gasto de luz y equipos 42

Gastos de comunicación 38

Gastos de transporte 100

Total 180

Tabla 10: Costes indirectos

Presupuesto general

- 9 -




Capítulo 4 PRESUPUESTO GENERAL

Sumando las aportaciones de todos los capítulos anteriores, se puede concluir

que el coste del proyecto será lo representado en la Tabla 11.

Concepto Coste (€)

Componentes principales 322.67

Software 35.6

Mano de obra directa 19800

Costes indirectos 180

Total 20338.27

Tabla 11: Presupuesto general del proyecto

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