Analyse af koncertlyd baseret på en digital signalprocessor. 6. semesters bachelorprojekt Elektronik & IT, Aalborg Universitet Foråret 2012

Transkript

1 Analyse af koncertlyd baseret på en digital signalprocessor 6. semesters bachelorprojekt Elektronik & IT, Aalborg Universitet Foråret 2012

2

3 Institut for Elektroniske Systemer Elektronik og IT Fredrik Bajers vej Aalborg Øst Telefon Titel: Analyse af koncertlyd baseret på en digital signalprocessor Tema: Signalbehandling Projektperiode: P6, forårssemesteret 2012 Projektgruppe: 641 Deltagere: Troels Bastholm Jeppe Dam Daniel Nygaard Urup Willem van Peet Vejleder: Sofus Birkedal Nielsen Oplagsantal: Sideantal: 186 Bilagsantal og art: Synopsis: Denne rapport dokumenterer udviklingen af en koncertlydsanalysator. Analysatoren er baseret på en digital signalprocessor, hvortil der er opbygget en analog-til-digital konverter. Analysatoren skal være i stand til at måle lydtryk og lyddosis, og derfor er designet efter tilhørende standarder. I et modtaget stykke musik ønskes frekvensindholdet analyseret, og dertil lydtryk i hver 1 /3-oktavbånd. Dette sker ved at optage musik igennem en mikrofon, hvorefter lyden bliver A-vægtet. Herefter digitaliseres signalet, og behandles i DSP en. Heri beregnes lydtryk og lyddosis, som kan udskrives til et display. Dette kan bruges i mange aspekter, hvorom dette er tænkt til støtte af indstilling af en equalizer. Systemet er deltestet for vægtningsfilter og midling, og spektralanalysen er verificeret. Afsluttet den: 30. maj 2012

4

5 Institute of Electronic Systems Electronics and Information Technology Fredrik Bajers vej Aalborg Øst Phone Title: Analysis of concert sound based on at digital signal processor Theme: Signal processing Projectperiod: P6, springsemester 2012 Projectgroup: 641 Participants: Troels Bastholm Jeppe Dam Daniel Nygaard Urup Willem van Peet Supervisor: Sofus Birkedal Nielsen Number of printed copies: Number of pages: 186 Appendices: + 1 CD Finished on: 30. maj 2012 Synopsis: This project documents the development of an analyser for concert measurements. The analyser is based on a digital signal processor where to a analog-to-digital converter is made. The analyser is capable of measuring sound pressure level and sound dose. Therefore the analyser is designed based on the given standards for sound level meters. In a measured interval of sound it is wished to analyse the frequency spectrum and the sound pressure level in each 1 /3- octaveband. This is done by measuring music through a microphone whereafter it is weighted by a A-weight filter. Afterwards the signal is digitalized and evaluated in the digital signal processor. In the digital signal processor the sound pressure level and sound dose are calculated to be written out on a display. The system is made to help setting up an equalizer. The different parts in the system is tested separately and verified.

6

7 Forord Denne rapport dokumenterer designet af en koncertlydsanalysator, hvor der er lagt op til at kunne analysere lyd i det frekvensspektre, som er relevant under en koncert, samt måle lyddosis og lydtryk. Projektetgruppen har taget udgangspunkt i projektforslaget om Analysator til Koncert-lyd. Rapporten er udarbejdet af gruppe 641, en 6. semesters elektronik og IT studerende gruppe på bachelorspecialiseringen i signalbehandling ved Aalborg Universitet. Semestertemaet er Indlejret realtids signalbehandling, hvor formålet er at designe en digital signalprocessor, som kan behandle et analogt signal som er realiseret af en sensor. Rapporten er udarbejdet i perioden 1. februar til 30. maj. Der er i projektet blevet anvendt en digital signalprocessor fra Texas Instruments, som der er langt op til i projektenhedskurserne. Tak til Der har gennem projektet været personer behjælpelige med oplysninger til design af projektet, som har ført til rapportens resultat. Der uddeles derfor en ekstra tak til: Ole Kiel Jensen, for hjælp til normalisering af filtre Ove Andersen, til design af digitale filtre vii

8 viii Læsevejledning Denne rapport er opbygget således, at der i foranalysen belyses det generelle for menneskets opfattelse af lyd og dertil lyd til koncert. Ud fra foranalysen er systemopbygningen fastsat, hvor de fastsatte moduler individuelt vil blive designet, hvorefter, for til sidst at blive implementeret. Denne rapport er skrevet for læsere, med almen forståelse for signal behandling, og generel forståelse af analog elektronik. Terminologien i rapporten ses derfor som almen kendt for læseren. Citationer er angivet efter Harvard-metoden, og kan findes bagerst i rapporten. Vedlagt rapporten er en bilags-cd, indeholdende datablade, filer i forbindelse med målejournaler og Matlab-simuleringer. Der er henvist til dette indhold med et ikon. Koden der er opstilt gennem rapporten, er skrevet i Matlab eller assembler.

9 Indholdsfortegnelse 1 Indledning og problemstilling 1 2 Foranalyse Menneskets hørelse Koncertmiljø Digitalisering af lyd Problemformulering 13 4 Kravspecifikation 15 5 Systemopbygning Præfabrikeret udstyr Analog elektronik Digital signalprocessor Basis hardware Mikrofon Digitalisering af signaler Valg af DSP Udleveret DSP opbygning Strømforsyning Udvidet systemopbygning Vægtningsfilter Modulanalyse Design Validering Diskussion Lydenergi Modulanalyse Design Simulering Diskussion Lydtryk og lyddosis Modulanalyse Design Diskussion Spektralanalyse Modulanalyse Design Simulering og test ix

10 x Indholdsfortegnelse 10.4 Diskussion Brugergrænseflade Modulanalyse Diskussion Softwareintegration Realisering af lydtryksniveau- og lyddosisberegning Realisering af spektralanalysen Hovedprogram DSP integration Implementering Digitalisering af lyd A-vægtningsfilter Lydenergi Lydtryk Lyddosis Spektralanalyse Accepttest Udførsel af accepttest Resultater af accepttest Diskussion Konklusion 143 Litteratur 145 A Målejournaler 149 A.1 SNR måling af ADC A.2 A-vægtningsfilter A.3 Måling af analogt RMS-kredsløb A.4 Summeringsforstærker A.5 Måling af samlet analog elektronik A.6 Test af filtre til spektral analysen A.7 Root Mean Square tilnærmelse A.8 Midlingsværdier for oktavbånd B Eldiagrammer 173 C Filterkoefficienter 175

11 1 Indledning og problemstilling Der har i en lang årrække været fokus på initiativer, der præventivt hindrer varige mén i forbindelse med støjfyldte miljøer, eller miljøer, hvor man udsættes for en stor lyddosis, men er uvidende om konsekvensen heraf. Mere specifikt, i forbindelse med koncerter, kan lyden nå uudholdelige niveauer som på sigt kan påvirke hørelsen negativt. Til koncerter fastsættes lydniveauet typisk af en lydmand, der med sin erfaring har til opgave at få lyden præsenteret på bedst mulig vis i forhold til musikgenre, stemning og omgivelser, men ligeså at overholde den pågældende lovgivning for, hvad publikum må udsættes for. I et notat d. 17. marts 2011 af Sundhedsstyrelsen [2011-3] fremgår det, hvorledes høreskader samt andre gener kan forebygges for såvel lydmænd og andre ansatte som for publikum i forbindelse med støj i underholdningsbranchen. Selvom elektronikproducenterne allerede har fokus på området, er det lydoperatøren, der i sidste ende dikterer, hvad et publikum præsenteres for. Dette scenarie kan være problematisk, både fordi det er lydmandens erfaring snarere end kunstnerens produkt af lyden, der præsenteres, men også fordi begge parter i forvejen kan have pådraget en høreskade, der er hæmmende for, at lyden bliver optimalt for det deltagende publikum. Da udviklingen inden for det pågældende område allerede er så fremskreden, vil der blive lagt vægt på, at udforske de grundlæggende principper, som gør det muligt at opnå en kalibrering, så der kompenseres for de fysiske omgivelser. Det operative fokusområde er overvågning af det aktuelle lydtryk, samt monitere den lyddosis som publikum, såvel som personale, har været udsat for i forbindelse med koncerten, samt give indblik indblik i energiens fordeling i spektrummet. Ud fra et fagspecifikt projektoplæg er følgende problemstilling udfærdiget: Hvordan forbedres koncertlyd, og kan varige mén effektivt forebygges i støjfyldte miljøer? 1

12

13 2 Foranalyse I dette afsnit vil den menneskelige hørelse analyseres samt væsentlige begreber indenfor emnet vil belyses i et sådant omfang, som menes nødvendig for rapportens estimerede indhold. Dette bliver gjort, da forståelse af menneskets hørelse er nødvendig for at kunne designe et system, der kan forbedre lydoplevelsen samt forebygge høreskader i koncertmiljøer. 2.1 Menneskets hørelse Da projektet i store træk bygger på menneskets evne til at opfatte lyde, samt vores subjektive opfattelse heraf, er dette afsnit medtaget. Der vil først tages udgangspunkt i lydens oprindelse, hvorefter menneskets høreorgan samt vores lydopfattelse vil analyseres. Afslutningsvis vil forskellige nyttige termer i forbindelse med projektet præsenteres. Det er vigtigt at holde for øje, at ingen har sammen hørelse, og derved er alt data, som præsenteres i følgende afsnit, baseret på statistisk data. Ørets opbygning Det forholder sig imidlertid sådan, at mennesket fra naturens side er designet til bedst at kunne høre toner i det frekvensspektre, hvor tale befinder sig. Derfor ses der nu nærmere på ørets fysiske opbygning. Figur 2.1: Menneskets høreorgan. Som det ses på figur 2.1 er øret delt op i et ydre-, mellem- og indre øre. Det ydre øre (outer ear) sørger for at lede lyden ind til trommehinden. De ydre øre fungerer principielt som en tragt til lyden, da denne forstærker med db i området 1,5-7 khz, hvilket netop er i det frekvens område hvori menneskets 3

14 4 Foranalyse almindelige tale ligger. Derudover har mennesket den ydre øre kanal (outer ear canal), som skaber en akustisk resonans ved 3 khz. Det står derfor klart, at et menneske ikke opfatter lyd med en flad frekvenskarakteristik. Dette er en vigtig overvejelse, når der eksempelvis måles på det lydtryk, som et menneske udsættes for ved f.eks. koncerter. [Tashev, 2009] Lydopfattelse Det menneskelige øre kan ideelt opfatte lyde imellem 20 Hz til 20 khz, men grundet ørets fysiske opbygning, høres de forskellige frekvenser ikke med samme niveau. Der vil nu blive set nærmere på denne karakteristik. Ud fra mange subjektive lyttetests er der blevet udformet en kurve, som angiver det nødvendige lydtryk ved forskellige frekvenser, således at de opfattes med samme lydtryksniveau. Denne kurve ændres ligeså alt efter hvilket lydniveau der refereres til. Disse lydniveauer, bedre kendt som phonkurver, er standardiseret i ISO 226:2003. Figur 2.2: Phon-skalleringen mellem frekvens og lydtryk. På figur 2.2 ses frekvenskarakteristikken ved et givent antal phon, og det kan observeres at antallet af phon er givet for et lydtryk i decibel ved 1 khz. På figuren kan det eksempelvis aflæses, at for 20 phon er lydtrykket 20 db ved 1 khz, mens den ved samme lydtryk ved 100 Hz er ca. 37 db. Derved kan det konkluderes, at der skal et væsentligt højere lydtryk til ved 100 Hz end ved 1 khz, for at mennesket opfatter dette som værende af samme lydstyrke. [Walter T. Grondzik, 2009]

15 2.1. Menneskets hørelse 5 Vægtningskurver Når et givent lydtryk skal måles, kan der anvendes forskellige vægtningskurver. Dette er anvendeligt, da mennesket, som det er set i forrige afsnit, ikke modtager alle frekvenser med samme styrke, hvorfor lydtryk ofte måles ud fra vægtningskurver. Figur 2.3: A-, B-, C- og D-vægtnings kurver [Newell, 2012]. Disse vægtningskurver er illustreret på figur 2.3, hvor de benyttes ved forskellige lydtryk som udgangspunkt. Hvis A-vægtningskurven observeres, vil det bemærkes, at denne tilnærmelsesvis kan tolkes som den inverse af 40 phon kurven. Ligeledes, hvis der ses på C-vægtningen, vil denne kunne ses som værende den inverse af 100 phon kurven. Et målt lydtryk angives derfor altid med hvilken vægtning, der er anvendt. Hvis der er anvendt A-vægtning, angives det i db(a) og så frem deles med B- og C-vægtningen. Det er dog noget anderledes, når der ikke anvendes vægtning, da det her angives som et lydtryk i decibel. Der er en grænse for, hvor stort et lydtryk mennesket kan tåle at blive udsat for, inden det kan resultere i eventuelle skader. Et lydtryk på over 120 phon kan medfører smerte og en varig nedsættelse af høreevnen [Salvendy, 2012] Lydtryk Lyd fremkommer når lufttrykket ændres med en frekvens indenfor det hørbare område. Mennesket kan opfatte lyde, der ligger i frekvensområdet 20 Hz til 20 khz. Lydtryksniveauet måles i decibel givet ved logaritmen til forholdet

16 6 Foranalyse mellem det givne lydtryk og en given reference, og derefter kvadreret. Lydtryksniveauet beregnes relativt i forhold til en nulreference, fastsat i forhold til den menneskelige høretærskel, som er defineret ved en 20 µpa RMS reference ved 1 khz, og er menneskets mindste registrerbare lydtryk. Lydtryksniveauet er en logaritmisk måleenhed som kan beregnes vha. formel (2.1). ( ) prms L p = 20 log 10 = 20 p 0 2 log 10 ( prms p 0 ) 2 ) prms 2 = 10 log 10( p 0 2 (2.1) Hvor: L p betegner det effektive lydtryksniveau [db]. p rms er det effektivt målte lydtryk [Pa]. p 0 mindst registrerbare lydtryk[pa]. Ved hjælp af ligning (2.1) kan korrekte lydtryksniveauer, som udbredes fra en given kilde, beregnes med udgangspunkt i høreorganets laveste påvirkelige tryk, p 0. Menneskets subjektive opfattelse af lyden er dog noget anderledes, da mennesket ikke opfatter en tone med et bestemt lydtryk værende af samme lydtryksniveau, som en anden tone med samme lydtryk, hvilket vil behandles yderligere i indeværende afsnit[walter T. Grondzik, 2009]. Som udgangspunkt for måling af lyd benyttes en størrelse kaldet den akkumulerede ækvivalente energi, ε, givet ved formel (2.2). ε eq = T e 0 p 2 (t)d(t) (2.2) Heraf kan det energiækvivalente lydtryk, der også lægger basis for RMSlydtrykket, gives ved formel (2.3). p eq = 1 T 0 ε eq = 1 T 0 T e 0 p 2 (t)d(t) (2.3) Det bemærkes, hvorledes der integreres over tiden T e, hvorom det må gælde, at hvis T e = T 0, hvor T 0 midler i forbindelse med den samlede tid der observeres over, bliver p eq = p rms. Dermed forefindes en metode, hvormed RMS-lydtrykket, der angiver det energiækvivalente lydtryk, kan bestemmes over længere tid, og derved nedtrykke eventuelle spikes der måtte opstå, og ikke være af en repræsentativ størrelse i den applikationsmæssige sammenhæng.

17 2.1. Menneskets hørelse 7 Lyddosis Under en koncert udsættes publikum og ansatte ofte for ekstreme lydtryk. Derfor vil der nu blive set nærmere på, hvordan lyddosis måles. Lyddosis, modsat en lydtryksmåling, der er en her-og-nu belastning, giver en indikation for, hvor stor en mængde energi i forhold til den anbefalede, man har modtaget over en given tidsperiode. Den anbefalede lyddosis for en person om dagen er på 85 db(a) i 8 timer, hvilket med den dobbelte lydstyrke, 88 db(a), halveres til 4 timer. Dette er defineret i standarten ISO Dette er illustreret på figur 2.4. [Salvendy, 2012] Lydniveau vs. maksimalt anbefalet udsættelse per 24 timer t 4t 2t 1t 30m 15m 7.5m 3.7m 1.3m 56s 28s 14s 7s 3s 1s <1s Figur 2.4: Den maksimale tid per dag, overfor hvilket lydniveau, man må udsættes for. Lyddosis er et udtryk for en dosis modtaget ækvivalensenergi givet over en bestemt tidsperiode i forhold til den maksimale grænse for, hvad der må modtages, opgivet i procent. Til måling af lyddosis anvendes A-vægtning. Dette giver imidlertid ikke mening i forbindelse med de forskellige vægtningskurver, hvor C-vægtning normalt omhandler lydtryk i de størrelsesordner, der arbejdes med. Da A-vægtningen er ekstra følsom omkring 4 khz er denne valgt, da det som oftest er her at høreskader finder sted. En lyddosis udtrykkes i % og kan beregnes vha. formel (2.6). Hvor: Lyddosis% = ε eq ε 8t,85dB 100 (2.4) Lyddosis% er den modtagne lyddosis. [%] ε 8t,85dB er ækvivalensenergien for 8 timer ved 85 db(a). [Pa 2 ] ε eq er den målte ækvivalensenergi. [Pa 2 ] Den samlede ækvivalensenergi over otte timer, som betegnes ε 8t,85dB, kan findes vha. formel (2.5). Hvor: ε 8t,85dB = T dB 10 p 0 2 = (2.5) ε 8t,85dB er ækvivalensenergien for 8 timer ved 85 db(a). [Pa 2 ] p 0 beskriver menneskets høretærskel(20µpa). [Pa] T 8 er den otte timers tidsperiode. [s]

18 8 Foranalyse Da det umiddelbart kan være vanskeligt at lave en samlet integration af en energimåling over en længere periode, er det muligt at summere mindre bidrag sammen, og derved repræsentere den samme akkumulerede ækvivalensenergimængde. 2.2 Koncertmiljø I dette afsnit vil der blive set nærmere på miljøer, mere konkret koncertmiljøer, hvor større lydtryk i højere grad forekommer over længere perioder. Lydens udbredelse Lydniveau bestemmes i et frit miljø, svarende til ingen vægge der kan sende reflektioner tilbage imod lydkilden. Men i de fleste situationer, blandt andet under koncerter, vil der forekomme reflektioner i større eller mindre grad. Hvilken måde disse reflektioner kan beskrives på, er ved en given efterklangstid. Denne beskriver, hvor lang tid en lyd er om at dø ud i et rum. Efterklangstiden defineres, som den tid det tager en lyd at falde 60 db. Efterklangstiden er proportional med forholdet mellem volumen og det ækvivalente absorbtionsareal. Selve absorbtionsarealet er givet ved de forskellige overfladearealer i rummet og en absorbtionskoefficient for hver enkelt. Ud fra dette bestemmes efterklangstiden ved: T = V S (S n a n ) i=1 (2.6) Hvor: T er efterklangstiden V er volumen af rummet S er absorbtionsniveauet a er absorbtionskoefficienten Efterklangstiden ændrer sig med frekvensen. Efterklangstiden er længere ved lave frekvenser, og i et hårdt miljø, f.eks. en kirke, forlænges efterklangstiden også. Dette sker pga. en lav absorptionskoefficient. Dette kan give mange besværligheder ved måling af rummets akkustistiske egenskaber, da de reflekterede lyde giver et diffust billede af lyden i rummet. [acoustics, ]. Frekvens spektre Til koncerter optræder mange forskellige frekvenser, fra den dybe bas op til den høje diskant. Begge ender af frekvensspektret kan forekomme under en koncert, men nogle genrer tilhører mere eller mindre den ene ende af spektret.

19 2.2. Koncertmiljø 9 Den helt dybe bas kan være så dyb, at menneskets hørelse ikke kan opfatte det, men det i stedet har et meget stort lydtryk. Forholdet mellem lydtryk og frekvensindhold kan vises i forhold til menneskets hørbare område, musik og den daglige tale. Dette er beskrevet i DAK [2012]. Her ses, at der indenfor musikkens verden spilles frekvenser fra ca. 32 Hz og op til 16 khz. I forhold til den daglige tale, ligger lydtrykket ved musik højere. Derfor kan dette give anledning til høreskader, når der deltages til koncerter. Dertil ligger den nedre grænse for lydtrykket ved musik på 20 db, som svarer til en svag hvisken. Den øvre grænse ligger på 110 db, hvorover menneskets smertegrænse ligger på 120 til 130 db. For at være i stand til at nedtone eller decideret at sortere skadelig støj fra udgangssignalet, er det også fordelagtigt i forbindelse med ørets virke, at bearbejde denne vha. 1 /1-oktavbånd snarere end et lineært spektrum, som vha. f.eks. FFT-analyse. I alt forefindes 10 oktavbånd, der tager udgangspunkt i 1 khz som centerfrekvens. Deraf kan en yderligere kvantisering af båndet til 1/3-oktavbånd benyttes, for at opnå en yderligere kontrol, hvorfor signalet kan justeres i mindre områder og derved opnå et bedre slutresultat. Dette gøres også for at opnå en tilstrækkelig analyse af et givent spektre, da der kræves 1 /3-oktavbånd når der arbejdes med usammenhængende lyd. Herunder forefindes mange forskellige lyde, og i høj grad musik. Hvis analysen ønskes udført på et kontinuerligt lydsignal, ville en analyse i 1 /1-oktavbånd ikke være tilstrækkelig. Derfor er det nødvendigt at anvende analyse på musiksignaler i 1/3-oktavbånd, da variationer indenfor en mindre frekvensvarians derved kan analyseres [Dansk Standard, 1975]. Hørenedsættelse Da en given lydmand har befundet sig i det samme støjfulde miljø i en længere periode, kan lydmanden have pådraget sig en høreskade. Dette vil påvirke hans bedømmelse af lyd til en koncert, da det bliver hans subjektive holdning overfor lyden, der bestemmer, hvordan lyden skal indstilles. Derfor vil der i denne del beskrives, hvordan en hørenedsættelse påvirker menneskets evne til at opfatte lyd. Der findes to former for hørenedsættelse, henholdsvis konduktiv og perceptiv. Konduktiv hørenedsættelse forekommer som regel ved et tilstoppet øre eller sygdom i mellemøret. Dette forårsager at lyden ikke når frem til sansenerverne inde i det indre øre og dermed også hørenedsættelse. Hvis denne form for hørenedsættelse forekommer, vil en lægelig behandling eller et høreapparat afhjælpe problemet. Derimod, ved perceptiv hørenedsættelse, er det ikke alle nerverne i det indre øre der virker, og derfor forekommer hørenedsættelsen. Denne form vil ikke kunne behandles ved operationer eller lignenden, og derfor er anvendelsen af høreapparat nødvendig. [Ingard Løge, ] Den typiske hørenedsættelse, som sker ved længere udsættelse for støj, kan ses på figur 2.5.

20 10 Foranalyse Figur 2.5: Forskel på normal hørelse og hørenedsættelse Her ses tydeligt, at udsættelse for støj i længerevarende perioder giver en hørenedsættelse. Grafen viser, hvordan hørelsen er ved 0 Hz til 8 khz i forhold til 0 db, som betragtes som hørelsen for en ikke støjudsat person. Hvis en given lydmand har nedsat hørelse, vil det påvirke en lydmands subjektive vurdering af lyden, da han kan have nedsat hørelse, ligesom figur 2.5 viser. Lydniveauer og lovgivning Som der tydeligt ses i sektion 2.2, kan udsættelsen af støj have stor indflydelse på menneskets hørelse. Derfor er det interessant at se på hvilke lydniveauer, der optræder under en koncert. Dertil vil der undersøges, om der forefindes lovgivning omkring den maksimale udsættelse af lyd. Lydniveauer Ligesom der optræder forskellige frekvenser til koncerter, optræder forskellige lydniveauer. Disse lydniveauer er forskellige fra koncert til koncert, afhængig af genre. Ofte til koncerter overstiger lydtrykket 105 db, som er mere end det anbefalede at arbejde i. Fra det høje lydtryk kan ses, som i sektion 2.2 på foregående side, at dette, over længere tids eksponering, giver høreskader. Da dette gerne vil undgås, er der opstillet retningslinier indenfor det maksimale lydtryk, beskrevet i efterfølgende afsnit. Lovgivning Ifølge lovgivningen i EU, må ansatte medarbejdere til koncerter ikke udsættes for lydniveauer over 85 db. Denne lovgivning trådte i kraft i

21 2.3. Digitalisering af lyd , hvor lydniveauet blev sat ned til 85 db. Dette har ikke indflydelse på lydniveauet ud til publikum, da tiltaget er udarbejdet med fokus på høreskader hos de ansatte. Da lydniveauet ud til publikum skal bibeholdes på samme niveau, skal andre metoder til, for at dæmpe støjen overfor de ansatte. Dette bliver gjort ved afskærmning af lyden, og de steder dette ikke kan lade sig gøre, må egnet høreværn anvendes. Personer udsat for 100 db eller derover, i 15 minutter om dagen, overskrider den øvre grænse, og har høj risiko for nedsat hørelse. Til sammenligning befinder lydniveauet til koncerter sig ofte over 105 db. [Arbejdstilsynet, 2008] Herfor vil det være interessant at undersøge, hvordan man kan undgå det alt for høje lydtryk, men på samme tid ikke ødelægge lydopfattelsen. 2.3 Digitalisering af lyd I de foregående afsnit blev menneskets opfattelse af lyd beskrevet på forskellig vis. Deriblandt blev et typisk dynamikområde anskueliggjort, samt hvorledes øret opfatter forskellige niveauer ved forskellige frekvenser. I dette afsnit vil der fokuseres på, hvorledes dynamikområdet kan digitaliseres således, at den nødvendige data bibeholdes. Af DAK [2012] kan det hørebare frekvensindhold af forskellige kilder, som forefindes ved forskellige typer koncerter, aflæses. Skemaet inkluderer instrumenter såvel som menneskets vokal, og giver et overblik over, hvilke frekvenser der er af interesse for monitorering ved for eksempel spektralanalyse. Det kan aflæses, at den mindste frekvens, der er af hørbar interesse, er at finde omkring de 32 Hz til og med ca. 16 khz. Hertil ønskes kun fokus på musik, hvis frekvensindhold ikke er under 32 Hz, som ved orgel musik. Ydermere vides det, at den menneskelige nedre hørbare grænsefrekvens forefindes imellem hz. Det vides i henhold til Nyquists sample teori, at der minimum skal samples med den dobbelte rate af det signal, der ønskes genskabt. Da dette er et absolut minimum, bør der samples med en substantiel højere rate. Dette gør sig ligeså gældende i forbindelse med digitale medier som f.eks. CD, hvor den lagrede musik samples med 44,1 khz, hvilket muliggør en teoretisk repræsentation højere end den menneskelige hørelses opfattelse. Hvis der samples med for lav en rate, vil det give anledning til aliasering af de frekvenskomposanter, der forefindes over sampleraten, og tillægges derved andre eller danner nye lavfrekvente komposanter. Forebyggelse af billedfrekvenser er på mange måder et af de mest afgørende aspekter i, om en digitalisering kan betegnes som en gyldig repræsentation af det analoge signal. Derfor bør en given analog båndbredde begrænses ved at gennemgå en tilpas stor lavpas-filtrering, hvilket ofte betegnes som et antialiaseringsfilter. En anden vigtig betragtning består i, hvilken kvantisering der benyttes. Der er megen diskussion om, hvilken der bør anvendes, når der arbejdes med lyd,

22 12 Foranalyse hvor der som oftest arbejdes med 16 eller 24 bits opløsning. Det skal selvfølgelig holdes for øje, hvilken type applikation den digitaliserede lyd skal benyttes i, da det i høj grad kræver store ressourcer i form af lagring og behandlingskraft at håndtere denne efterfølgende.

23 3 Problemformulering I henhold til den tidligere udførte analyse samt konstruerede problemstilling, vil der i følgende afsnit være opstillet en problemformulering. Problemformuleringen baseres på de nøglepunkter, der beskriver i hvilket omfang, det er et etisk og moralsk såvel som et rent professionelt problem, at en lydmand kan diktere lydens indhold efter egen erfaringsbaseret opfattelse, selvom denne erfaring er farvet af eventuelle høreskader samt begrænset kendskab til den enkelte kunstners lydbehov. Det er projektgruppens mål, at konstruere et system, der kan benyttes af lydmanden til at overholde den aktuelle lovgivning for, hvad publikum og ansatte må udsættes for af forskellige lydparametre, samt give ham et overblik over, hvorledes lydens faktiske spektre er i forhold til den opsatte vha. en equalizer. Da kraftige lydtryk kan skade hørelsen og i værste fald resultere i lidelser som eksempelvis tinnitus, vil det være fordelagtigt for lydmanden såvel som publikum og ansatte, at være bevist om i hvilken grad de påvirkes. Når lydtrykket kendes, må det være op til lydmanden at justere volumen ind, således at lydtrykket holdes inden for lovgivningens rammer eller sørger for at de tilstedeværende benytter lydhæmmende værn. Målingen kan eksempelvis repræsenteres i form af en farveskala der viser, hvornår det er en belastning for øret, decimal visning i db eller anden praktisk metode. Ligesom lydtryk kan en for stor lyddosis, altså en dosis der ikke er skadelig i korte perioder men i længerevarende perioder, være skadende, og typisk resultere i eksempelvis varig nedsættelse af ørets følsomhed. Det vil derfor også være præventivt at have en indikation for, relativt i forbindelse med en given koncerts begyndelse, hvor stor en lyddosis man som tilstedeværende har været udsat for. En spektralanalyse over et aktuelt lydbillede, skal give lydmanden en direkte indikation for, i hvilken størrelsesorden energien i de enkelte oktavbånd er fordelt. Når energifordelingen kendes, set fra en strategisk rigtig placeret mikrofon, muliggøres en bedre kontrol for, hvordan lydens energi vægtes. Denne vægtning er vigtig og kan bidrage til at omgivelsernes påvirkning af den præsenterede lyd minimeres. En kompensering kan med fordel opsættes vha. et kendt signal, som pink-noise, således energien, som equalizeren justeres ind efter, i de enkelte bånd, bliver ligeligt fordelt før de enkelte instrumenter tages i betragtning. Præsentationen af de forskellige data kan være at finde på et display, som lydmanden har tilgængelig i forbindelse med equalizeren. Desuden vil dataen opdateres i en sådan hastighed, så lydmanden opnår et momentant billede, men også med mulighed for at bibeholde et givent spektrum, med henblik på en samlet finindstilling af aparaturet. 13

24

25 4 Kravspecifikation Dette afsnit har til formål at opstille en række krav for det endelige system, som nu, efter den indledende analyse, kan opstilles. Ud fra dette afsnit vil det endelige system kunne vurderes for hvorvidt hver krav er opnået. Formålet med selve koncertanalysatoren er, at give lydmanden under en koncert bedre muligheder for at indstille en equalizer og holde øje med det forekommende lydtryk. Enheden skal være i stand til at fremvise et separat lydtryksniveau for hvert oktavbånd, således alt der ved en linier modtagelse af frekvenser, vil kunne ses ved en fuldstændig vandret visning. Derudover skal enheden kunne lave en lyddosismåling samt vise det nuværende lydtryk. Ved måling af lydtryk tages udgangspunkt i en specifik standard, som er lavet for lydtryksmålere. Denne standard sætter krav til til målerens linearitet, udlæsningsafvigelser, tidsvægtninger med mere. Denne er sat til design af lydmålere, som ønskes konstrueret og skal overholde specifikke krav for, at blive defineret som en lydmåler. Ligeledes, som med lydtryk, tager lyddosis udgangspunkt i samme standard som lydtryk. Hertil sættes krav til måleafvigelser, som skal overholdes. Både lydtryk og lyddosis tager udgangspunkt i [DS, 2002]. Spektralanalysen skal ligeledes overholde standarder, så som antal 1 /3-oktavbånd, for at dække hele spektret. Under designet af spektralanalysen stilles dertil også krav omkring filtre, som ønskes anvendt til analysen. Standanden, som spektralanalysen tager udgangs punkt i, er hel- og deloktavbåndpasfilter standarden [DS, 1996]. Målingerne, som skal foretages til kravspecifikationen, er afgrænset af, at de foretages i et rum med fuld absorbtion, og derved realiseret som et miljø unden reflektioner og efterklang. 15

26 16 Kravspecifikation Generelle krav I henhold til Nyquist Shannon s samplingsteori, skal der samples med over den dobbelte frekvens, der ønskes repræsenteret. Der ønskes repræsenteret CD-kvalitet, derfor samplerate på 44.1 khz Lydtryk Målinger skal vægtes med A-vægtning. Lydtryksmåleren skal måle frekvenser mellem 16 Hz og 16 khz. Lydtryksmålerens linearitet må maksimalt afvige ± 1.1 db. Brugeren vælger hvornår udlæsning sker, og resette efter ønske. Tidsvægtningen skal vælges til hurtig ved s eller langsom ved 1s. Når lydtryk vises på display må visningen maksimalt afvige ± 0,6 db. Indikationen af lydtryk foretages indenfor db. Lyddosis Målinger skal vægtes med A-vægtning. Når lyddosis vises på display, skal dette vises som %-vis afvigelse fra sundhedsstyrelsens anbefalede dosis over otte timer, betragtet som en arbejdsdag. Brugeren skal have mulighed for at resette målinger. Når lyddosis vises på display må visningen maksimalt afvige ± 0.6 db. Spektralanalyse Spektralanalysen skal bearbejde frekvenser i området af 32 hz til 16 khz. Analysen skal bestå af et tilstrækkeligt antal af 1 /3-oktavbånd til at dække spektret i overholdelse af IEC 266:1997. Filtrene skal tage udgangspunkt i IEC 1260:1995. For hver 1 /3-oktavbånd skal en repræsentation af lydtrykket beregnes. Brugergrænseflade Dataene skal præsententeres på en entydig og forståelig maner, således at brugeren nemt kan skabe sig et overblik og derudfra agere. Displayet skal være i stand til at vise afvigelser ned til ± 0.1 db. Tabel 4.1: Opstillede krav.

27 5 Systemopbygning I indeværende afsnit vil den forventede systemopbygning være beskrevet i korte træk. Der tages udgangspunkt i et samlet blokdiagram, figur 5.1, hvor blokkenes funktioner, samt hvorfor disse er implementeret analogt eller digitalt, beskrives. Blokdiagrammet er opdelt i tre hovedområder, som respektivt beskriver valgte præfabrikerede emner, der indgår i det samlede system, de moduler der implementeres analogt samt hvilke der forefindes i den digitale signal processor. Præfabrikeret udstyr Resultat fremvisning Kilde Equalizer Effektforstærker Mikrofonforstærker Spektralanalyse Lokale Serielmodtager Brugergrænseflade Lyddosís ADC Lydenergi Lydtryk Digital signal processor Analog elektronik Figur 5.1: Samlet blokdiagram for det forventede system. 5.1 Præfabrikeret udstyr Den præfabrikerede hardware består af de komponenter, der implicit benyttes i projektet, og som er valgt ud fra de krav, projektet måtte stille til disse. I det følgende vil de enkelte præfabrikerede emners valgkriterier samt funktionalitet være beskrevet. Kilde Lydkilden kan være af valgfri karakter, så længe den kan påmonteres equalizeren og levere lyd i en sådan kvalitet, at denne er tilsvarende eller bedre end, hvad der foreskrives i kravspecifikationen. Equalizer Da det er i projektets fokus, at visualisere en spektralanalyse af signalet, vil der med fordel kunne benyttes en equalizer, så signalet kan justeres således, at denne præsenteres som forventet ifølge det projektfremstillede 17

28 18 Systemopbygning apparatur. Det er ydermere vigtigt, at equalizeren benytter sig af samme teknologi, så der kan kompenseres på samme vilkår, som spektralanalysens data foreskriver. Effektforstærker og højtaler Grundideen bag projektet er, at gøre en lydmand i stand til at kompensere for rummet såvel som højtaleres mulige ulineærer frekvenskarakteristik. Derfor burde enhver effektforstærker samt højtaler, der kan gengive lyd i det pågældende spektre, kunne vælges. Mikrofon og forforstærker I modsætning til den valgte kombination af effektforstærker og højtaler, stilles der i høj grad krav til mikrofonen og dets forforstærker kredsløb, da disse nødvendigvis må have en lineær frekvenskarakteristik, for ikke at bidrage med usikkerheder. 5.2 Analog elektronik Den analoge elektronik har i projektet til opgave at varetage funktionaliteter, der ligeså kan implementeres digitalt, men som kan være af høj belastning for den digitale signal processor at behandle. Midlet lydenergi Af teorien beskrevet i afsnit 2.1, kan der vha. en midlet ækvivalensenergi bestemmes både lydtryk og dosis. Det vurderes, at denne metode kan effektivisere en række beregningstunge operationer i den digitale signal processor. Før signalet midles, vil det A-vægtes, da dette er et specifikt krav senere for hvorledes dataen benyttes. Lavpasfiltrering For at imødekomme en dæmpning af signaler udenfor interesseområdet, implementeres et lavpasfilter, der har til formål at dæmpe disse, men også derigennem at fungere som antialiaseringsfilter i forbindelse med den forestående digitalisering af signalet. Analog til digital konverter For alle de aktuelle analoge signaler er det gældende, at de skal diskretiseres således, at de kan behandles i DSP en. 5.3 Digital signalprocessor I projektet vil størstedelen af den implementerede teori forefindes i DSP en, hvor styring af brugergrænsefladen ligeså finder sted. Der vil i denne del hovedsageligt fokuseres på de emner, der er tilknyttet det digitale område i projektet, hvor også processorens debugger vil være at finde. Den digitale signal processor er i projektet midtpunkt, hvor informationer samles samt formidles via eksempelvis brugergrænsefladen. Desuden vil denne

29 5.3. Digital signalprocessor 19 enhed varetage spektralanalysen, som vurderes langt mindre omfattende digital, end konstruktionen af samme i dets analoge modpart. Til sidst vil den midlede energi, behandlet i den analoge elektronik, behandles i form af de to, i kravspecifikationen definerede, applikationer; lydtryk og lyddosis. Lydtryk Der vil i projektet implementeres en lydtryksmåler. Lydtryksmåleren vil blive designet således, at denne tager højde for menneskets hørelse i form af en korrekt vægtningskompensering af signalet. Lyddosis På samme vis som lydtryksmålingen vil der foretages en lyddosis måling der A-vægtes i forbindelse med menneskets hørelse. Den vil konstrueres således, at den kan nulstilles til en given tid, og derved give en relativ dosismåling i forhold til starttidspunktet. Spektralanalyse Spektralanalysen har til formål at give et overordnet billede af de lydtryksniveauer, som findes i de enkelte 1 /3-oktavbånd. Fokusområdet for undersøgelsen tager udgangspunkt i menneskets hørelse, samt i hvilket frekvensområde der findes generede frekvensindhold. Brugergrænseflade Brugergrænsefladen har til formål at præsentere de indsamlede og behandlede informationer for brugeren. Der vil i projektet kun i mindre grad afsættes tid til at få disse informationer præsenteret på nogen grafisk form, men snarere fokuseres der på aspektet signalbehandling.

30

31 6 Basis hardware I dette kapitel findes gennemgangen af de hardwareenheder, der er anvendt til projektet. Der vil blive gennemgået, hvorledes de er opbygget, hvordan de fungerer, hvilke dele af hardwaren, der er specifik for denne type, samt hvad de bliver brugt til. 6.1 Mikrofon I dette afsnit vil der forefindes beskrivelser af forskellige typer mikrofoner. Der vil blive beskrevet, hvilke typer der er beregnet til hvilke formål, så et valg af mikrofon kan foretages. De to primære mikrofontyper, som er taget op til overvejelse, er cardioide og omnidirektionelle mikrofoner. Anvendelsen af disse, og deres optagen af lyd vil blive diskuteret, og derved kan et valg om cardioid eller omnidirektionel mikrofon tages. Herefter vil der indkluderes beslutning omkring mikrofonens frekvenskarakteristik, da den skal have en så lineær karakteristik i det ønskede frekvensområde som muligt. Cardioid En cardioid mikrofon er en mere direktiv mikrofon, som har et helt specielt akustisk mønster. På figur 6.1 er dette mønster vist i to dimentioner. I tre dimentioner ville mønsteret ligne et æble, hvor mikrofonen er placeret for enden af stilken. Figur 6.1: Akustisk mønster for en cardioid mikrofon 21

32 22 Basis hardware Denne mikrofon er god til optagelse af lyd fra en direkte lydkilde. Udefrakommende lyde, som ikke kommer direkte foran mikrofonen, bliver dæmpet mere end de direkte lyde. Derfor vil der ikke være så meget støj fra omgivelserne. Dette er den optimale løsning, hvis man kun ønsker lyd fra et punkt, og minimal udefrakommende støj. Omnidirektionel En sådan mikrofon opfatter lyd fra alle vinkler. Derfor er denne mikrofon god til optagelse af lyd, kommende fra flere forskellige vinkler. 0-5dB -10dB -15dB -20dB -25dB Figur 6.2: Akustisk mønster for en omnidirektionel mikrofon. Det akustiske mønster for en omnidirektionel mikrofon kan ses på figur 6.2. Der ses, at lydniveauet ikke dæmpes, lige meget hvilken vinkel lyden kommer fra. Derfor kan denne mikrofon sættes midt i et givet miljø, og opfange alt udefrakommende, lige meget om det er en højtaler fra en koncert, der spiller, eller om det er støj fra publikum og reflektioner fra miljøet. Ud fra de akustiske mønstre for mikrofonerne, er der taget et valg. Begge typer mikrofon vil være brugbare, men da der kunne ønskes at måle udefrakommende støj, er en omnidirektionel mikrofon valgt. Ud fra tilgængelige mikrofoner fra Brüel & Kjær R, er der gjort overvejelser omkring valget af mikrofon. Mikrofonen skal have den mest lineære karakteristik, fra 16 Hz op til 16 khz, som muligt. Der ses frekvenskarakteristikker for flere forskellige mikrofoner på 6.3 på modstående side.

33 6.2. Digitalisering af signaler 23 Figur 6.3: Frekvenskarakteristikker for forskellige typer af mikrofoner. Derudover skal mikrofonen fungere i hele dynamikområdet for lydtrykket, som, jf. kravspecifikationen i afsnit 4 på side 15, finder sted fra 30 db op til 110 db. Dette er musikkens dynamikområde, som giver en grænse for valget af mikrofon. Ud fra figur 6.3 er valgt en type 4136, da den har en optimal frekvenskarakteristik indenfor det ønskede område, og der først forekommer støj i dynamikområdet under 30 db og over 160 db. 6.2 Digitalisering af signaler Af kravspecifikation i afsnit 4 er ønsket en samplingsfrekvens på 44,1 khz specificeret i forbindelse med digitaliseringen af koncertlyden. Desuden er der specificeret et ønske om en lydtryksmåler. Denne funktionalitet stiller dog ikke i så høj grad krav til en samplingstid på mere end 8 Hz beregnet ud fra de 125 ms midlingstid. Derfor vælges et stereo codec til at digitalisere disse signaler. Derved varetager den ene ADC-kanal kontinuert sampling af koncertlyden til videre brug i spektral analysen, mens den anden sampler det målte lydtryk. Der findes flere forskellige typer analog til digital konvertere (ADC er). I det pågældende projekt er det blevet besluttet at benytte et codec fra Cyrrus Logic af typen CS4218, hvor databladet for denne kan findes på./datablade/ CS4218.pdf. Dette codec anvender 16-bit Delta-Sigma konvertering med 64 gange oversampling. Delta-Sigma konvertering Når der er tale om en ADC, der anvender Delta-Sigma konvertering, betyder dette, at ADC en kontinuerligt udsender et bit mønster. Dette bitmønster integreres således at der fåes en 16 bit værdi. Princippet er vist på figur 6.4 på næste side.

34 24 Basis hardware Delta-Sigma konvertering 1 digitalt output / binærene værdier Sample nummer Figur 6.4: Delta sigma konvertering. Her viser den grønne kurve logisk 1 eller 0, mens den røde illustrerer resultatet.[nielsen, 2012b] Oversampling Oversampling har til hensigt at nedsætte støjen i konverteringen samt bekæmpe aliasing. I dette tilfælde oversamples der med 64 gange, hvilket vil sige, at for hvert sample sker der 64 konverteringer. Kvantiseringsstøj Under sampling opstår der støj. Støjen fremkommer, da der kun samples med en vis præcision, og dermed opstår en lille fejl ved hver sample i form af afvigelsen. Denne fejl kaldes kvantiseringsfejlen og formindskes ved højere opløsning eller samplingshastighed. Ved højere opløsning formindskes kvantiseringsfejlen, da den maksimalt kan have en afvigelse på ± 1 /2-LSB, derfor vil denne blive minimeret ved højere bitopløsning. Kvantiseringsniveauet er givet ved Q = 2 (N 1) ved LSB, hvor N er antal bits. Da fejlen er givet ved ± 1 /2-LSB er fejlen givet ved ± Q /2 med samme sandsynlighed i hele intervallet. p(e) 1/Q -Q/2 Q/2 e Figur 6.5: Sandsynlighed for kvantiseringsstøj, hvor p(e) er sandsynligheden og e er kvantiseringsfejlen.[nielsen, 2012b] På figur 6.5 er variansen af kvantiseringsstøjen vist. Da der er den samme sandsynlighed, kan effekten af støjen udregnes ved: σ 2 = 1/Q Q/2 Q/2 e 2 de = Q2 2 (2 (N 1)) 12 = 12 (6.1)

35 6.2. Digitalisering af signaler 25 RMS-værdien er derfor givet ved kvadratroden af formel (6.1), hvoraf der fås 2 (N 1) 12, hvilket nu kan bruges til at opstille det ideelle signal-støj-forhold ved at sammenligne med et maksimalt udstyret sinus signal. SNR = 20 log S RMS = 20 log N RMS 1/ 2 2 (N 1) / 12 (6.2) Derved fås, ved at sætte antal bits til 16, et signal-støj-forhold på 98 db. Ved en samplingshastighed på det dobbelte, vil det f.eks. give en halvering af kvantiseringsstøjen. I dette tilfælde samples der med 64 gange mere end samplingsfrekvensen. Støjenergien er dog stadig den samme, men det indbyggede anti-aliasing filter sørger for at filtrere støjen væk i det frekvensområde, der ligger højere end samplingsfrekvensen [Nielsen, 2012b]. Opsætning af CS4218 Dette codec kan sættes op til at køre tre forskellige serielle modes (SM), hhv. SM3, 4 og 5, hvor de hver især har specielle submodes med forskellige indstillingsmuligheder, såsom gain, kanalvælger eller opsætning i tilfælde af flere codec s på samme serielle bus. Dette medfører dog at de serielle frames bliver længere, og dette vil tage processortid fra DSP en, da selve subframen stiger fra 32 til 64 bit. Derfor er SM4 valgt, da denne enkelt kan sættes op til at sample i 16 bit stereo uden nogen seriel styring af kontrolporten. Disse sættes automatisk op med et gain på 1 og en frame på 32 bit ved at holde kontrolporten lav under opstart af codec et. Således opnås en subframe på 32 bit. Figur 6.6: Timing af den serielle kommunikation fra CS4218 ved SM 4 [Crystal, 1996] På figur 6.6 kan det ses, at i SM4 sendes en enkelt synkroniseringspuls på SSYNC som kontrolles på SCLK s nedadgående flanke, hvorefter den serielle data fra nyeste sample på venstre kanal, efterfulgt af højre, sendes på SDOUT. En anden fordel ved SM 4 er, hvis SDOUT forbindes med SDIN, vil den kunne testes for codec ets samlede SNR forhold. Dette kan lade sig gøre eftersom ADC en og DAC en læses synkront. Som det er angivet, i kravspecifikationen i sektion 4 på side 15, ønskes der at sample med en frekvens på 44,1 khz. Dette gøres ved at sætte en clockfrekvens

36 26 Basis hardware på 11,2896 MHz på CLK benet og lade MF6, 7 og 8 være logisk 0. Derved opnås en division på 256 ift. clockfrekvensen på codec et, så de 44,1 khz opnås. Selve clockfrekvensen er designet ved hjælp at et standard oscillatorkredsløb. 10M Ohm 1 k Ohm 11,2896 MHz krystal 33 pf 33 pf CLK Figur 6.7: Den valgte oscillatorapplikation som anvendes til at generer clockfrekvensen til codec et.[semiconductors, 1993] Figur 6.7 viser det anvendte oscillatorkredsløb, som genererer clockfrekvensen. 6.3 Valg af DSP Til signalbehandling er udviklet en helt speciel type processorer, som har en arkitektur, der kan udføre matematiske beregninger langt hurtigere end en normal processor. Dette er yderst anvendeligt, når der skal behandles lyd- eller videosignaler. Denne type har fået navnet digital signal processor (DSP). I dette projekt vil blive brugt en DSP af typen TMS320C50, da der i forelæsningerne er lagt op til denne. Databladet for denne kan findes på bilags-cd en./datablade/tms320c50.pdf. Denne DSP er en 16 bit processor, der kan køre 20 MIPS, hvilket ikke er det der i dag anses som en hurtig signal processor. Idag findes DSP er med flere hundrede MIPS af samme fysiske størrelse, som ligeledes ikke kræver køling [Instruments, 2012]. 6.4 Udleveret DSP opbygning Den hardwareopbygning, som nævnt tidligere, er lidt anderledes end en almindelig mikroprocessor (MCU). Dette afspejler sig ved, at den er opbygget med en anden hardwarestruktur. De fleste almindelige MCU er er opbygget efter Von Neumann strukturen, hvor der kun findes én adressebus og én databus. Der er også kun én hukommelses blok, hvor både program og data er lageret i. Den DSP der arbejdes med i dette projekt, er opbygget efter Harvard strukturen, som ses på figur 6.8 på næste side. Der har en databus og en programbus, der hver har en hukommelsesblok tilknyttet. Dette åbner muligheden for, at der kan både hentes instruktioner mens der hentes data, som instruktionerne

37 6.4. Udleveret DSP opbygning 27 skal udføres på. Dette er en stor fordel, når der skal hentes filterkoefficienter med mere, som skal bruges på opsamlet data. Hvis dette kombineres med en cirkulær buffer, bliver den idel til signalbehandling. Data adresse bus Program adresse bus I/O Data Lager DSP Program Lager Data data bus Program data bus Figur 6.8: Signalflow i Harvard strukturen Beskrivelsen er delt op i en CALU-, PLU-, ARAUblock, seriel opsætning og interrupt. Opdelingen af de forskellige blokke kan ses på figur 6.9 på den følgende side. Det er værd at bemærke at alle busser i diagrammerne herfra og i resten af DSP afsnittet er på 16 bit, hvis ikke andet er angivet. Samt at der i hele afsnittet er bruget følgende bog [Texas Instruments, 1998] som kilde. Der kan ses en samlet oversigt over DSP ens opbygning på 6.9 på næste side Aritmetiske logiske blok Noget af det mest interessante er, hvordan den Aritmetiske logiske blok er opbygget, da den er opbygget på en sådan måde, at den netop er god til signalbehandling. På 6.10 på side 29 kan der ses, hvordan selve blokken er opbygget, og hvordan busserne viser dataflowet. Multiplier Denne består af to registre, Temporary Register 0(TREG0) og Product Register(PREG) samt en 16x16 multipler, der kan multiplicere to words og give et dobbelt word resultat på kun èn clock cyklus. Dette betyder, at det ikke tager længere tid at multiplicere end at addere eller subtrahere. Multiplikatoren kan få inputs fra data- eller programbussen, da MUX en kan sættes i en tilstand hvor dataene rippler igennem. PREG registeret bruges til kort lagring af multiplernes resultat, inden det skal bruges videre i ALU en. En mulighed er, kun at vælge den høje eller den lave del af PREG registeret, hvis dette ønskes. P-Scaleren (Prescaler) skifter det der kommer ind i register 0,1,4 og -6 til højre. Her kan data ripple direkte ned i fra databussen, hvis PREG ikke er sat til at gøre noget fra programbussen, hvis dette er nødvendigt. Den kan være nyttig, hvis en værdi ønskes skaleret inden brug i ALU en.