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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-20032020-101305
Documento
Autor
Nome completo
Felipe Cirne Conceição
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2020
Orientador
Banca examinadora
Beccaro, Wesley (Presidente)
Duarte, Silvio Xavier
Kopelvski, Maycon Max
Título em português
Equalização de sistemas sonoros baseada em filtros inversos: metodologia de projeto e implementação em tempo real em plataforma DSP.
Palavras-chave em português
Equalização
Filtros digitais
Processamento digital de sinais
Projeto de sistemas de áudio
Sistemas embutidos
Resumo em português
Sistemas sonoros reais tais como caixas e equipamentos de som requerem correções. Para atenuar os efeitos causados pelo sistema sonoro, equalizadores de áudio são aplicados com a finalidade de compensar distorções harmônicas, não linearidades dos sistemas, bem como compensar o efeito da acústica do ambiente. Com o aumento da capacidade dos sistemas dedicados para realizar processamento digital de sinais em tempo real, torna-se possível embarcar as soluções de filtragem e equalização nos próprios sistemas sonoros, descentralizando o processamento e aumentando a complexidade dos sistemas acústicos. Diversas empresas e trabalhos acadêmicos apresentam soluções para mitigar as imperfeições de sistemas sonoros. Contudo poucos trabalhos apresentam uma plataforma flexível e de baixo custo capaz de implementar as correções em tempo real utilizando processadores digitais de sinais (DSPs). Este trabalho apresenta o projeto e o desenvolvimento de uma caixa acústica e de um sistema que combina filtros divisores de frequências (crossover) e equalizadores de áudio utilizando microprocessadores de baixo custo e alta capacidade de processamento de sinais. O trabalho apresenta uma descrição dos principais algoritmos e técnicas de equalização, dos tipos de caixa acústica e algumas recomendações encontradas na literatura para o seu projeto e caracterização. Além disso, são descritas as plataformas de desenvolvimento, em especial, o kit STM32F7 Discovery que possui núcleo ARM® Cortex®-M7. A metodologia de caracterização da resposta em frequência da caixa acústica com e sem equalização é descrita e os métodos para extração das principais características acústicas são detalhados. A caracterização acústica foi feita em uma sala pequena e com mobiliário, típico cenário encontrado em salas de apresentação e pequenos auditórios. Os resultados demonstram a viabilidade de desenvolvimento de equalizadores baseados em filtros inversos utilizando estruturas de filtros digitais FIR (Finite Impulse Response) e IIR (Infinite Impulse Response). Os equalizadores projetados garantiram variação máxima de magnitude de, aproximadamente, ±5 dB na banda de frequências entre 100 Hz e 20 kHz. Para as estruturas de filtros discretos propostos foram também avaliados os desempenhos em termos de tempo de execução do algoritmo crossover e equalizador. O melhor resultado foi obtido utilizado a estrutura IIR que possui tempo de execução de 1,6114 ms para a implementação proposta. Desta forma, o trabalho apresenta uma metodologia para o projeto de sistemas de equalização em tempo real além de demonstrar a viabilidade do uso do DSP proposto para aplicações em equalizadores embarcados.
Título em inglês
Equalization of sound systems based on inverse filtering: project methodology and real-time implementation in DSP hardware.
Palavras-chave em inglês
Audio equalization
Audio systems
Digital filters
Digital signal processing
Embedded systems
Resumo em inglês
Sound systems such as loudspeakers and sound equipment require corrections. To mitigate these effects, audio equalizers are applied to compensate harmonic distortions, nonlinearities from the systems, as well as to correct the effect of room acoustics. With the increased capacity of dedicated systems to perform digital signal processing in real-time, it becomes possible to embed digital filters and equalizers within the sound systems, decentralizing processing and increasing the complexity of acoustic systems. Several companies and academic papers present solutions to mitigate the imperfections of sound systems. However, few studies present a flexible and low-cost platform capable of implementing real-time corrections using digital signal processors (DSPs). This work presents the development of loudspeakers and a system that combines crossover filters and audio equalizers using low-cost microprocessors. The work also presents a description of the main algorithms and equalization techniques, types of loudspeakers as well as some recommendations found in the literature for their design and characterization. Besides, development platforms are described, in particular, the STM32F7 Discovery kit that has ARM® Cortex®-M7 core. The characterization methodology of the loudspeaker frequency response with and without equalization is described and the methods for extracting the main acoustic characteristics are detailed. The acoustic characterization was done in a small furnished room, the typical scenario found in presentation rooms and small auditoriums. The results demonstrate the feasibility of developing inverse filter-based equalizers using Finite Impulse Response (FIR) and Infinite Impulse Response (IIR) digital filter structures. The designed equalizers ensured maximum magnitude deviation of approximately ±5 dB in the frequency range between 100 Hz and 20 kHz. The performance in terms of the execution time of the crossover and equalizer algorithm was also evaluated for the proposed filter. The best result was obtained using the IIR structure which has an execution time of 1.6114 ms, which demonstrates the feasibility of using the proposed DSP for embedded equalization applications.
 
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Data de Publicação
2020-05-29
 
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