Placa de desarrollo

Para el desarrollo de esta práctica hemos decidido utilizar la placa de desarrollo: XUP Virtex-II Pro Development System. Esta placa contiene la FPGA : Virtex-II Pro XC2VP30 que funciona a 100MHz, esta característica nos va a permitir que nuestro sistema sea capaz de modular señales a una mayor frecuencia. Otra característica que nos ha hecho decidirnos claramente por esta placa para el desarrollo de nuestro proyecto es el hecho de que contiene un bloque de audio (AC97 AUDIO CODEC) que nos va a ser de gran utilidad para la síntesis, permitiéndonos oir los sonidos que generemos, al igual que contiene un micrófono que nos va a permitir la modulación de voz.

Diagrama de flujo (Secuencia de Operaciones)

Este diagrama de flujo pretende complementar las especificaciones iniciales de nuestro sistema, describiendo la secuencia de operaciones que realizará nuestro sistema (sin entrar en su diseño o implementación).

Especificaciones iniciales

Introducción:
Este proyecto tiene como fin último el desarrollo de un sistema capaz de modular en frecuencia (FM) cualquier señal que introduzcamos a su entrada.

Especificaciones:
Hacer notar que algunas de las restricciones que se irán especificando van a depender de la placa de desarrollo y la fpga que se empleen.

Se pide diseñar un sistema digital totalmente síncrono, que trabaje con una señal de reloj global CLK de 50 MHz. Si es necesario utilizar otras señales de reloj de menor frecuencia, éstas se obtendrán a partir de la señal principal. El sistema debe ser optimizado para su implementación mediante FPGAs. La frecuencia de reloj ya supone una limitación física para nuestro circuito de modulación, puesto que sólo vamos a poder generar, como máximo, señales a una frecuencia que sea la mitad que la de reloj (Principio de Nyquist). Si tenemos en cuenta que la banda comercial de FM está comprendida entre 88 y 108 Mhz, vemos la imposibilidad de llegar a estas frecuencias.

Sin embargo, si imponemos que la entrada de nuestro modulador sea siempre de audio nos va a servir; el audio llega hasta los 20Khz, y considerando que para la modulación necesitamos una señal portadora que tenga una frecuencia bastante superior, podemos considerar que 20Mhz es suficiente. Además, en la síntesis de audio la limitación del reloj no es un problema puesto que se modula con frecuencias más bajas (las audibles).

El sistema tiene que contar con dos modos de funcionamiento: sintetizador FM monofónico de audio y modulador FM de una señal externa. Para esto, el circuito constará con una entrada de selección de modo y las siguiente entradas que serán utilizadas dependiendo del modo.

Modulador:

• Entrada de audio digital: entrada donde se introducirá la señal de audio muestreada que posteriormente será modulada (señal moduladora).
  
• Índice de modulación.
• Frecuencia central de salida: frecuencia de la señal portadora.

Sintetizador:

• Nota: entrada con la que seleccionaremos la nota que queremos reproducir. Serán 12bits cada uno de los cuales indicará que la tecla de una nota está pulsada. Estas notas tendrán prioridades unas frente a otras puesto que sólo se permitirá que suene una nota de cada vez (sera un sintetizador monofónico). En caso de que no haya ningún bit activo la salida será silencio, una señal con amplitud cero.
  
• Octava: entrada con la octava a la que pertenece la nota que queremos reproducir.
  
• Instrumento: entrada que nos permitirá seleccionar que instrumento vamos a sintetizar. Las distintas opciones de instrumentos que se podrán seleccionar se verán una vez diseñado el sistema, probando con diferentes parámetros.
  

Este sistema tendrá como única salida la señal de audio digital -señal ya modulada. Esta salida será convertida a una señal analógica con un convertidor digital-analógico que nos permitirá introducir dicha señal a un osciloscopio o bien a un altavoz.

Profundizando en la síntesis FM

Como continuación al último post, aquí incluímos unas cuantas referencias que nos han parecido de gran interés para tratar el tema de la síntesis de audio:

• Articulo Original de 1973 sobre la síntesis FM por Chowning
  
• Transparencias sobre Sintesis FM de la Simon Fraser University
• Basic Frequency Modulation Synthesis technique
• Escuchando Turenas de John Chowning

Destacar que todos estos enlaces hacen referencia a los hallazgos originales del creador de la síntesis FM, John M. Chowning, y por ello hemos creído muy importante el consultar directamente la fuente, viendo el artículo original de 1973, donde encontramos la implementacion de los distintos instrumentos que tenemos intención de desarrollar y una explicacion bastante clara de como funciona.

Centrarnos en el sintetizador

En posts anteriores hemos mencionado nuestro gran interés en este proyecto y sobretodo que nos parecía muy interesante la síntesis musical (ampliación propuesta). Por dicha razón y con previo conocimiento del profesor de la asignatura, tomamos la decisión de centrarnos en el desarrollo de un sintentizador. Hacer notar que esta decisión, no afecta al modulador de fm -objetivo principal de la práctica- y es más, nuestra intención es la de hacer el modulador genérico de forma que podamos introducir a su entrada cualquier tipo de señal.

Para poder centrarnos en la mayor profundidad en la síntensis musical decidimos usar, inicialmente, el DDS (IPCore de Xilinx) que nos facilitará el desarrollo del modulador.

Con esta nueva perspectiva para el desarrollo del proyecto, nos ponemos el objetivo de recopilar más información de la síntesis musical y desarrollar las especificaciones de la práctica, las cuales serán publicadas en los próximos días.

Primeras Indagaciones

A lo largo de toda esta semana hemos ido recopilando información sobre el proyecto planteado (principalmente de Internet, pero también de algún libro). Aquí mostramos los resultados de la búsqueda que nos parecieron más interesantes (y esperemos útiles):

En primer lugar, consultando apuntes de otras asignaturas, así como el Communication Systems de Bruce Carlson et al, establecimos una idea general de en que consistia la FM y sobre todo de que parametros se veian implicados en ella. Esto queda plasmado en diversas hojas de notas, que no vamos a replicar aquí, así que recomendamos al lector eche un vistazo -nosotros también lo echamos- a la Wikipedia (Una introducción a la modulación en frecuencia). Un poco más centrados en el asunto encontramos un par de enlaces interesantes más enfocados a la aplicación en concreto que deseamos hacer:

• Ideas para la implementación del modulador en la FPGA
• Interesante artículo sobre la implementación de un modulador FM en una FPGA

A partir de estas y otras fuentes, dedujimos que probablemente necesitemos implementar un VCO digital (un NCO - numeric controlled oscillator). Nos encontramos ante dos opciones: el implementarlo directamente (se reduce a un problema de síntesis de ondas senoidales, de la cual encontramos algunas pistas en diversos foros, webs y grupos de noticias) o bien usar un IPCore (en nuestro caso encontramos el DDS 5.0 de Xilinx). Estuvimos echando un vistazo a la documentacion sobre el DDS (Direct Digital Synthesizer) y nos puede resultar muy útil, ya que nos sirve para generar onda senoidales y como NCO, aunque tendremos que estudiar bien la forma de ponerle los parámetros para que se ajusten a los de la modulación.

También nos hemos ido informando acerca de la ampliación de hacer un sintetizador, y sobre ello hay una gran cantidad de información y hemos seleccionado los siguientes links:

• Digital Sound Synthesis using FM
• Análisis de varios instrumentos FM
• Una introducción a la síntesis FM

Suponemos que a medida que avancemos en el proyecto, necesitaremos más recursos como estos, y los iremos mencionando en este blog.

¿Por qué un Modulador de FM?

Son varias las razones que nos han llevado a elegir este proyecto entre todos los que se nos ofertaban:

• Es una aplicación real y útil.
• Permite la aplicación de conceptos de otras ramas.
• Sobre todo, nos interesan las ampliaciones que se pueden realizar sobre el modulador de FM, en especial la síntesis musical.

Presentación

Hola, somos Fernando Fernández-Valdés y Víctor J. Calvo, alumnos de la ETSI Telecomunicación de la Universidad de Vigo. El presente blog sirve como documentación (y diario) de nuestro proyecto realizado para la asignatura Laboratorio de Sistemas Digitales Programables 2. La idea inicial consiste en implementar en una FPGA un sistema modulador de FM (frecuencia modulada).