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Pedal multiefectos de guitarra eléctrica con núcleo DSP

Resumen

 

El proyecto pretende dar una idea general sobre la implementación de los principales efectos de audio y ecualizaciones digitales utilizadas en la música. Bajo unas bases teóricas, se han desarrollado y programado una serie de efectos y ecualizaciones en un procesador digital de señales o DSP que actúa como núcleo del pedal.

El sistema ha sido implementado en una caja de efectos donde el usuario puede interactuar con el pedal a través de distintos periféricos como botones o potenciómetros. Además, el dispositivo es capaz de representar por pantalla la información sobre el efecto y ecualización que están siendo procesados en ese momento.

El resultado del proyecto sirve de guía para el desarrollo de pedales multiefectos digitales basados en la programación de un DSP, y como implementación hardware para diseñar un prototipo manejable por el usuario y el desarrollo de un ecualizador gráfico.

 

Introducción

 

Hoy en día son muchas las ofertas existentes en cuanto a ecualizadores y cajas de efectos utilizadas en la música. Muchos guitarristas famosos construyen, mediante estos dispositivos, su sonido característico que perdurará en el paso de los años y que intentará ser copiado por muchos otros.

En este aspecto entra en juego las cajas de efectos, en las cuales el usuario puede experimentar hasta obtener el sonido deseado o imitar el tono de nuestro guitarrista preferido de la infancia. ¿El problema? Que un guitarrista aficionado no posee los medios económicos como para construir todo el equipo de efectos y ecualizados que haría falta para sacar el sonido de las grandes estrellas del rock and roll. ¿La alternativa? Las pedaleras multiefectos digitales.

Descripción del sistema

 

Basado en la programación de un Procesador Digital de Señales (DSP) el proyecto implementa hasta ocho efectos de audio y ocho ecualizaciones diferentes en tiempo real, pudiendo variar entre cada uno de ellos y seleccionando mediante los periféricos los parámetros que caracterizan los efectos.

El sistema es capaz de procesar la señal en tiempo real, aplicando un efecto y una ecualización en serie, ambas seleccionables por el usuario. Mediante los distintos periféricos, el usuario puede variar el volumen de salida de la señal de audio, el contraste de la pantalla LCD y seleccionar hasta cuatro ejemplos de efecto o presets. A su vez, el sistema representa por pantalla la información sobre el efecto y ecualizado que están siendo llevados a cabo en ese instante. Por último, el pedal funciona en true bypass. Esto quiere decir que el tono de la guitarra no se ve afectado cuando el pedal se encuentra apagado, pudiendo así colocar más pedales a la salida sin añadir ruido a la señal.

El esquema general del funcionamiento del sistema se divide en varias partes. El diseño del sistema true bypass se ha llevado a cabo mediante un pulsador de pie 3PDT Footswitch el cual es capaz de cortocircuitar la señal de salida a la entrada cuando el pulsador este apagado, o enviarla previamente al DSP para que realice el procesado y encender un diodo LED cuando este encendido.

El DSP, por su parte, realiza la lectura de los tres periféricos (pulsador de cambio de efecto, pulsador de cambio de ecualización y potenciómetro cambio de preset del efecto) y realiza el procesado atendiendo a los valores obtenidos en las medidas. La señal de salida del DSP es devuelta al pulsador de pie pasando previamente por el potenciómetro encargado de regular el volumen.

Por otro lado, el DSP envía la información a la placa Arduino sobre el procesado y ecualización que se están realizando mediante un protocolo de comunicación serie. Arduino controla la pantalla LCD según la información obtenida y realiza una lectura analógica sobre el estado del pedal, para verificar si se encuentra apagado o encendido. Esta medida se realiza sobre uno de los pines del pulsador de pie, que en caso de que el pulsador esté encendido Arduino tomará una medida de 0 Voltios y en si está apagado 3,3 Voltios.

 

Los efectos de audio

 

Se han implementado 8 efectos diferentes divididos en dos grupos: efectos basados en retardos temporales y efectos basados en modulación de la amplitud. Los primeros de ellos, se basan en la programación de una línea de retardo digital con realimentación, pudiendo variar entre los valores de la ganancia del lazo de realimentación y el nivel de retardo. Los retardos se han programado en el DSP mediante la implementación de un buffer circular y se han diseñado cuatro efectos atendiendo a los valores de los retardos: Reverb, Delay, Chorus y Flanger. Los dos últimos poseen un retardo variable controlado por un oscilador de baja frecuencia o LFO.

El segundo grupo corresponde a los efectos modulados en amplitud o de rango dinámico. En este tipo de efectos la implementación se ha llevado a cabo variando la amplitud de las señales de entrada. El primero de ellos es el trémolo que no es más que una modulación AM.

El segundo corresponde al Fuzz que es una distorsión delimitada por umbrales, y el tercero y último, el Valve-Tube Sound que simula el sonido de los viejos amplificadores a válvulas y limita la señal de entrada al aplicarle una función de transferencia polinómica.

De cada uno de los efectos anteriormente comentados se han programado cuatro presets diferentes sobre los que se puede ir cambiando a través del potenciómetro de cambio de preset de efecto.

 

El ecualizador gráfico

 

Las ecualizaciones se han diseñado mediante una interfaz gráfica programada en Matlab que implementa un ecualizador gráfico de seis bandas frecuenciales con ganancias y orden seleccionables.

Mediante este ecualizador se han diseñado las ocho ecualizaciones distintas implementadas en el DSP conforme a valores estándar utilizados en la música como ecualizaciones Rock, Techno, Bass Boost, etc.

Las ecualizaciones han sido implementadas por la disposición en paralelo de seis filtros FIR digitales. Un pasa baja, cuatro pasa bandas y un pasa alta, con unas especificaciones de diseño de -40 dB en la banda no pasante y unas ganancias seleccionables de entre +12 dB y -12 dB.

Filtro 1 (pasa baja) ® Frecuencia límite inferior: 250Hz.

Filtro 2 (pasa banda) ® Fs=250Hz; Fi=500Hz.

Filtro 3 (pasa banda) ® Fs=500Hz; Fi=1500Hz.

Filtro 4 (pasa banda) ® Fs= 500Hz; Fi=3000Hz.

Filtro 5 (pasa banda) ® Fs=3000Hz; Fi=6000Hz.

Filtro 6 (pasa alta) ® Frecuencia límite superior: 8000Hz.

La principal ventaja al tratarse de una disposición en paralelo de filtros FIR, es que la respuesta impulsional del sistema final puede tomarse como la suma de las respuestas impulsionales de cada uno de los filtros por su ganancia, por lo que la carga computacional será la misma independientemente al número de bandas frecuenciales que se implementen. De esta forma, solo se programarán posteriormente en el DSP los coeficientes resultantes de un único filtro final como suma de los coeficientes de cada uno de los filtros anteriores.

 

Conclusiones

 

Atendiendo a los resultados obtenidos, se puede concluir que el dispositivo es capaz de implementar de manera satisfactoria hasta ocho efectos y ocho ecualizaciones comúnmente utilizadas en la música. Además, el sistema implementa una serie de periféricos sobre los cuales el usuario puede personalizar los efectos y visualizar en pantalla la información.

La versatilidad del pedal es bastante amplia al poder diseñar y combinar distintas ecualizaciones y efectos y obtener, de esta forma, una gran cantidad de sonidos mediante el uso de una única caja de efectos implementando un DSP de bajo coste.



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