DSP Core E-Gitarren-Multieffektpedal

Zusammenfassung

Das Projekt zielt darauf ab, einen allgemeinen Überblick über die Implementierung der wichtigsten Audioeffekte und digitalen Entzerrungen zu geben, die in der Musik verwendet werden. Unter einigen theoretischen Grundlagen wurde eine Reihe von Effekten und Entzerrungen entwickelt und in einem digitalen Signalprozessor oder DSP programmiert, der als Kern des Pedals fungiert.

Das System wurde in einer Effektbox implementiert, in der der Benutzer über verschiedene Peripheriegeräte wie Tasten oder Potentiometer mit dem Pedal interagieren kann. Darüber hinaus ist das Gerät in der Lage, auf dem Bildschirm die Informationen über den Effekt und die Entzerrung anzuzeigen, die gerade verarbeitet werden.

Das Ergebnis des Projekts dient als Leitfaden für die Entwicklung digitaler Multieffektpedale auf Basis der Programmierung eines DSPs sowie als Hardwareimplementierung zum Entwurf eines benutzerfreundlichen Prototypen und der Entwicklung eines grafischen Equalizers.

Einführung

Heutzutage gibt es viele bestehende Angebote in Bezug auf Equalizer und Effektboxen, die in der Musik verwendet werden. Viele berühmte Gitarristen bauen mit diesen Geräten ihren charakteristischen Sound auf, der über die Jahre Bestand haben wird und der versuchen wird, von vielen anderen kopiert zu werden.

In diesem Aspekt kommen die Effektboxen ins Spiel, in denen der Benutzer experimentieren kann, bis er den gewünschten Sound erhält oder den Ton unseres Lieblingsgitarristen aus der Kindheit imitiert. Das Problem? Dass ein Amateur-Gitarrist nicht die finanziellen Mittel hat, um all das Equipment an Effekten und Equalizern zu bauen, das nötig wäre, um den Sound der großen Rock'n'Roll-Stars zu erreichen. Die Alternative? Digitale Multieffekt-Pedalboards.

Systemübersicht

Basierend auf der Programmierung eines digitalen Signalprozessors (DSP) implementiert das Projekt bis zu acht Audioeffekte und acht verschiedene Entzerrungen in Echtzeit, wobei zwischen jedem von ihnen variiert und die Parameter ausgewählt werden können, die die Effekte über die Peripherie charakterisieren.

Das System ist in der Lage, das Signal in Echtzeit zu verarbeiten und einen Effekt und eine Entzerrung in Serie anzuwenden, die beide vom Benutzer ausgewählt werden können. Über die verschiedenen Peripheriegeräte kann der Benutzer die Ausgangslautstärke des Audiosignals, den Kontrast des LCD-Bildschirms variieren und bis zu vier Effektbeispiele oder Voreinstellungen auswählen. Das System wiederum stellt auf dem Bildschirm die Informationen über den Effekt und die Entzerrung dar, die gerade ausgeführt werden. Schließlich arbeitet das Pedal im True Bypass. Dies bedeutet, dass der Ton der Gitarre nicht beeinflusst wird, wenn das Pedal ausgeschaltet wird, sodass mehr Pedale am Ausgang platziert werden können, ohne das Signal mit Rauschen zu versehen.

Das allgemeine Schema des Betriebs des Systems ist in mehrere Teile unterteilt. Das Design des True-Bypass-Systems wurde mit einem 3PDT-Fußschalter ausgeführt, der das Ausgangssignal mit dem Eingang kurzschließen kann, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, oder es zuvor an den DSP sendet, um die Verarbeitung durchzuführen und eine LED einzuschalten Diode wenn eingeschaltet.

Der DSP seinerseits liest die drei Peripheriegeräte (Effektwechseltaste, Entzerrungswechseltaste und Effektvoreinstellungswechselpotentiometer) und führt die Verarbeitung gemäß den in den Messungen erhaltenen Werten durch. Das DSP-Ausgangssignal wird zum Fußschalter zurückgeführt und passiert zuvor das für die Lautstärkeregelung zuständige Potentiometer.

Andererseits sendet der DSP die Informationen über die Verarbeitung und Entzerrung, die über ein serielles Kommunikationsprotokoll durchgeführt werden, an das Arduino-Board. Arduino steuert den LCD-Bildschirm gemäß den erhaltenen Informationen und führt eine analoge Ablesung des Zustands des Pedals durch, um zu überprüfen, ob es ein- oder ausgeschaltet ist. Diese Messung erfolgt an einem der Pins des Fußschalters, der bei eingeschaltetem Schalter 0 Volt und bei ausgeschaltetem Arduino 3,3 Volt misst.

Audioeffekte

Es wurden 8 verschiedene Effekte implementiert, die in zwei Gruppen unterteilt sind: Effekte basierend auf Zeitverzögerungen und Effekte basierend auf Amplitudenmodulation. Die ersten basieren auf der Programmierung einer digitalen Verzögerungsleitung mit Rückkopplung, die zwischen den Werten der Verstärkung der Rückkopplungsschleife und dem Verzögerungspegel variieren kann. Die Verzögerungen wurden im DSP durch die Implementierung eines kreisförmigen Puffers programmiert und vier Effekte wurden entsprechend den Verzögerungswerten entworfen: Reverb, Delay, Chorus und Flanger. Die letzten beiden haben eine variable Verzögerung, die von einem Niederfrequenzoszillator oder LFO gesteuert wird.

Die zweite Gruppe entspricht amplitudenmodulierten oder dynamischen Bereichseffekten. Bei dieser Art von Effekten wurde die Implementierung durch Variieren der Amplitude der Eingangssignale durchgeführt. Das erste ist das Tremolo, das nichts anderes als eine AM-Modulation ist.

Der zweite entspricht dem Fuzz, einer durch Schwellenwerte begrenzten Verzerrung, und der dritte und letzte dem Valve-Tube-Sound, der den Sound alter Röhrenverstärker simuliert und das Eingangssignal durch Anwendung einer polynomischen Übertragungsfunktion begrenzt.

Für jeden der oben genannten Effekte wurden vier verschiedene Presets programmiert, die über das Effekt-Preset-Change-Potentiometer geändert werden können.

grafischer Equalizer

Die Entzerrungen wurden unter Verwendung einer in Matlab programmierten grafischen Schnittstelle entwickelt, die einen grafischen Equalizer mit sechs Frequenzbändern mit wählbarer Verstärkung und Ordnung implementiert.

Durch diesen Equalizer wurden die acht verschiedenen im DSP implementierten Entzerrungen nach Standardwerten entworfen, die in Musik wie Rock, Techno, Bass Boost usw. verwendet werden.

Die Entzerrungen wurden durch die Parallelschaltung von sechs digitalen FIR-Filtern realisiert. Ein Tiefpass, vier Bandpässe und ein Hochpass mit Designspezifikationen von -40 dB im Nichtpassband und wählbaren Verstärkungen zwischen +12 dB und -12 dB.

Filter 1 (Tiefpass) ® Untere Grenzfrequenz: 250Hz.

Filter 2 (Bandpass) ® Fs=250Hz; Phi=500Hz.

Filter 3 (Bandpass) ® Fs=500Hz; Phi=1500Hz.

Filter 4 (Bandpass) ® Fs= 500Hz; Phi=3000Hz.

Filter 5 (Bandpass) ® Fs=3000Hz; Phi=6000Hz.

Filter 6 (Hochpass) ® Obere Grenzfrequenz: 8000Hz.

Der Hauptvorteil einer parallelen Anordnung von FIR-Filtern besteht darin, dass die Impulsantwort des endgültigen Systems als Summe der Impulsantworten jedes einzelnen Filters multipliziert mit ihrer Verstärkung genommen werden kann, sodass die Rechenlast dieselbe ist. unabhängig von der Anzahl der implementierten Frequenzbänder. Auf diese Weise werden nur die aus einem einzelnen Endfilter resultierenden Koeffizienten anschließend in den DSP als Summe der Koeffizienten jedes der vorherigen Filter programmiert.

Schlussfolgerungen

Anhand der erzielten Ergebnisse kann geschlussfolgert werden, dass das Gerät in der Lage ist, bis zu acht Effekte und acht in der Musik übliche Entzerrungen zufriedenstellend umzusetzen. Darüber hinaus implementiert das System eine Reihe von Peripheriegeräten, auf denen der Benutzer die Effekte anpassen und die Informationen auf dem Bildschirm anzeigen kann.

Die Vielseitigkeit des Pedals ist ziemlich groß, da es möglich ist, verschiedene Entzerrungen und Effekte zu entwerfen und zu kombinieren und so eine große Anzahl von Sounds durch die Verwendung einer einzigen Effektbox zu erhalten, die einen kostengünstigen DSP implementiert.