The following work presents a optimization proposal for a digital reverberation architecture applying multirate processing techniques over a reconfigurable platform. Reverberation is one of the acoustic effects that most occur in our lives. Although very common, this phenomenon is often imperceptible. It is noteworthy that the presence of reverberation has a paramount importance, particularly in the musical environment, since it adds sense of space to the recordings (or executions) of a particular song, making it sounds more natural. Due to this importance, the first artificial reverbs came much time before digital computers. These simulators were electro-acoustic devices that simulated the reverberation making use of springs or steel plates equipped with transducers. With the appearance of the first digital computers, digital signal processing techniques began to be used, leading to the first digital reverbs that simulate the reverberation using linear filters in discrete time. Considering the recent developments experienced in the configurable computing field, there is a natural tendency to research and develop acoustic systems based on such a platform. The multirate signal processing is characterized by changing the signal sampling frequency from the removal or addition of samples in the original input sequence. Depending on the application, changing the frequency of sampling can greatly reduce the algorithms and hardware complexity. As the reverb effect is based on digital delay lines which size is proportional to the sampling frequency, and, since multirate processing techniques allow the frequency reduction, is possible visualise the reduction in memory needed to implement the effect in question. In this sense, the architecture of digital reverb proposed by James A. Moorer was chosen as the basis for development and comparison. From the results of this work, it is highlighted the reduction in memory consumption by 50% compared to the reference architecture. Regarding the results compatibility, the proposed architecture presented a satisfactory response, being imperceptible the differences between the reference architecture and the proposed one. At last, it is emphasized that the proposed architecture can be used to build other audio effects based on time delays, which will benefit from the reduction in memory consumption afforded by the proposal. This considerable reduction in memory enables the proposed architecture utilization on a single low-cost chip and presents a new way to manage computational resources required by digital reverberators. / Este trabalho apresenta uma proposta de otimização para uma arquitetura de reverberação digital, empregando técnicas de processamento multitaxa sobre uma plataforma reconfigurável. A reverberação é um dos efeitos acústicos de maior ocorrência em nossa vida. Porém, apesar de muito comum, este fenômeno é muitas vezes imperceptível. Destaca-se que a presença de reverberação é de extrema importância particularmente no meio musical, pois ela adiciona senso de espaço às gravações (ou execuções) de determinada música, proporcionando assim uma maior naturalidade. Devido a esta importância, os primeiros reverberadores artificiais surgiram muito antes dos computadores digitais. Estes simuladores eram dispositivos eletro-acústicos que simulavam a reverberação fazendo uso de molas ou chapas de aço equipadas com transdutores. Com o surgimento dos primeiros computadores digitais, técnicas de processamento digital de sinais começaram a ser utilizadas, dando origem aos primeiros reverberadores digitais que simulavam a reverberação através do uso de filtros lineares em tempo discreto. Tendo em vista a recente evolução experimentada na área da computação configurável, surge uma tendência natural à pesquisa e desenvolvimento de sistemas acústicos baseados em tal plataforma. O processamento de sinais multitaxa se caracteriza pela mudança da freqüência de amostragem de um sinal, a partir da remoção ou adição de amostras na seqüência de entrada original. Dependendo da aplicação, a mudança da freqüência de amostragem pode reduzir consideravelmente a complexidade dos algoritmos e do hardware. Como o efeito de reverberação digital se baseia em linhas de atraso cujo tamanho é proporcional à freqüência de amostragem, e as técnicas de processamento multitaxa possibilitam a redução desta freqüência, visualiza-se então a redução da quantidade de memória necessária para a implementação do efeito em questão. Neste sentido, a arquitetura de reverberação digital proposta por James A. Moorer foi escolhida como base de desenvolvimento e comparação. Dos resultados obtidos neste trabalho, destaca-se a redução do consumo de memória em 50% em relação à arquitetura de referência. No tocante a compatibilidade de resultados, a arquitetura proposta apresentou uma resposta satisfatória, sendo imperceptíveis as diferenças entre a arquitetura de referência e a arquitetura proposta. Por fim, destaca-se que a arquitetura proposta pode ser utilizada na construção de outros efeitos de áudio baseados em atrasos de tempo, que se beneficiarão com a redução do consumo de memória proporcionada pela proposta em questão. Essa redução considerável de memória possibilita o emprego da arquitetura proposta em um chip único (single-chip) de baixo custo, e apresenta uma nova maneira de gerenciar os recursos computacionais exigidos pelos reverberadores digitais.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-10-17T17:02:25Z No. of bitstreams: 1 janisonrodriguesdecarvalho.pdf: 972575 bytes, checksum: 5fe994a5a38fc60a5d01453d58003d1c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-10-25T12:02:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 janisonrodriguesdecarvalho.pdf: 972575 bytes, checksum: 5fe994a5a38fc60a5d01453d58003d1c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-25T12:02:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 janisonrodriguesdecarvalho.pdf: 972575 bytes, checksum: 5fe994a5a38fc60a5d01453d58003d1c (MD5) Previous issue date: 2008-02-15 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta dissertação apresenta uma abordagem sobre a estimação de parâmetros de harmônicos/inter-harmônicos de sinais elétricos no cenário de freqüência variante. Como resultados, são obtidas duas novas metodologias, adequadas para o processamento de tais sinais. A primeira estrutura é baseada no erro de fase da Transformada Discreta de Fourier (DFT – Discrete Fourier Transform) para sinais com desvio de freqüência. Ela faz uso de filtros digitais para eliminação das oscilações dos resultados da DFT e estimação do desvio da freqüência do sinal. Com as equações de resposta em freqüência do filtro DFT são então realizadas as correções de amplitude e fase. A segunda estrutura, principal foco desta dissertação, é obtida com a associação de bancos de filtros e processamento multitaxa com ferramentas de estimação de parâmetros, neste caso os Phase-Locked Loop (PLL). Nesta estrutura, o banco de filtros é responsável pela decomposição do sinal analisado separando as componentes harmônicas. A utilização de dispositivos de diminuição de taxa, os downsamplers, possibilita que os PLLs possam realizar as estimações trabalhando com freqüência inferior à freqüência do estágio de filtragem. Para os harmônicos de alta ordem os parâmetros reais são obtidos, inclusive, a partir de sinais sub-amostrados, resultantes do processo de redução de taxa. A análise dos resultados obtidos com estas estruturas é realizada, sendo realizadas comparações com o desempenho do algoritmo tradicional STFT (Short-Time Fourier Transform), da DFT recursiva e de uma estrutura baseada em PLL encontrada na literatura. Com o intuito de implementação em tempo real em plataformas DSP (Digital Signal Processors) é realizado também o levantamento do esforço computacional aproximado, com comparações com os métodos já citados. / This dissertation discusses parameter estimation of harmonics/inter-harmonics of electrical signals under time-varying conditions. Two new suitable approaches for processing this kind of signals are proposed. The first one is based on phase error of DFT (Discrete Fourier Transform) result, occurring due to the frequency deviation of input signal. This method makes use of digital filters to prevent oscillations of DFT results, estimating the frequency with a simple linear equation. Magnitude and phase response of DFT filter are then used to provide correct estimations of amplitude and phase. The second one, the central focus of this work, is obtained from the association of a digital analysis filter bank and multirate processing with an estimation tool: the Phase-Locked Loop (PLL). The filter bank is responsible for decomposition of the analyzed signal, separating it in its harmonic components. Down-sampler devices follow the filter stage, resulting in an estimation stage working with reduced sampling rate. For high-order harmonics, parameters are estimated from signals obtained by undersampling operation. Simulations results are presented, comparing performance of proposed methods with performances of traditional STFT (ShortTime Fourier Transform) algorithm, DFT Recursive algorithm and PLL-based single rate structure found in literature. With the aim in a DSP-based platform implementation, approximated counts show the number of arithmetic operations of each method, pointing out the methods more suitable for this purpose.