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.

[pt] Muitas das atuais técnicas de simulação de redes elétricas de potência são baseadas em plataformas computacionais do tipo EMTP. Basicamente, este método de simulação transforma os componentes elétricos a parâmetros concentrados e a topologia da rede em um procedimento matemático recursivo. Para cada nova iteração, a solução da rede é estimada como uma função de estados prévios e valores de entrada atuais. Passos de integração pequenos geram soluções precisas por estender a banda de freqüências representada. No entanto, isto também aumenta a carga computacional limitando o tamanho da rede, a faixa de freqüência ou afetando o tempo de resposta do processo. Esta situação conflitante tem sido atacada por vários pesquisadores, muitos procurando formas alternativas de aumentar o passo de integração. Este trabalho introduz um novo método para simulação de redes elétricas lineares. Mesmo baseando nas técnicas utilizadas no EMTP, o método leva a um conjunto diferente de equações convenientes para conjugar com técnicas de filtragem digital multitaxa. O resultado final é a decomposição de sinais e da rede em sub-bandas de freqüências. Cada uma das simulações em sub-bandas da rede elétrica é feita com um passo de integração máximo, sempre representando carga computacional mínima. Além disso, o procedimento permite uma estimativa on-line se uma saída de sub-banda tem contribuição irrelevante ao resultado final da simulação, suspendendo o correspondente módulo de operação e, consequentemente, reduzindo a carga computacional. Como resultado, tem-se um simulador capaz de adaptar a complexidade do modelo de acordo com os dados da simulação.Modelos de linhas de transmissão a parâmetros distribuídos são introduzidos, conectados ao modelo da rede a parâmetros concentrados. Um método de computação específica é desenvolvido para uma operação global do sistema.Casos ilustrativos são incluídos mostrando a eficiência do simulador proposto em comparação com técnicas tradicionais. / [en] Most of present day electric power network simulation techniques are based on computational platforms of the EMTP type. Basically, following this approach, the simulation method transforms the electric lumped components and the network topology into a recursive mathematical procedure. For each new integration step the network solution is evaluated as a function of previous state and present input values. Small integration steps increase solution accuracy, by extending the frequency band. However, this also increases computational requirements, limiting network size, frequency bandwidth or affecting the procedure response time. This conflicting situation hes been attacked by many researchers, mostly looking for different forms of increasing the integration step.This work introduces a new approach to linear electric network simulation. Although closely following the EMTP basic techniques, the method leads to a different set of equations, more convenient to conjugate with multirate digital filtering techniques. The final result is the decomposition of signal and network models into subbands of frequencies. Each of the network subband simulations is performed with maximum integration time step, always representing minimum computational burden. Moreover, the procedure allows to on-line estimate if a particular subband model output has negligible contribution to the final simulation result. While this situation remains, the corresponding module operation is suspended, reducing the computational load. As a result, the simulator is able to adapt its model complexity, on line, according to the simulation requirements. Distributed transmission line models are introduced, connected to the lumped network parameter models. A specific computational procedure is shown to operate the overall system.Illustrative cases are included, supporting the simulator proposed efficiency when compared to conventional procedures.

[pt] Esta pesquisa propõe a implementação de um simulador para investigar o comportamento dinâmico dos sistemas elétricos de potência e a sua estabilidade. É introduzida uma nova abordagem para simulação de redes elétricas lineares, que segue as técnicas básicas e os modelos utilizados no EMTP (simulador tradicional), porém levando vantagem ao utilizar propriedades de filtragem digital multitaxa. O simulador proposto decompõe o sinal e a rede em sub-bandas de freqüência, cada uma delas operada independentemente, o que torna o processo bastante interessante para a implementação utilizando processamento em paralelo. O passo de integração nas simulações das sub-bandas é sempre maximizado, reduzindo a carga computacional. A simulação permite a detecção em tempo real de sub-bandas que poderiam ser momentaneamente desconectadas, sem perda de precisão no resultado final. Este comportamento adaptativo aumenta a eficiência do simulador, ajustando a complexidade do modelo de acordo com os requisitos da simulação. / [en] This work proposes the implementation of a simulator to investigate the dynamic behavior and the stability of electric power systems. A new approach to linear electric network simulation is introduced, closely following the EMTP basic techniques and models, but taking advantage of multirate digital filter properties. The final simulator decomposes signals and network models into subbands of frequencies, each of them independently operated, allowing parallel processing The integration time step in the subband simulations is always maximized, reducing computational burden. The simulation permits online detection of subbands that could be momentarily disconnected with negligible loss of accuracy in the final result. This adaptive feature further improves efficiency, adjusting the network model complexity, according to the simulation requirements.

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