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Effiziente Abbildung von Audio-Algorithmen in Programmierbarer Logik und ASICs

Rock ’n’ Roll im FPGA

19. September 2007, 14:03 Uhr | Philipp Jacobsohn

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Applikationsbeispiel: Sample-Rate-Konvertierung

Als Praxisbeispiel dient ein Sample-Rate-Konverter (Bild 1) für Audiofrequenzen, denn mit dessen Hilfe kann eine beliebige niederfrequente Taktrate in eine beliebige andere Frequenz umgesetzt werden. Solche Konverter sind immer dann notwendig, wenn Signale mit unterschiedlichen Abtastraten zur Verfügung stehen. Im Bereich der Bildverarbeitung verwenden z.B. europäische und amerikanische TV-Signale eine unterschiedliche Anzahl von Übertragungsrahmen (Frames) pro Sekunde. Sollen Daten in das jeweils andere Format konvertiert werden, reicht ein Abspielen der Quelldaten mit der neuen Abtastrate nicht aus. Die zugehörigen Audiodaten, aber auch die Abfolge der Videosequenzen, würden nicht synchron ablaufen. Eine Konvertierung der Sample-Rate ist zwingend notwendig.

Bei der Verarbeitung von Audiosignalen werden üblicherweise Sample-Frequenzen von 44,1 kHz, 48 kHz oder auch 96 kHz und 192 kHz genutzt. Die Abtastrate von 44,1 kHz wird für CDs verwendet. Im professionellen Bereich indes werden Signale mit einer Sample-Frequenz von 48 kHz auf Digital Audio Tapes (DAT) aufgenommen. Bei einer Konvertierung ist darauf zu achten, dass die Signalintegrität zwischen 0 und 20 kHz gewahrt bleibt. Die Informationen, die das Signal enthält, sollen bei der Konvertierung geringstmöglich verändert werden, um einen Qualitätsverlust zu begrenzen.

Die Implementierung des Sample-Rate-Konverters für Audiofrequenzen zeigt dementsprechend im FPGA gleich zwei Problematiken auf.

Die algorithmische Problematik:
- möglichst hoher Signalpegel im Verhältnis zu Störsignalen (Signal-to-Noise Ratio),
- möglichst geringe Veränderungen jener Informationen, welche das Originalsignal überträgt,
- effiziente Beschreibung des Algorithmus
- aus der Qualität der Beschreibung resultiert die Ressourcenauslastung im FPGA,
- Quantisierung.
Die Problematik der Umsetzung:
- logisch korrekte Umsetzung des Algorithmus,
- Platzbedarf,
- geschwindigkeitsoptimierte Abbildung,
- Latenz.

Um eine solche Konvertierung durchführen zu können, muss eine hohe Taktfrequenz zur Verfügung stehen, da die Umsetzung ein entsprechendes Oversampling bedingt. Der Unterschied der FPGA-Systemfrequenz und der zu konvertierenden Frequenzen muss entsprechend hoch sein. Bei Audiosignalen in CD-Qualität muss weiterhin sichergestellt sein, dass das Verhältnis zwischen Signal und Störfrequenzen/Rauschen (Signal-to-Noise) entsprechend groß ist (> 100 dB). Audiosignale in professionellen Anwendungen müssen sogar noch weit höheren Ansprüchen genügen (> 120 dB). Die Signalverarbeitung anderer niedrigfrequenter Signale (z.B. Algorithmen in der Steuerungsund Regelungselektronik) stellt wesentlich geringere Anforderungen an die Signalqualität als die Verarbeitung von Audiosignalen.