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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP EV-Board mit Texas Instruments DSP für Abschlussarbeit


Autor: Michael B. (sausemichel)
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Hallo allerseits,
für meine Abschlussarbeit benötige ich eine DSP-Plattform für 
Audiosignalverarbeitung. Der Algorithmus, den ich Implementieren möchte 
ist relativ rechenaufwändig und hat einen großen Speicherbedarf.

Wunschanforderungen:
2 GByte RAM
3 MByte intern im DSP
250.000.000 Festkomma-MACs/Sekunde mit 64 bit breitem Akkumulator, oder
250.000.000 Gleitkomma-MACs/Sekunde mit 32 bit breitem Akkumulator
6 Ein- und 2 Ausgänge (I²S oder SPDIF oder Analog(24bit))
UART-Schnittstelle

Das größte Problem ist wahrscheinlich nicht die Rechenleistung, sondern 
der rieseige RAM. Falls jemand eine Idee hat, wie ich anderweitig 500 
MByte/s z.B. von einem RaspberrsPi oder einem Flash-Speicher in den DSP 
bekomme, könnte ich auf den externen RAM verzichten (die meisten Daten 
im RAM werden nicht verändert, sondern nur regelmäßig ausgelesen).

Mindestanforderungen:
16 MByte RAM
375 kByte intern
25 MMACs/s

Da wirds dann aber schon sehr unimposant. Darunter geht echt garnix.

Habt ihr Empfehlungen, welches Board vo TI man da kaufen kann? Im Moment 
habe ich hier eines von Analog Devices vor mir, komme aber in keinster 
Weise mit der Entwicklungsumgebung zurecht.
Wirklich in garkeiner Weise.

Achso, da ich das Ding wohl privat finanzieren muss und echt pleite bin, 
sollte es nicht so megateuer sein. Eine Debug-Möglichkeit brauche ich 
nicht unbedingt.

Dankeschöööööön!

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Wie waer's mit einem stinknormalen PC und vielleicht noch ein..zwei 
Soundkarten oder USB Gedoens? Billiger wirstes wohl nicht kriegen.

Gruss
WK

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
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Bandbreite zum RAM?  Schon mal über einen FPGA nachgedacht? Wenn es von 
der Bandbreite und Latenz noch im PC reicht, wäre CUDA die erste Wahl.

Wenn die Kanäle getrennt bearbeitet werden, dann währen mehrere kleine 
DSPs das Billigste.

Autor: Michael B. (sausemichel)
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Danke euch beiden für die schnelle Antwort!

Ein PC ist leider ungeeignet, da ich sehr kurze Latenzen einhalten muss.


Man kann es sich vereinfacht so vorstellen, als würde ein durchgehendes 
Audiosignal durch einen FIR-Filter gejagt. Dieser FIR-Filter wechselt 
ständig seinen Filterkern. Die Filterkerne sind so gestaltet, dass sie 
das Ursprungssignal nicht nennenswert verzögern, aber einen Nachhall 
erzeugen (Faltungshall). geschieht das Wechseln dieser Filterkerne mit 
größerer Latenz, als die Abarbeitung des FIR-Filters, stellt dies 
zunächst kein größeres Problem dar. Es verringert die Qualität des 
späteren Klangerlebnisses, aber der Algorithmus bleibt lauffähig. Die 
verschiedenen Filterkerne liegen im RAM und werden dann nur geladen.
Ein Satz von Filterkernen (für alle Kanäle) ist etwa 2,2 MB groß und 
sollte für ein optimales Ergebnis etwa 200 mal pro Sekunde gewechselt 
werden (-->440MB/s). Wird seltener geladen, leidet die Qualität des 
Ausgangssignals.

Theoretisch wäre es also auch möglich, die Filterkerne von einem kleinen 
PC bereit zu halten und (asynchron zum Sampletakt der Audiosignale) zum 
DSP zu schicken. Da wüsste ich aber nicht, mit welcher Schnittstelle man 
das machen könnte.

Leider werden die Kanäle mehrfach durch den Algorithmus "vernetzt" 
weshalb eine einzelne Verarbeitung und Verteilung auf mehrere DSPs die 
Rechenleistung massiv erhöhen würde.

Durch Runterschrauben der Anzahl von Eingangskanälen, der Samplingrate, 
erreichbarer Nachhallzeiten und Komprimierung der Filterkerne kann man 
eben noch einiges einsparen und landet dann irgendwann bei den 
Mindestanforderungen.

Autor: Johannes O. (jojo_2)
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Ich befürchte fast, dass ich dir erst mal einen kleinen Dämpfer 
versetzen muss. Irgendwas ist hier faul bzw. würde ich diese Arbeit 
nicht annehmen.
Warum musst du das Material aus eigener Tasche bezahlen? Du bist doch 
bestimmt an einer Uni, Institut, Unternehmen, die dir die technische 
Ausrüstung bereitstellen können?


Die Aufgabe halte ich insgesamt für sehr anspruchsvoll.
Ich würde diese Aufgabe übrigens auf einem FPGA lösen. Speicher müsste 
man extern anbinden, ist technisch aber möglich.
PC könnte, wie schon von dir befürchtet, von der Latenz her kritisch 
werden bzw. nicht deterministisch genug (außer du willst auch noch viel 
Spaß mit Linux-Realtime Entwicklung haben).

Allerdings wird das alles nicht total billig werden. Und obs das von TI 
gibt weiß ich auch nicht direkt.
Zumindest die größeren/bekannteren FPGA Hersteller (Xilinx, Altera, 
etc.) haben durchaus FPGAs mit (optional) externem RAM und intern massig 
DSP-Einheiten.

Autor: Martin S. (strubi)
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Moin,

das was du willst, gibt's nicht. Ich hätte sonst ein BF548-EZKIT mit SSD 
vorgeschlagen, aber wenn du schon mit dem ADI SDK nicht klarkommst (ok, 
VDSP++ mag peinsam sein), ist das wohl für die Füchse. Mit keinem der 
üblichen non-PC-Systeme schaffst du 500 MByte/s Durchsatz bei dem 
Addressierungsraum. Da solltest du wohl noch mal über die Bücher. 
Irgendwie macht dein brute-force-Ansatz so keinen Sinn...
Und dass die Lehrstühle keine Plattformen stellen/vorgeben, klingt in 
der Tat sehr merkwürdig.

Autor: Jürgen S. (engineer) Benutzerseite
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Michael B. schrieb:

> Man kann es sich vereinfacht so vorstellen, als würde ein durchgehendes
> Audiosignal durch einen FIR-Filter gejagt. Dieser FIR-Filter wechselt
> ständig seinen Filterkern.
Im FPGA geht das sogar während des Prozessierens einer Samplegruppe. 
In der Regel geschieht das ja allerdings nach einer Samplegruppe von 
daher braucht man nur die Quelle der Koeffizienten umschalten und das 
geht in jedem DSP. Man muss einfach auf den passenden Speicherbereich 
zugreifen.

> das Ursprungssignal nicht nennenswert verzögern, aber einen Nachhall
> erzeugen (Faltungshall).
Wieder mal Faltungshall :-) Das ist eigentlich schon seit 10 Jahren 
wieder "out", weil man gemerkt hat, daß reale Hallszenarien sich nicht 
gut mit real aufgenommenem Material verträgt, weil dieses schon 
Reflektionen enthält.

> Ein Satz von Filterkernen (für alle Kanäle) ist etwa 2,2 MB groß und
> sollte für ein optimales Ergebnis etwa 200 mal pro Sekunde gewechselt
> werden (-->440MB/s).
Was soll das werden? Dynamische Parameterwechsel?

Wenn ein Faltungshall wirklich das liefern soll, was in den 
Koeffizienten drin steckt, müsste man wenigstens 60ms prozessieren, 
damit das Ohr die entsprechenden Erstreflektionen auch korrekt auffassen 
kann. Richtiger Hall braucht darüber hinaus einige Sekunden an Laufzeit 
mit konstanten Verhältnissen (egal womit man es rechnet) ansonsten 
entstehen zufällige Reflektionen, die in keiner Beziehung zu einander 
stehen und einen völlig chaotischen Eindruck bringen.

Der Zufallshall klingt zwar sehr interessant, erfordert aber sehr 
dedizierte prägnante Echos, um mit typischem Audiomaterial auszukommen 
und die kann man mit einfacher Synthese durch Verzögerung besser 
erzielen und dann hat dann nicht das Problem der Konvolution und der 
Fensterproblematik.

Das Thema wurde damals in der Surround-Sound-Tonmeister-Gruppe 
diskutiert. Dort hatte damals auch EBS genau dazu Stellung genommen, 
die Effekte verdeutlicht und konkret auf einen Lexicon hingewiesen, der 
damit arbeitet.

So richtig gut funktioniert Hall immer nur mit trockenen Signalen, weil 
Hall auf Hall unkontrollierte Echos generiert und der 
Soundprozessorentwickler ja den Primärhall nicht kennt. Daher ist das in 
den Consumer-Anlagen immer eine Spielerei. In der Produktion stellt man 
das letztlich auch nach Gehör und Wunsch ein und kann das Ergebnis 
kontrollieren, heute noch umsomehr, als das oft verhallte Samples 
verwendet werden, insbesondere bei Orchester- und Filmmusikproduktionen. 
Dort nutzt man Faltungshall allerhöchstens auf Einzelstimmen.

Nur, wenn man Sounds generisch erzeugt, lohnen aufwändige und komplexe 
Effekte, da muss man aber sehr viel früher dran, als an die spätere 
Stereosumme. Ich habe da ja auch so meine Experimente hinter mir 
(Samplitude konnte das schon in der ersten Version, die wir in den 
spätern 90ern benutzt hatten) - später habe Ich das auch mal in einem 
FPGA gemacht, wo man sehr einfach falten kann - bin aber letztlich bei 
dem hier angelangt:

http://www.96khz.org/htm/dynamicreverb.htm

Autor: Dergute W. (derguteweka)
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Moin,

Michael B. schrieb:
> Ein PC ist leider ungeeignet, da ich sehr kurze Latenzen einhalten muss.

Ich hab' nicht gesagt: Ein PC mit Betriebssystem, graphischer 
Oberflaeche, 42 Audio-Frameworks und -servern und Matlab/Simulink drauf.

Aber ich bin mir sicher, dass du fuer das Geld, wo du heute einen PC von 
der Stange kriegst, nichts vergleichbares an Evalboards mit DSPs 
bekommst, was irgendwie in die Naehe deiner Rechen- und 
Speicheranforderungen kommt. Klar kannste irgendwelche FPGA-Boards fuer 
4/8k Videogedoense hernehmen. Aber die werden tariflich sicher deutlich 
ueber irgendeinem Feldwaldwiesen-PC mit 'nem RAMRiegel und Audiokarte 
extra liegen.

Wie sinnvoll das ueberhaupt ist und wie sinnvoll es ist, sowas als 
Abschlussarbeit zu machen, steht nochmal auf einem gaaanz anderen Blatt 
(Geheimtipp: Ich wuerd's nicht machen).

Gruss
WK

Autor: Michael B. (sausemichel)
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Es ist echt cool, mal mit kompetenten Leuten zu diskutieren! Das macht 
ja richtig Spaß hier mit euch. Ich hätte nicht gedacht, dass sich 
irgendjemand inhaltlich dafür interessiert, was ich mache. Danke!

Leider kann ich euch noch nichts Genaueres erzählen. Aber ich kann 
Jürgen in so fern beruhigen, dass es sich nicht um den Faltungshall im 
eigentlichen Sinne handelt (aber sehr ähnlich). Ich freue mich schon 
jetzt darauf, wenn ich vorstellen kann, worum es sich handelt.

Das Thema habe ich mir selbst ausgedacht. Mir ist klar, dass es recht 
anspruchsvoll ist, aber ich habe echt einen Riesenspaß daran. Und 
eigentlich geht es auch vorrangig um die Mathematik dahinter. Von der 
Aufgabenstellung her müssen nur kleine Teile des Algorithmus --zum 
Nachweis der Funktion-- implementiert werden, wofür der DSP, der mir zur 
Verfügung gestellt wurde ausreicht. Ich würde nur gerne nebenher das 
ganze auch in einer höheren Ausbaustufe Implementieren, weil es wirklich 
ein wahnsinnig abgefahrener Effekt ist.

Meine Betreuer im Fachgebiet sind total goldig und unterstützen mich 
ganz reizend. Nur haben sie mit dem CrossCore-Studio von ADI auch so 
ihre Schwierigkeiten und andere DSPs haben wir hier nicht.

An einen FPGA habe ich auch schon gedacht (damit habe ich in meiner 
Bachelorarbeit gearbeitet). Aber zum einen finde ich, dass das ein 
bischen mit Kanonen auf Spatzen geschossen ist, da ich wirklich zu 95% 
MAC-Befehle ausführen muss und zum Anderen denke ich, dass ich nochmal 
Platinen layouten muüsste, um die passenden Audio Schnittstellen an den 
FPGA zu bekommen. Aber stimmt schon: Auf einem FPGA ließe sich mein 
Projekt auch ganz vorzüglich umsetzen.

Naja, im Moment überlegen wir, ein ADZS-SC584-EZLITE zu besorgen:
http://www.analog.com/en/design-center/evaluation-...
Das hört sich von den technischen Daten her super an und ist mit 435$ 
auch nicht so mega teuer. Aber leider wäre ich dann nach wie vor Auf 
CrossCore Studio angewiesen.

Autor: Michael B. (sausemichel)
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So, das Problem hat sich erledigt. Ich habe mir ein FPGA-Board (ARTY S7 
von DIGILENT) besorgt. Es hat nicht ganz meine Wunschleistung, aber es 
war recht günstig. Ich hätte es auch bezahlt bekommen, aber dann hätte 
ich noch drauf warten müssen und so habe ich es gestern bestellt und 
heute war es da.

Und was soll ich sagen? Ich bin begeistert!!! Nach wenigen Stunden bin 
ich mit dem Spartan 7 und Vivado weiter, als mit dem ADSP und CCES nach 
Wochen! Ich hab' echt schon gedacht, ich wäre blöd, weil ich einfach 
nicht brauchbar auf den ADSP drauf kam. Die Dokumentation zum Spartan 
ist OK und Vivado sehr viel intuitiver, als ich das von der ISE in 
Erinnerung hatte.

Jetzt wird es also mit dem FPGA weitergehen. Unschön ist natürlich, dass 
ich erstens so viel Zeit mit dem DSP verloren habe und es zweitens in 
der Arbeit nicht so schön begründen kann, warum ich jetzt doch den FPGA 
verwende...

Und es wird nun einige Fleißarbeit auf mich zukommen: Alle Interfaces 
müssen entworfen oder die IP-Cores eingebunden werden (vor dem 
DDR3-Controller habe ich am meisten Schiss) und die Algorithmen muss ich 
natürlich parallelisieren...

Autor: Michael B. (sausemichel)
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So. Die Abschlussarbeit ist fertig. Es ist richtig cool gewesen ... eine 
echt geile Zeit, auch, wenns bei mir zum Schluss etwas drunter und 
drüber ging (aber eher privat). Leider habe ich das System nicht 
vollständig aufbauen können. Das Hauptproblem war die Anbindung des 
DDR-3-Speichers. Der Memory Interface Generator in VIVADO hat nicht 
richtig funktioniert und per Hand in VHDL einen Controller zu schreiben 
ist auch nicht so einfach... Aber ansonsten ist es echt krank, was man 
mit so einem kleinen FPGA schon machen kann. Wieso nutzt man überhaupt 
noch DSPs? Wieso wollte ich anfangs einen DSP nutzen??? Naja, wie auch 
immer. Wer eine kleine Anleitung zum Arty-S7 für 
Audiosignalverarbeitung, oder ein I²S-Interface IP-Core gebrauchen kann, 
oder Näheres zu meiner Arbeit erfahren möchte, kann mir gerne ein PM 
schreiben.

Ich muss mir jetzt erstmal einen Job suchen... wahrscheinlich werde ich 
wieder in meinem alten Beruf zurückkehren --schade eigentlich--. 
Hardwarenahe Entwicklung und Signalverarbeitung haben mir viel viel Spaß 
gemacht, aber es wird wohl bei diesem kleinen Ausflug bleiben.

Habt eine gute Zeit!!

Michel

Autor: M. (Gast)
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Warum publizierst Du die Anleitung nicht einfach? Das Arty ist ein 
gängiges board.

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