Authenticity in Music Production

Gitarrenphoto von Simon Weisser auf Unsplash

Technologien

FPGA, Signalflussdiagramme

Ausgangslage

Die Hochschule für Musik FHNW beschäftigt sich mit der Konservierung von Musikstücken. Dieser Gedanke wurde in die Neuzeit übertragen, wodurch die Frage aufkam, wie man elektronische Musikinstrumente für die Nachwelt erhalten kann. Die Restauration von Hardware ist oftmals nicht möglich, da notwendige Ersatzteile nicht mehr verfügbar sind. Präzise Softwaresimulationen sind nicht schnell genug, um in Echtzeit angewendet werden zu können. Mit dem neuen Verfahren soll es möglich sein, beliebige Schaltungen in Echtzeit zu simulieren, so dass es gleichzeitig mit anderem Audioequipment eingesetzt werden kann.

Ziele

Synthetisierung von stark nichtlinearen Schaltungen mit Hilfe von Signalflussdiagrammen. Entwicklung von Hardware, welche basierend auf FPGA-Technologie das System in Echtzeit simulieren kann und in einem Blindtest nicht vom Original zu unterscheiden ist.

Vorgehensweise

Die Basis bildet die sogenannte Signalflussdiagrammsynthese, welche eine graphische Darstellung eines Gleichungssystems ermöglicht. Sie kann verwendet werden, um beliebige Mixed-Signal-Schaltungen in der Frequenz-Domäne zu beschreiben. Die Idee besteht nun darin, den Graphen 1:1 in die zeitdiskrete Domäne zu transformieren. Dabei wird jeder Pfad separat in sein zeitdiskretes Pendant umgewandelt unter Beibehaltung der zugrundeliegenden Struktur des Graphen. Diese neue, rein digitale Beschreibung des Systems kann danach in Hardware umgesetzt werden.

Die Implementierung auf Hardware bringt viele Herausforderungen mit sich. Bereits kleine Schaltungen ergeben komplexe Signalflussdiagramme, bei welchen viele Signale parallel verarbeitet werden müssen. Nur FPGAs mit ihren grossen Signalverarbeitungskapazitäten können solche Systeme in Echtzeit rechnen. Der grosse Dynamikbereich von analogen Komponenten und die geforderte Präzision stellen hohe Anforderungen an die Numerik, was die Komplexität des Modells weiter erhöht. Um reale Systeme mit dem neuen Verfahren auf konventionellen FPGAs zu simulieren sind deshalb intensive Optimierungsarbeiten notwendig.

Eine Einführung in die Signalflussdiagramme finden Sie im Kurzkurs " Signal-flow graphs in 12 short lessons" auf https://tube.switch.ch/channels/d206c96c .