Dispositivo de áudio multi-canal em FPGA

Abstract

Algoritmos de localização de emissores de som são utilizados em diversas aplicações, tais como smart room, video conferências, aplicações militares e dispositivos médicos de ultrassom. Estes algoritmos necessitam da aquisição de som em múltiplos pontos simultaneamente, o que é feito com matrizes de microfones. Uma possibilidade nestas matrizes é a utilização de microfones MEMS (Microelectrical Mechanical Systems) com saída digital PDM (Pulse Density Modulation). O dispositivo desenvolvido neste projeto e apresentado no presente documento é uma interface para uma matriz de seis microfones PDM baseado em FPGA com conectividade USB. Este dispositivo transforma o sinal PDM proveniente dos microfones em PCM (Pulse-Coded Modulation), por ser o formato de áudio mais utilizado atualmente e por ser mais facilmente manipulável. O sistema foi projetado para enviar os sinais PCM através da interface USB de forma sincronizada. Para a implementação do projeto, foi utilizado um kit FPGA Xilinx XUPV5. O kit contém uma FPGA Virtex-5, que foi utilizada para a transcodificação PDM-PCM do sinal. Já o protocolo USB foi implementado pelo controlador USB Cypress Ez-Host, também presente no kit. A comunicação entre a FPGA e o controlador USB foi feita utilizando o protocolo HPI (Host Port Interface). Como resultado, observou-se, através do analisador lógico TLA6402, que a transcodificação permitiu a obtenção dos sinais PCM relativos aos seis microfones. Foram também realizados testes com a interface AC97 do kit Xilinx XUPV5, a qual transformou o sinal PCM em analógico. Este sinal analógico foi direcionado a um alto-falante que permitiu escutar a saída dos microfones. Notou-se que o sinal escutado era condizente com o esperado, mas com a adição de ruído. Foi realizada também a transmissão USB dos sinais de áudio, que permitiu recuperá-los de forma sincronizada em um host USB, porém apenas com dois canais.

Sound source localization algorithms are used in many applications, such as smart room, video conferencing, military applications and medical ultrasound devices. These algorithms require sound acquisition at multiple points simultaneously, which is done with microphone arrays. One type of microphone used in these arrays are the Microelectrical Mechanical Systems (MEMS) with Pulse Density Modulation (PDM) digital output. The device developed in this project and presented in this document is a FPGA-based interface for an array of six PDM microphones with USB connectivity. This device transforms the incoming PDM signal to PCM (Pulse-Coded Modulation), as it is the most widely used audio format and is more easily manipulated. The system is designed to send the PCM signals through the USB interface synchronously. For the project implementation, an FPGA Xilinx XUPV5 kit was used. The kit contains a Virtex-5 FPGA, which was used for the PDM-PCM transcoding. The USB protocol was implemented by the Cypress Ez-Host USB controller, also available in the kit. Communication between the FPGA and the USB controller was done using the HPI (Host Port Interface) protocol. As a result, it was observed through the TLA6402 logic analyzer that the transcoding allowed obtaining the PCM signals for the six microphones. Tests were also performed with the AC97 interface of the Xilinx XUPV5 kit, which transforms the PCM signal into analog. This analog signal was directed to a speaker that allowed to hear the microphone output. It was noted that the audio signal was consistent with the expected, but with the addition of noise. The USB transmission of the audio signals was also performed, which allowed them to be retrieved synchronously at a USB host, but only with two channels.