IT201800004143A1 - Dispositivo di gestione di segnali audio digitali - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo di gestione di segnali audio digitali, in particolare per applicazioni audio professionali.
Nel campo dell’elaborazione/distribuzione di segnali audio, sono noti dispositivi in grado di assolvere a specifiche e singole funzioni.
Ad esempio, alcuni dispositivi sono specializzati nell’elaborazione, ovvero processing, di segnali audio; altri sono convertitori di formato, ovvero accettano un formato e lo traducono in un altro, senza offrire possibilità di processing e logiche di backup; altri dispositivi ancora sono distributori e generatori di clock.
Esistono poi alcuni sistemi, prettamente da installazione e con un grado di complessità molto elevato, che dispongono di moduli aggiuntivi ed interfacce di espansione per ricevere e mandare segnali su protocolli diversi, per il controllo di video, luci, motori, ecc.
L’utilizzo di tali sistemi richiede tuttavia il collegamento reciproco di più dispositivi ed essendo basati su un’architettura aperta, è solitamente riservato ad utenti più avanzati.
Infatti, l’utente che utilizza questi apparati deve necessariamente passare attraverso una fase di configurazione del dispositivo per poterlo utilizzare ed adattarlo alle specifiche del progetto audio, fino all’esaurimento delle risorse di calcolo disponibili. Un’altra categoria di prodotti noti è costituita da sistemi che, tramite un protocollo proprietario, sono utilizzati per ricevere e trasmettere un numero molto elevato di segnali da/per più punti senza effettuare alcun processing.
Scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo di elaborazione di segnali audio digitali in grado di svolgere molteplici funzioni, in particolare di elaborazione, backup e distribuzione dei segnali audio, ma al tempo stesso adatto ad essere utilizzato anche da utenti non avanzati e immediatamente disponibile all’utilizzo.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di combinare molteplici funzioni di trattamento e distribuzione di segnali audio in un’unica unità rack, in modo da ottenere un’elevata semplificazione dei cablaggi, semplicità d’utilizzo, maggiore robustezza del sistema nel suo complesso e maggiori possibilità di controllo e monitoraggio.
Detti scopi sono conseguiti con un dispositivo di gestione di segnali audio digitali secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.
In accordo con la rivendicazione 1, viene proposto un dispositivo di gestione di segnali audio digitali, comprendente una pluralità di canali di ingresso adatti a ricevere segnali audio di ingresso ed una pluralità di canali di uscita adatti a trasmettere segnali audio di uscita, un’unità di elaborazione a microprocessore ed unità logica programmabile, ad esempio basata su tecnologia FPGA.
L’unità di elaborazione è configurata per gestire il sistema operativo e un applicativo embedded adatto a dialogare con un’interfaccia utente per la configurazione dell’unità logica programmabile. Ad esempio, l'interfaccia utente è implementata con un applicativo Dashboard che viene eseguito su un dispositivo di elaborazione, ad esempio un calcolatore elettronico, collegabile al dispositivo di gestione dei segnali.
Nel contesto della presente invenzione, per interfaccia utente si intende quell’insieme di mezzi software (nel prosieguo definiti software di controllo) e hardware che consentono all’utente di configurare e monitorare il dispositivo di gestione (ad esempio in termini di livello dei segnali, stato dei clock, ecc.), intervenendo anche sui parametri dell’algoritmo di elaborazione audio.
L’unità logica programmabile è configurata per gestire i canali di ingresso e di uscita, l’elaborazione dei segnali audio per il tramite di un algoritmo di elaborazione audio e i segnali di clock per il tramite di un software di gestione dei clock.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, la configurazione software/hardware dell’unità logica programmabile è definita da un file di bitstream caricato sull’unità logica programmabile dall’unità di elaborazione.
In una forma di realizzazione, il software di controllo del dispositivo di gestione comprende porzioni di codice per:
- monitorare lo stato dei segnali audio digitali che transitano attraverso il dispositivo di gestione;
- controllare lo stato dei parametri di configurazione che regolano l’elaborazione dei segnali digitali audio effettuata dall’unità logica programmabile;
- modificare lo stato di detti parametri di configurazione.
In una forma di realizzazione, il monitoraggio dello stato dei segnali audio digitali avviene attraverso uno scambio di pacchetti UDP (“User Datagram Protocol”). In una forma di realizzazione, il software di controllo utilizza uno scambio di pacchetti TCP con l’unità di elaborazione per leggere e/o modificare lo stato dei parametri di configurazione.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, l’unità di elaborazione e l’unità logica programmabile sono configurate per assegnare uno o più canali ad un gruppo; un gruppo di canali può anche includere canali provenienti da dispositivi diversi.
Come verrà descritto in seguito più in dettaglio, un gruppo è un'entità virtuale che permette all’utente di controllare in maniera rapida i parametri di configurazione di un dispositivo: infatti agendo sui parametri del gruppo si agisce su tutti i canali assegnati a tale gruppo. Ad un gruppo si possono assegnare due o più canali provenienti dallo stesso dispositivo di gestione segnali, ma anche assegnare due o più canali provenienti da dispositivi diversi. In tal modo, è di gran lunga ridotto il tempo di intervento dell'operatore così come è ridotta la complessità del progetto di rinforzamento del suono che spesso necessita un numero elevato di canali da gestire individualmente.
In una forma di realizzazione, l'unità di elaborazione e l’unità logica programmabile sono configurate per implementare un’interfaccia di gruppo adatta ad aggiungere o modificare un livello di regolazione rispetto a quello già presente su canali in ingresso. Più in dettaglio, quando l’utente modifica lo stato di un parametro di configurazione attraverso l’applicativo Dashboard, ad esempio muove un fader di un guadagno di gruppo, viene innanzitutto salvato il nuovo valore del parametro nel database dell'applicativo Dashboard, quindi tale nuovo valore viene inviato all’unità di elaborazione, che a sua volta provvede a trasmetterlo all'unità logica programmabile.
In una forma di realizzazione, l’unità di elaborazione e l’unità logica programmabile sono configurate per creare, a seguito di uno scambio con l’applicativo dell’interfaccia utente, una o più interfacce di controllo personalizzate contenenti una selezione desiderata di canali.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, l’unità logica programmabile è dotata, per ogni canale di ingresso, di un Sample Rate Converter Asincrono, ASRC, in modo da sincronizzare segnali digitali audio con segnali di clock completamente indipendenti tra di loro, uno o più di detti segnali di clock essendo diverso dal segnale di clock del dispositivo.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, l’unità logica programmabile è configurata per:
- processare contemporaneamente un numero massimo di canali di ingresso e di canali di uscita;
- processare due o più protocolli diversi di trasmissione di segnali digitali audio;
- convertire un segnale digitale audio ricevuto in un primo formato corrispondente ad un primo protocollo di trasmissione in un segnale digitale audio in un secondo formato corrispondente ad un secondo protocollo di trasmissione;
- assegnare qualsiasi canale di ingresso ad un qualsiasi canale di uscita a lui sincrono.
Più in dettaglio, l’unità logica programmabile è adatta ad implementare una funzione di collegamento diretto adatta a riportare su una porta di uscita esattamente un segnale audio presente su una porta di ingresso.
In tal modo, il dispositivo di gestione permette un suo collegamento in cascata con uno o più dispositivi analoghi per effettuare una conversione di un numero di canali maggiore del numero massimo di canali di un singolo dispositivo di elaborazione. Nell’effettuare un tale collegamento in cascata, preferibilmente, all'utente viene mostrata un’interfaccia di controllo di un unico dispositivo virtuale dotato di un numero di canali maggiore del numero massimo di canali di un singolo dispositivo di gestione.
Tale soluzione tecnica è particolarmente significativa nel caso di utilizzo di protocolli multi-canale puntopunto, come ad esempio il protocollo di trasmissione AES10.
Supponendo ad esempio che il dispositivo di gestione sia in grado di convertire 16 canali e che i canali in ingresso siano i 64 canali del protocollo multi-canale punto-punto AES10, grazie alla funzione di collegamento diretto è possibile riportare sul connettore di uscita AES10 il segnale presente all'ingresso (eventualmente rigenerato a livello elettrico), consentendo un collegamento in cascata di più (in questo caso quattro) dispositivi di gestione. A questo punto, ogni dispositivo di gestione può prelevare 16 canali differenti dal flusso dei 64 canali, con il risultato che viene effettuata una conversione di un numero di canali maggiore del numero massimo di canali di un singolo dispositivo.
La funzione di collegamento diretto permette quindi di risolvere il problema dell’impossibilità di sdoppiare il segnale in ingresso.
In una forma di realizzazione, il software di controllo comprende porzioni di codice adatte a permettere ad un utente di definire una priorità per l’elaborazione dei segnali audio digitali in ingresso e per i segnali di clock. A tal proposito, l’unità logica programmabile è configurata, ad esempio per il tramite di un apposito IP, per selezionare il canale audio più affidabile in base allo stato dei segnali di clock e allo stato dei segnali audio. Parimenti, l'unità logica programmabile contiene un IP in grado di selezionare il segnale di clock più affidabile, in base allo stato dei segnali di clock selezionabili.
Si precisa, come è noto al tecnico del settore, che in ambito elettronico con il termine “IP” si indica un blocco circuitale, progettato attraverso l'uso di un linguaggio di descrizione circuitale, che svolge una specifica funzione. Nell'unità logica programmabile si possono allocare uno o più blocchi differenti, nonché collegarli tra loro. Nel contesto della presente invenzione, ciascun blocco IP riceve in ingresso uno o più flussi di segnale, li processa ed ha come uscita un altro flusso di segnale, il segnale processato.
Esempi di IP che verranno menzionati nel prosieguo della descrizione sono: Input DSP, Aux Mixer, Matrix Mixer, Output DSP.
Si deve considerare che i protocolli digitali di trasmissione di segnali audio, quali AES3, AES10, Dante, etc., portano ulteriori informazioni oltre al contenuto audio. In un’interfaccia a 32 bit, ad esempio, solitamente 24 bit hanno l'informazione del campione audio, gli altri sono bit di stato. Un canale digitale si considera valido o meno in base allo stato del segnale di clock e dei bit di stato associati al protocollo utilizzato. Ad esempio, potrebbe essere valido il clock ma non il canale. Se non c'è il clock, ossia, se non c'è la portante, allora non c'è neanche il segnale audio. In particolare, l’unità logica programmabile è programmata per implementare:
- un clock detector adatto a consentire il riconoscimento della tipologia e della qualità di un segnale di clock attraverso l’uso di un contatore e con soglie di tolleranza definibili;
- un multiplexer adatto a ricevere come ingressi tutti i possibili segnali di clock in ingresso al dispositivo e, in base allo stato di ognuno di essi ed in base alla lista delle priorità definita, selezionare il clock più idoneo.
In accordo con un altro aspetto dell’invenzione, l’unità logica programmabile è configurata per allocare un Sample Rate Converter Asincrono, ASRC, a più segnali audio digitali da elaborare, detto ASRC essendo comandato da un multiplexer pilotato sulla base dello stato dei diversi canali da elaborare o inseriti in una priority list. La priority list è una lista dinamica (che può essere anche vuota) di elementi ordinati. Il primo elemento della lista è quello a massima priorità. L'ultimo della lista è quello a minima priorità. Come verrà descritto in seguito più in dettaglio, il dispositivo è in grado di implementare strategie di backup che si basano su questa lista. La strategia di backup sceglie il primo elemento della lista; se per qualche motivo il primo elemento della lista ha dei problemi e risulta non essere valido, allora viene selezionato quello con priorità successiva e così via. La strategia di backup si basa sulla priority list, sia per il backup dei segnali audio, sia per il backup dei segnali di clock.
Costituisce quindi oggetto della presente invenzione anche un kit di gestione di segnali audio digitali, comprendente un dispositivo di gestione come sopra descritto ed un’interfaccia utente basata un su software di controllo del dispositivo di gestione che comprende porzioni di codice per:
- monitorare lo stato dei canali che transitano attraverso il dispositivo di gestione;
- controllare lo stato di parametri di configurazione che regolano l’elaborazione dei segnali digitali audio effettuata dall’unità logica programmabile;
- modificare lo stato di detti parametri di configurazione.
Le caratteristiche e i vantaggi del dispositivo secondo l’invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:
- La figura 1 illustra il lato posteriore di un esempio pratico di dispositivo di gestione secondo l’invenzione;
- la figura 2 rappresenta schematicamente i blocchi funzionali dell’elettronica di gestione del dispositivo;
- la figura 3 mostra una schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 4 mostra un’altra schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 5 mostra un’altra schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 6 mostra un’altra schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 7 mostra schematicamente un collegamento in cascata di più dispositivi di gestione, in modo da convertire il formato di un elevato numero di canali;
- la figura 8 mostra un’altra schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 9 rappresenta schematicamente la strategia di backup del segnale di clock;
- la figura 10 mostra un’altra schermata dell’interfaccia di controllo;
- la figura 11 rappresenta schematicamente la strategia di backup dei segnali audio;
- la figura 12 rappresenta schematicamente una funzione di Pickoff Point per effettuare una distribuzione di un numero di canali maggiore rispetto al numero di canali di processing del dispositivo, in quanto sono disponibili ulteriori canali di processing parziale, in base al punto di prelievo;
- la figura 13 mostra una schermata dell’interfaccia di controllo per l’esecuzione della funzione di Pickoff Point; e
- la figura 14 rappresenta schematicamente una forma di realizzazione della funzione di Pickoff Point. Nel prosieguo della descrizione, se non diversamente specificato, il termine “canale” è usato anche per indicare un segnale. Inoltre, i termini “canale di ingresso” e “canale di uscita” indicano anche i canali che possono essere contemporaneamente ricevuti e trasmessi dal dispositivo, ad esempio 216 canali di ingresso/uscita. Per indicare invece i canali di ingresso/uscita che possono essere contemporaneamente processati dal dispositivo, solitamente una selezione dei canali di ingresso/uscita, ad esempio 16 su 216, si utilizzerà il termine “canali di processing” o “canale processato”.
Inoltre, i canali si definiscono di ingresso e di uscita a seconda del punto dal quale sono prelevati all'interno dello schema di elaborazione.
In detti disegni, con 1 è indicato nel suo complesso un dispositivo di gestione di segnali audio digitali secondo l’invenzione.
Il dispositivo di gestione 1 racchiude, in una sola macchina di dimensioni compatte (una unità rack) molteplici funzioni relative alla gestione digitale di segnali audio, in particolare nello specifico campo delle applicazioni audio professionali.
In una forma di realizzazione, il dispositivo di gestione 1 lavora con una frequenza di campionamento di 96 kHz, un valore standard (di fatto) per applicazioni professionali di alta qualità.
Il dispositivo di gestione 1 è dotato di una pluralità di porte di ingresso, adatte a ricevere segnali audio di ingresso, ed una pluralità di porte di uscita, adatte a trasmettere all’esterno segnali audio di uscita. Per porte di ingresso e uscita si intendono quindi connettori, o canali fisici, cioè dispositivi hardware. In una forma di realizzazione, il dispositivo di gestione 1 è in grado di ricevere e trasmettere, su una pluralità di canali fisici di ingresso ed una pluralità di canali fisici di uscita, numerosi segnali audio, trasmessi da sorgenti differenti e/o con protocolli di trasmissione differenti. Tuttavia, il dispositivo di gestione 1 proposto è progettato per essere impiegato in ambito embedded, dove le risorse sono limitate, non è possibile processare contemporaneamente tutti i canali. Come verrà descritto in seguito più in dettaglio, il dispositivo di gestione 1 è configurato per implementare una funzione di assegnamento ingressi, nota in gergo anche con il termine “input patch”, mediante la quale si eleggono i canali di ingresso che verranno poi effettivamente processati dal dispositivo, ovvero canali di processing. Analogamente, i segnali processati, o, grazie alla funzione di “pickoff point” più avanti descritta, parzialmente processati, possono essere inviati a più canali fisici di uscita.
Pertanto, grazie alla funzione di input patch si assegnano canali fisici di ingresso a canali di processing e grazie alla funzione di output patch si assegnano canali di processing a canali fisici di uscita. In aggiunta a ciò, con la funzione di pickoff point è possibile assegnare ai canali fisici di uscita canali di processing in momenti intermedi del processing.
In una forma di realizzazione, il dispositivo 1 è dotato di 216 canali audio di ingresso e 216 canali audio di uscita. Ad esempio, i canali sono così suddivisi:
- 8 canali di ingresso/uscita con protocollo di trasmissione AES3 (AES3 I/O in figura 1); poiché ogni interfaccia AES3 porta 2 canali, ci sono complessivamente 16 canali AES3;
- 2 canali di ingresso/uscita con protocollo di trasmissione AES10, chiamata anche MADI (AES10 I/O in figura 1); poiché ogni interfaccia AES10 porta 64 canali, ci sono complessivamente 128 canali AES10;
- 64 canali di ingresso/uscita con protocollo di trasmissione Dante (DANTE in figura 1);
- 8 canali analogici di ingresso/uscita (ANALOG I/O in figura 1).
In una forma di realizzazione, i canali processabili, ovvero i canali di processing, sono 16 in ingresso e 16 in uscita.
In sintesi, le funzioni svolte dal dispositivo di gestione 1 comprendono:
- elaborazione, o processamento digitale (in inglese, “processing”) di segnali audio, ovvero l’elaborazione del segnale audio consistente nella modifica del segnale stesso. Possibili elaborazioni comprendono: variazioni di livelli, ritardi (delay), inversioni di polarità, equalizzazioni. Ad esempio, il dispositivo di gestione 1 mette a disposizione queste funzioni per la taratura di sistemi audio professionali.
- Gestione di un numero massimo di canali in ingresso e uscita, ad esempio fino a 216 canali.
- Gestione di un numero di canali di ingresso e uscita processabili indipendentemente: ad esempio 16 canali in ingresso e 16 canali in uscita con funzioni dedicate per ingressi e uscite.
- Gestione di segnali di ingresso e di segnali di uscita basati su molteplici e diversi protocolli di trasmissione. Come è noto, i protocolli di trasmissione sono impiegati per trasmettere simultaneamente più canali su una stessa linea fisica. Ad esempio, come anticipato sopra, il dispositivo di gestione 1 è in grado di ricevere e trasmettere segnali audio su cinque diverse interfacce simultaneamente ed indipendentemente. I protocolli gestiti sono: AES3, Dante (compatibile AES67), AES10 (su due interfacce – fibra ottica e cavo coassiale), analogico.
- Gestione dei segnali di clock. Come è noto, da ogni segnale audio digitale è possibile estrarre un segnale di clock. Il dispositivo di gestione 1 è in grado di sincronizzarsi dinamicamente con uno qualsiasi dei segnali di clock in ingresso, purché siano validi. Il dispositivo di gestione 1 dispone di strategie di priorità sui clock che consistono nel prevedere dei clock alternativi nel caso in cui un clock primario, ad esempio un primo clock di una lista di priorità definita dall’utente, non sia valido. In una forma di realizzazione, illustrata in figura 1, il dispositivo di gestione 1 può sincronizzarsi con una qualsiasi delle seguenti 14 sorgenti di clock: un WORDCLOCK Input, un VIDEO SYNC Input, un segnale di clock dall’AES10 ottico, un segnale di clock dall’AES10 coassiale, un segnale di clock da Dante, un segnale di clock da ciascuno delle otto connessioni AES3 in ingresso e un clock generato internamente dal dispositivo.
- Gestione di segnali digitali con diversi clock: il dispositivo di gestione 1 è in grado di accettare segnali con clock completamente indipendenti tra di loro. Ad esempio, può accettare fino a 16 canali con clock diversi dal clock attivo nel dispositivo di gestione 1 in quanto dispone di 16 ASRC (Sample Rate Converter Asincroni), uno su ogni canale audio di ingresso logico. In una forma di realizzazione, il dispositivo 1 è inoltre in grado di convertire i segnali in uscita, ad esempio per portarli da 96 kHz a 48 kHz, utilizzando degli SSRC (Sample Rate Converter Sincroni), e consente anche di rimandare in uscita ciascun segnale in ingresso senza modifiche sul proprio protocollo. Nel caso di protocollo AES3 e AES10 (sia ottico che coassiale), il dispositivo di gestione 1 è in grado di rigenerare il segnale di clock, garantendo così un’elevata qualità del segnale in uscita senza compromettere la qualità della catena di segnale audio nel quale il dispositivo di gestione 1 è inserito. La rigenerazione del segnale avviene a bassissima latenza e richiede ad esempio solamente un sample, ovvero un campione a 96 kHz.
In una forma di realizzazione, il dispositivo 1 è dotato di due uscite di clock, completamente indipendenti tra loro e di un “master clock”.
Più in dettaglio, i canali di uscita hanno come clock quello che l'utente seleziona come master clock. Inoltre, ci sono due connettori, WORDCLOCK Output, ai quali è possibile assegnare qualsivoglia clock tra le sorgenti di clock disponibili, indipendentemente.
In una forma di realizzazione, il dispositivo 1 è provvisto di un doppio alimentatore (o power supply), collegato a due prese separate 101, da utilizzare ad esempio su due fasi elettriche diverse, al fine di garantire la continuità di utilizzo anche in caso di interruzione di corrente su una delle due fasi.
In una forma di realizzazione, il dispositivo 1 è dotato di quattro porte di rete ethernet RJ45103 configurabili in diverse modalità: tutte le quattro porte possono appartenere alla stessa VLAN per consentire sia il traffico relativo al controllo del dispositivo di gestione 1 che quello del protocollo Dante; ad esempio, due porte possono essere riservate per il traffico utilizzato dal protocollo Dante (ridondante o meno) e due per il solo controllo del dispositivo di gestione 1. In accordo con un aspetto dell’invenzione, illustrato schematicamente nella figura 2, le funzioni sopra descritte sono implementate da un unico circuito integrato 20 (SOC, “System-on-a-chip”), che realizza un’unità di elaborazione a microprocessore 22 ed unità logica programmabile 24.
In una forma di realizzazione, l’unità logica programmabile 24 è implementata con una tecnologia FPGA. Questa configurazione consente, con un unico integrato 20, di adottare un sistema operativo più idoneo all’interfacciamento con l’utente finale in combinazione con un sistema real-time basato su logica programmabile. Un unico circuito integrato 20 migliora la produzione e l’affidabilità del prodotto, con particolare attenzione ai costi del ciclo di vita del prodotto.
Da notare che, solitamente, le soluzioni proposte nel caso di sistemi ibridi prevedono di utilizzare l’unità logica programmabile per le interfacce digitali e l’unità di elaborazione per l’intero software, comprensivo di algoritmo di elaborazione dei segnali. L’unità logica, nelle soluzioni note, è inoltre impiegata per accelerare in hardware alcune parti dell’algoritmo di elaborazione (tipicamente quelle parti che richiedono un aumento di prestazioni non raggiungibili normalmente con i processori).
Tali configurazioni note, tuttavia, comportano un’interruzione del funzionamento del dispositivo qualora si verifichi una qualsiasi anomalia a livello di sistema operativo.
D’altra parte, adottare sistemi operativi real-time nell’unità di elaborazione comporterebbe una maggior difficoltà nel trovare e sviluppare soluzioni software atte ad agevolare l’interfaccia con il cliente.
Per rendere completamente indipendente la presenza di un sistema operativo, con le sue complessità, dalla parte hardware che forma la logica programmabile 24, il dispositivo di gestione 1 propone una soluzione per la quale tutto il processing, l’input e l’output dei segnali, la gestione dei clock e di tutte le strategie di backup vengano svolte dall’unità logica programmabile 24, lasciando, invece, all’unità di elaborazione 22 unicamente il sistema operativo e la gestione della comunicazione di rete con l’interfaccia utente.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, la configurazione software/hardware del dispositivo di gestione 1 viene caratterizzata al caricamento di un file di Bitstream, ovvero dal contenuto dell’unità logica programmabile. Tale caricamento viene effettuato dall’unità di elaborazione sull’unità logica programmabile. In questo modo, è anche possibile trasformare completamente le caratteristiche della macchina, perché i componenti IP vengono caricati in base al Bitstream selezionato.
Più in dettaglio, per interfaccia utente si intende quell’insieme di mezzi software (nel prosieguo definiti software di controllo) e hardware che consentono all’utente di configurare e monitorare il dispositivo di gestione (ad esempio in termini di livello dei segnali, stato dei clock, ecc.), intervenendo anche sui parametri dell’algoritmo di elaborazione audio.
In una forma di realizzazione, il software presente sul sistema operativo comunica attraverso BSD Berkeley Socket fornendo diversi server TCP e UDP.
Il software di controllo è adatto a permettere all’utente di:
A) monitorare lo stato dei segnali che transitano attraverso il dispositivo (Metering);
B) controllare lo stato dei parametri di configurazione che regolano l’elaborazione dei segnali digitali all’interno del dispositivo;
C) intervenire per modificare parametri che determinano l’elaborazione dei segnali audio, anche uno o più parametri simultaneamente;
D) intervenire per modificare parametri anche di gruppi di canali attraverso le funzionalità di gruppo e di pannello custom più avanti descritte. Un gruppo è composto da uno o più canali, che possono essere prelevati, e quindi assegnati al gruppo, dal medesimo dispositivo 1 o da dispositivi differenti. È possibile, ad esempio, prendere un canale di processing di un primo dispositivo di gestione 1 e creare un gruppo con un canale di processing di un secondo dispositivo di gestione 1. Quando l’utente agirà sul gruppo di canale, agirà contemporaneamente, pur muovendo, ad esempio, un solo fader, sia sul canale di processing del primo dispositivo di gestione sia sul canale di processing del secondo dispositivo di gestione.
In una forma di realizzazione, il monitoraggio avviene attraverso lo scambio di pacchetti UDP: a seguito di una richiesta effettuata tramite un protocollo proprietario, il dispositivo risponde fornendo le grandezze utili a tenere sotto controllo lo stato dei segnali. Il protocollo UDP è utilizzato per godere delle sue caratteristiche di rapidità e adattabilità a contesti embedded.
Per quanto riguarda il controllo dei parametri di configurazione, il software di controllo, tramite lo scambio di pacchetti TCP con il dispositivo, ad esempio utilizzando specifici comandi di un protocollo proprietario e dedicato, è in grado di leggere lo stato dei parametri di configurazione salvati sulla macchina che vanno a regolare l’elaborazione numerica dei segnali. In questo caso il protocollo TCP è stato scelto per la sua caratteristica di affidabilità e per fornire un’esperienza d’uso utente quanto più stabile possibile. Per quanto riguarda la modifica dei parametri, il software di controllo offre la possibilità di agire non solo a livello di singolo parametro, ma anche di poter modificare rapidamente un insieme di parametri significativi dello stesso dispositivo.
Per quanto riguarda la modifica di parametri di gruppi di dispositivi, il software di controllo permette di creare due tipi di entità Virtuali:
i) Gruppo: è possibile assegnare uno o più canali ad un gruppo, ed è possibile assegnare ad un gruppo canali provenienti da dispositivi diversi. Tramite l’interfaccia di gruppo è possibile aggiungere un livello di regolazione (ad esempio un equalizzatore) a quello già presente sui canali interessati. Tale livello viene condiviso da tutte le entità assegnate al gruppo in questione, e questo permette un controllo ed una gestione gerarchica e scalabile di diverse sezioni dell’impianto di rinforzamento del suono. La Figura 3 mostra un esempio di realizzazione di interfaccia utente 100: sono presenti a schermo due gruppi 102, 104, contenenti canali provenienti da due diversi dispositivi. Si può vedere un controllo unico che permette di agire su più dispositivi contemporaneamente, aggiungendo un livello di astrazione e scalabilità. ii) “Pannello Custom”: è possibile creare una o più interfacce di controllo personalizzate contenenti tutti e solo i canali di particolare interesse. L’utente, dopo aver composto tale interfaccia, potrà monitorare e controllare in maniera rapida l’impianto di rinforzamento del suono perchè non deve gestire numerose finestre a schermo né deve utilizzare differenti software a tale scopo. La figura 4 mostra un esempio di interfaccia utente 100a che permette di implementare questa funzione: sono presenti a schermo due pannelli custom 106, 108, contenenti canali provenienti da tre diversi dispositivi di gestione 1 dotati di 16 ingressi/uscite digitali e 8 ingressi analogici.
Come detto sopra, in una forma di realizzazione, il dispositivo di gestione 1 è adatto a processare contemporaneamente 16 canali di ingresso e 16 canali di uscita, pur essendo in grado di ricevere e trasmettere un numero maggiore di segnali di ingresso e di uscita. Infatti, in una forma di realizzazione il dispositivo di gestione 1 può implementare un numero dinamico di ASRC, dipendente dalla configurazione hardware del processore utilizzato. Più l’unità logica programmabile (FPGA) sarà capiente e maggior numero di ASRC saranno allocabili, fino a rendere completamente sincroni tutti i canali. In caso di canali tutti sincroni, l’utente può assegnare arbitrariamente qualsiasi canale di ingresso all’uscita. La figura 5 mostra un dettaglio di un’interfaccia utente 100b che permette all’unità logica programmabile di implementare un blocco di assegnamento delle uscite. Si tratta di un blocco funzionale che associa i canali di processing ai canali fisici e che è anche definito in gergo come “output patch”.
Nel caso in cui l’unità logica programmabile non consenta di rendere tutti sincroni i canali di ingresso, il dispositivo di gestione 1 può essere fatto operare in una modalità a cascata (“Cascade Mode”).
Più in dettaglio, il dispositivo di gestione 1 ha la possibilità di riportare all’esterno esattamente il segnale di ingresso, funzionalità definita “Direct Out”. La figura 6 mostra un dettaglio 100c di un output patch nel quale sono attivate le uscite delle diverse interfacce in modalità “Direct Out”.
Pertanto, se ad esempio si volesse realizzare un convertitore 64 canali full AES10 Coassiale, nel caso di FPGA ridotta, è sufficiente utilizzare quattro dispositivi di gestione 1 mettendoli in cascata rispetto al Direct Out del protocollo AES10, come illustrato nello schema di figura 7.
La flessibilità del dispositivo di gestione 1 in termini di conversione e processing è fornita principalmente dal poter utilizzare ASRC realizzati in FPGA, consentendo, quindi, un loro facile stanziamento o meno.
Verranno ora descritte alcune strategie di backup che il dispositivo di gestione 1 è in grado di implementare. La strategia di backup è una tecnologia per la quale l’utente definisce una lista delle priorità sia per il master clock sia per ogni segnale audio da attribuire al processing. In base allo stato dei segnali di clock ed in base allo stato dei segnali audio, il dispositivo di gestione 1 seleziona la sorgente più affidabile.
Per quanto concerne la strategia di backup dei segnali di clock, completamente realizzata dall’unità logica programmabile 24 e schematizzata in figura 9, vengono utilizzati due tipologie principali di IP, il multiplexer 28 ed il clock detector 30.
Il clock detector 30 consente il riconoscimento della tipologia e della qualità del clock, attraverso l’uso di un contatore e con soglie di tolleranza definibili.
Il multiplexer 28, invece, riceve come ingressi tutti i possibili ingressi di clock, e, in base allo stato di ognuno di essi e/o in base alla lista delle priorità definita, seleziona il clock più idoneo.
La figura 8 mostra un dettaglio dell’interfaccia di configurazione del clock manager 100d del dispositivo di gestione 1 tramite il software di controllo.
Per quanto concerne la strategia di backup per i segnali audio, schematizzata in figura 11, vengono utilizzati in modo dinamico gli ASRC.
Se l’unità logica programmabile 24 dispone di sufficienti risorse, allora è possibile dedicare un ASRC per ogni segnale presente nella lista di backup, così da garantire il passaggio “glitch free”, ovvero senza alcuna alterazione nel segnale audio a singolo campione. Se invece l’unità logica programmabile non dispone di sufficienti risorse, allora è possibile implementare una funzione di “Input Patch” che permette di allocare un solo ASRC per ogni segnale da fornire al processing. Tale ASRC è preceduto da un multiplexer 29, pilotato da un blocco IP di signal status 31, che determina lo stato dei diversi canali inseriti nella priority list (figura 11).
La figura 10 mostra un dettaglio 100e dell’assegnamento Input patch del dispositivo di gestione 1 tramite l’interfaccia del software di controllo.
Il dispositivo di gestione 1 si presenta come un processore in grado di effettuare un’elaborazione completa (“full processing”) per 16 canali di input e 16 di output. Tuttavia, attraverso la tecnologia dei Pickoff point di seguito descritta, è possibile rendere tale processore in grado di fornire un numero di canali processati superiore.
La funzionalità dei PickOff Point è quella di estrarre il segnale audio ad un certo punto del processing ed inviarlo ad una delle uscite del dispositivo. Con questa soluzione, i canali processati possono risultare superiori rispetto a quelli tradizionalmente allocati come ingresso-uscita. Ad esempio, il dispositivo di gestione 1 processa 16 canali. Le 16 uscite del processing vengono inviate a una o più uscite fisiche (non vale il viceversa, ossia, ogni uscita fisica non può essere pilotata da più segnali audio). Con il Pickoff point è possibile, ad esempio, prelevare il segnale dopo l'elaborazione inserita dall'Input Dsp ed inviare tale segnale direttamente ad un'uscita fisica. Tuttavia, il medesimo canale processato può proseguire il suo percorso. In tal modo si aumenta, virtualmente, il numero di canali processati, mentre il numero di canali di ingresso e di uscita del dispositivo sono prefissati a livello hardware.
Pertanto, la tecnologia Pickoff Point consiste nel poter prelevare il segnale in qualsiasi punto della catena audio, per poi indirizzarlo ad una o più delle uscite fisiche. In particolare, come illustrato nello schema a blocchi della figura 14, è possibile:
- prelevare il segnale dopo l’input patch 30, ossia dopo l’elaborazione dell’ASRC (il canale è sincrono e quindi può essere indirizzato verso qualsivoglia uscita);
- prelevare il segnale dopo l’intervento dell’Input DSP 32;
- prelevare il segnale dopo l’intervento dell’Aux Mixer 34;
- prelevare il segnale dopo l’intervento della Matrix Mixer 36;
- prelevare il segnale dopo l’intervento dell’Output DSP 38;
Questa tecnologia è realizzata, nell’unità logica programmabile 24, attraverso l’utilizzo di uno stream, o vettore, dotato del segnale di dato e di un segnale di controllo, che raccoglie tutti i campioni prima e dopo l’intervento di ogni blocco funzionale che implementa l’algoritmo di elaborazione audio.
Ad esempio, come illustrato nello schema di figura 12, la creazione del vettore avviene nel modo seguente:
[8 canali analogici] - sono già sincroni in quanto l’hardware è stato realizzato affinchè il clock degli A/D e D/A sia il master clock;
[8 canali analogici, 16 ASRC] - vengono concatenati i 16 canali derivati dall’intervento dei 16 ASRC;
[8 canali analogici, 16 ASRC, 16 Input Dsp] - vengono concatenati i 16 canali derivati dalla scelta della priority list per l’input patch;
Questo principio è applicabile per un numero a piacere di canali e per un numero a piacere di blocchi di processing.
È anche possibile, ad esempio, iniettare in un certo blocco di processing, segnali sincroni provenienti dall’esterno, scavalcando, di fatto, alcuni blocchi. L’allineamento temporale viene garantito dalla gestione dei blocchi di processing, che inseriscono eventuali compensazioni in base alle politiche di pipeline utilizzate.
L’utilizzo dell’unità logica programmabile FPGA consente di gestire il tutto a singolo campione, in quanto, ipotizzando ad esempio un clock di sistema pari a 100MHz ed un clock di campionamento pari a 96kHz (frequenza di campionamento del master clock del dispositivo di gestione 1), significa avere a disposizione circa 1040 colpi di clock. Data la capacità dell’FPGA di applicare processing (gain o delay o filtri) ad singolo colpo di clock, significa poter gestire un vettore di campioni lungo a piacere.
Alle forme di realizzazione del dispositivo di gestione di segnali digitali audio secondo l’invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.
Claims (16)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di gestione di segnali audio digitali, comprendente una pluralità di canali di ingresso adatti a ricevere segnali audio di ingresso ed una pluralità di canali di uscita adatti a trasmettere segnali audio di uscita, un’unità di elaborazione a microprocessore ed unità logica programmabile, in cui: - l’unità di elaborazione è configurata per gestire il sistema operativo ed un applicativo embedded adatto a dialogare con un’interfaccia utente per la configurazione dell’unità logica programmabile; - l’unità logica programmabile è configurata per gestire i canali di ingresso e di uscita, l’elaborazione dei segnali audio digitali per il tramite di un algoritmo di elaborazione audio e segnali di clock per il tramite di un software di gestione dei clock.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la configurazione software/hardware dell’unità logica programmabile è definita da un file di bitstream caricato sull’unità logica programmabile dall’unità di elaborazione.
- 3. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile e l'unità di elaborazione sono configurate per implementare una funzione di assegnamento di uno o più canali di ingresso da sottoporre all’algoritmo di elaborazione audio ad un gruppo, in modo da permettere all’utente, per il tramite dell’interfaccia utente, di controllare simultaneamente i parametri di elaborazione di tutti i canali assegnati a tale gruppo.
- 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile è dotata, per ogni canale di ingresso, di un Sample Rate Converter Asincrono, ASRC, in modo da sincronizzare segnali digitali audio con segnali di clock completamente indipendenti tra di loro.
- 5. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui l’unità logica programmabile è configurata per: - processare contemporaneamente un numero massimo di canali di ingresso e di canali di uscita; - processare due o più protocolli diversi di trasmissione di segnali digitali audio; - convertire un segnale digitale audio ricevuto in un primo formato corrispondente ad un primo protocollo di trasmissione in un segnale digitale audio in un secondo formato corrispondente ad un secondo protocollo di trasmissione; - assegnare qualsiasi canale di ingresso ad un qualsiasi canale di uscita.
- 6. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui l’unità logica programmabile è configurata per implementare una funzione di collegamento diretto adatta a riportare su un canale di uscita esattamente un segnale audio presente su un canale di ingresso in modo da permettere un collegamento in cascata di due o più dispositivi di gestione per effettuare un’elaborazione di un numero di canali trasmessi con un protocollo multicanale punto-punto superiore al numero massimo di canali processabili da un singolo dispositivo di gestione.
- 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile è configurata per definire una priorità per l’elaborazione dei canali di ingresso e per i segnali di clock, l’unità logica programmabile essendo configurata per rilevare lo stato dei canali di ingresso e dei segnali di clock e per selezionare il canale di ingresso e di clock in base allo stato di detti segnali e/o sulla base di una priority list definita dall'utente.
- 8. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui, per la gestione dei segnali di clock, l’unità logica programmabile è programmata per implementare: - un clock detector adatto a consentire il riconoscimento della tipologia e della qualità di un segnale di clock attraverso l’uso di un contatore e con soglie di tolleranza definibili; - un multiplexer adatto a ricevere come ingressi tutti i possibili segnali di clock in ingresso al dispositivo e, in base allo stato di ognuno di essi ed in base alla lista delle priorità definita, selezionare il clock più idoneo.
- 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile è configurata per allocare un Sample Rate Converter Asincrono, ASRC, a più canali da elaborare, detto ASRC essendo comandato da un multiplexer pilotato sulla base dello stato dei diversi canali da elaborare o inseriti in una priority list stabilita dall’utente per il tramite dell’interfaccia utente.
- 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile è configurata per allocare un solo Sample Rate Converter Asincrono, ASRC, per ogni canale da sottoporre ad elaborazione, in cui detto ASRC è preceduto da un multiplexer pilotato da un blocco di rilevazione stato canale che determina lo stato dei canali ingresso e/o inseriti in una lista di priorità stabilita dall’utente per il tramite dell’interfaccia utente.
- 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità logica programmabile è configurata per implementare una funzione di PickOff Point che permette di indirizzare ad un canale di uscita un segnale audio prelevato in un certo punto della catena di elaborazione implementata dall’algoritmo di elaborazione audio, in modo da ottenere in uscita un numero di canali processati superiore al numero massimo di canali processabili contemporaneamente dall’algoritmo di elaborazione.
- 12. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui la funzione di PickOff Point è implementata attraverso l’utilizzo di uno stream, o vettore, che raccoglie tutti i campioni di un segnale audio prima e dopo l’intervento di ogni blocco funzionale che implementa l’algoritmo di elaborazione.
- 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’unità di elaborazione e l’unità logica programmabile sono implementate su un unico circuito integrato.
- 14. Kit di gestione di segnali audio digitali, comprendente un dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed un’interfaccia utente basata su software di controllo del dispositivo di gestione comprendente porzioni di codice per: - monitorare lo stato dei canali che transitano attraverso il dispositivo di gestione; - controllare lo stato di parametri di configurazione che regolano l’elaborazione dei segnali digitali audio effettuata dall’unità logica programmabile; - modificare lo stato di detti parametri di configurazione.
- 15. Kit secondo la rivendicazione precedente, in cui il monitoraggio dello stato dei segnali audio digitali avviene attraverso uno scambio di pacchetti UDP (“User Datagram Protocol”).
- 16. Kit secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui il software di controllo utilizza uno scambio di pacchetti TCP con l’unità di elaborazione per leggere e/o lo stato dei parametri di configurazione.
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