SISTEMI DI INTRATTENIMENTO DI BORDO: HARDWARE ED

Università Politecnica delle Marche
Dipartimento di Ingegneria Biomedica Elettronica e Telecomunicazioni
SISTEMI DI INTRATTENIMENTO DI BORDO:
HARDWARE ED ALGORITMI
Autore:
Ing. Moretti Emanuele
Relatore:
Prof. Francesco Piazza
Anno Accademico 2007/2008
ABSTRACT
Questo lavoro di tesi si colloca nell’ambito di un dottorato di ricerca industriale,
cofinanziato dall’azienda Marchigiana S.E.I. Servizi Elicotteristici Italiani operante nel campo aeronautico. Visti gli ingenti investimenti fatti da enti governativi e
aziende private all’interno del settore dell’aviazione generale, soprattutto negli Stati
Uniti d’America, si è voluto affrontare il problema dei sistemi di intrattenimento per
ambienti di lusso come i cockpit dei Very Light Jet (VLJ). I VLJ sono l’ultima frontiera della tecnologia per quanto riguarda il “Personal Travelling” poiché forniscono
un mezzo veloce e flessibile per viaggi brevi anche a distanze ad oggi considerevoli.
Inoltre, i costi di acquisto ed esercizio di questi nuovi oggetti sono molto contenuti
rispetto a quanto già esistente. Mentre negli USA si è prestata molta attenzione alla
parte strutturale e avionica del velivolo, nessuno ha studiato i sistemi di intrattenimento hi-end per questo tipo di ambienti. In questo lavoro si sono volute gettare le
basi di un sistema di intrattenimento innovativo multicanale e completamente basato
su approccio digitale. Poiché ambienti come quelli delle cabine dei VLJ sono paragonabili ad abitacoli di automobili di lusso (vedi dimensioni e materiali), i contributi
forniti sono stati testati all’interno di un prototipo di sistema del tutto equivalente,
progettato però per autovettura. In questo lavoro si sono forniti contributi relativamente al sistema hardware, ma gran parte degli sforzi sono stati fatti in campo
algoritmico. Il sistema si basa su NU-Tech, un framework software flessibile e orientato allo sviluppo di algoritmi digitali su base PC in linguaggio C/C++. Il NU-Tech
è formato da un interfaccia grafica sotto forma di Board, un motore compatibile con
ASIO 2.1 e una libreria di plug-in utilizzabili per il testing o semplicemente come
supporto al proprio algoritmo. Utilizzando questa piattaforma software, è possibile
sviluppare direttamente un algoritmo real-time senza doversi preoccupare dell’interfacciamento con hardware professionale o doversi creare la struttura a frame propria
di operazioni real-time. Tutti gli algoritmi che sono stati sviluppati all’interno di
questo lavoro sono pertanto stati realizzati nella loro versione real-time su questa
piattaforma software. Dal punto di vista algoritmico si sono affrontate problemati-
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che relative all’equalizzazione e alla riproduzione di bassi virtuali per ambienti dove
le basse frequenze non sono riprodotte correttamente. È noto infatti che all’interno
di un ambiente di riproduzione, è spesso necessario attuare un equalizzazione del
suono riprodotto per modificare le sensazioni di ascolto, ad esempio in relazione al
genere musicale o ai gusti dell’ascoltatore. Gli usuali equalizzatori (grafici) però,
presentano problemi soprattutto nel ripple generato nelle zone di incrocio tra filtri
adiacenti. Il contributo dato all’interno di questo argomento riguarda lo sviluppo
di un algoritmo in sottobande che introduce degli extratermini per il controllo del
ripple proprio in queste zone. Utilizzando questa struttura si sono implementate le
versioni uniforme e non uniforme in real-time.
Per quanto riguarda invece quei sistemi che non permetto una corretta riproduzione dei bassi acustici, ad esempio sistemi composti da altoparlanti molto piccoli,
è stato introdotto un nuovo approccio basato sul fenomeno psicoacustico della missing fundamental. Tale approccio si basa sull’utilizzo di tecniche di stima spettrale
parametrica del segnale (Metodo di Prony, o metodo combinato FAPI - ESPRIT),
che permette l’individuazione delle armoniche poi utilizzate per la generazione di un
basso virtuale. Inoltre, al fine di rendere il basso virtuale generato più dinamico, e
far si che segua meglio i cambiamenti veloci propri di un segnale musicale, è stata
introdotto un algoritmo di guides tracking per il controllo dei parametri di generazione delle armoniche. La tecnica del Virtual Bass può inoltre essere utilizzata
per ricreare la sensazione del basso in ambienti con elevato rumore specialmente
alle basse frequenze, come possono essere abitacoli di automobili o cabine di velivoli. Infatti spostando “l’effetto” del basso più in alto in frequenza, si pensa che la
percezione da parte dell’ascoltatore migliori. Anche in questo caso, di entrambi le
versioni, sono state effettuate le implementazioni real-time.
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ABSTRACT (English)
This thesis derives from a PhD course focused on industrial research, co-founded
by S.E.I company (Servizi Elicotteristici Italiani). In particular, entertainment systems for luxury vehicles, such as Very Light Jet (VLJ) cockpits, have been considered due to the great investments made by agencies and private companies into
general aviation. VLJ are the last frontier of technology in “Personal Traveling”
providing fast and flexible means for trips and long distance journeis. Moreover, its
unit and operating costs are reasonable. While structural and avionic aspects have
received great attention in the USA, no efforts have been made to design hi-end
entertainment systems for this kind of vehicles. In this work the foundation for
an innovative all-digital multichannel entertainment system will be laid. Moreover,
since a VLJ cockpit is similar to a luxury car cabin for dimensions and materials,
proposed contributions have been tested with a system prototype customized for a
car, for simplicity, but which can be equivalently designed for a VLJ application.
COntributions of this work comprise hardware definition, specification and design,
but the main focus is on software development. The system is based on NU-Tech, a
flexible PC-based software framework oriented to digital algorithms design written
in C++ language. Nu-Tech is composed by a graphical interface (the Board), a
simulation engine compatible with ASIO 2.1 protocol and a Plug-Ins library which
can be easily plugged into the graphical interface design environment to create proper networks and to help the developer test its own Plug-Ins. NU-Tech allows for
real-time algorithm design and exploration without the need to manually interface
with professional hardware or to set up the frame-oriented architecture suited for
real time applications. Therefore, all algorithms implemented in this work are NUTech real-time oriented Plug-Ins. In particular, equalization and virtual bass issues
have been deal with in this work. It is known that, with reference to a listening environment, it is often necessary to equalize the reproduced signal to improve sound
perception, for example taking into account the particular musical genre or the taste
of the listener. Standard graphic equalizers used for this task can present problems,
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especially for the ripple observable between adjacent filters. Starting from this, the
contribution given in this field have pertained to the design of a subband algorithm,
introducing extra terms to control the amount of ripple. The subband division can
be uniform or non uniform, and both structures have been implemented.
With regard to poor bass reproduction e.g. due to small loudpspeakers, a new
approach based on the missing fundamental phenomenon has been introduced. It
is based on the use of high resolution parametric spectral estimation techiniques
(Prony, or Fast Approximated Power Iteration combined with Estimation of Signal
Parameters via Rotational Invariance Techniques) in order to define the harmonics
to be generated which constitute the virtual bass signal. Moreover, a guides tracking
algorithm has been introduced to control the parameters of harmonics generation.
The tracking allows for a virtual bass signal capable of following the dynamics of
musical signals. The virtual bass technique can be applied to recreate the sensation
of bass signals even in highly noisy environments, with low frequency noise, such
as car or aircraft cockpits. By moving the bass effect to higher frequencies, the
listening sensation could be improved. Both these algorithms have been real-time
implemented on NU-Tech.
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