SISTEMI DI INTRATTENIMENTO DI BORDO: HARDWARE ED ALGORITMI

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Fabiano Viviani
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1 Università Politecnica delle Marche Dipartimento di Ingegneria Biomedica Elettronica e Telecomunicazioni SISTEMI DI INTRATTENIMENTO DI BORDO: HARDWARE ED ALGORITMI Relatore: Prof. Francesco Piazza Autore: Ing. Moretti Emanuele Anno Accademico 2007/2008

INTRATTENIMENTO DI BORDO: HARDWARE ED ALGORITMI Relatore: Prof.

2 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 problematiii

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

3 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. iii

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.

4 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 NU- Tech 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, iv

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.

5 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. v

The subband division can be uniform or non uniform, and both structures have been implemented. With rega

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