DF2 - Вторая версия DIY ЦФ

[dortonyan]

Итак, обещанный проект нового ЦФ.
Опыт прошлой ветки показал, что вопросы построения ЦФ сводятся к конкретному проекту. Поэтому решил создать отдельную.

Исходная ветка с обсуждением различных реализаций ЦФ здесь.
Ветка про ЦФ DF1 здесь.

С момента публикации прошлой версии ЦФ прокачал скилл по верилогу, поэтому новый ЦФ выполнен проще, и с более сложной арифметикой. В частности добавлены опции шейпера и дополнительного апсемплера, что позволяет выводить данные в том числе на малоразрядные ЦАП, типа AK4499EX.
Получив определенный опыт понял о чем писал Сергей Агеев (на счет реализации умножителей и многовходовых сумматоров на FPGA). Если правильно выбирать длину конвейера, то нет смысла изобретать оригинальную схему умножителя. Компилятор синтезирует лучше.
То же самое касается описания сумматоров: использование многовходовых сумматоров оптимизируется лучше, чем ручная разбивка на двух-входовые.

В отличие от предыдущего проекта, новый делался как заготовка для самостоятельного применения и доработки под свои задачи. Поэтому все режимы досконально не тестировались, и проект выкладывается "как есть" в версии альфа.
В исходниках есть только пара примеров: для FPGA cyclone и lcmxo2.
Описание содержит краткое перечисление основных параметров, а так же инструкцию по самостоятельной сборке проекта и генерации собственных коэф-тов в MatLab.
Картинок много, текста мало. Все как мы любим.
Утилита и ее исходник для автоматизированной конверсии коэф-тов в формат верилога прилагается.
Так же прилагаются матлабовские модели всех каскадов фильтра, архив со сгенерированными коэф-тами фильтров, примененных в проекте и симулинк-модель. Для запуска симулинк-модели нужен матлаб версии r2018b.

- 25.09.2023 - Добавил MatLab модель шейпера в симулинке. На этот раз версии r2013b. В 2018-ом матлабе че-то намудрили со спектроанализатором, и в нем амплитуда сигнала получается зависима от порядка шейпера, или от кратности оверсемплинга.

- 27.09.2023 - Правка шейпера 3-го порядка

Шейпер 3-го порядка в проекте выполнен по схеме:

NTF шейпера на 1кГц сигнале:

Данный шейпер оптимизирован для работы на невысокой частоте семплирования (х16..х32) и с разрядностью данных не менее 7..8 бит.
На работы на более высоких ЧД при меньшей разрядности данных можно упростить коэф-т шейпера, улучшив SNR и сэкономив на логике. Для этого исключается слагаемое Gain3 (по схеме симулинка):

В проекте это слагаемое находится в файле DATA_READ.v:

Данное слагаемое отклоняет значение коэф-та от 3-х, создавая дополнительный полюс на NTF. После упрощения коэф-та NTF шейпера принимает вид классического модулятора 3-го порядка.

Можно также это слагаемое не удалять, а менять его величину (увеличивать сдвиг), двигая тем самым полюс NTF.

[свернуть]

- 28.09.2023 - Отрефакторил модули DATA_READ и SAI_OUTPUT. Поправил описание.
- 05.10.2023 - Поправил DF_CONTROL. Поправил описание.

[dortonyan]

Продумываю схему ограничения переполнения выходных данных для нового проекта, и возник вопрос - как правильно строить схему ограничения переполнения.
Перед округлением к данным суммируется дизер или сигнал ООС шейпера, поэтому уровень сигнала может превысить шкалу.
Если отработку переполнения выполнить после суммирования, то в клиппе будет обрезаться шум. И как бы получается, шум модулированный сигналом.
В DF2 я сначала выполняю отработку переполнения, потом небольшую аттенюацию, и потом уже суммирую шейпер и дизер. В таком случае переполнение после суммирования исключается.
А есть ли смысл так делать (сигнал в клиппе в любом случае будет нелинейный)? Кто что думает?

Еще обнаружил момент по дизеру.
При округлении без шейпера для отсутствия гармоник на спектре достаточно дизера амплитудой +/-0.5LSB. Но если урезать разрядность сигнала до небольшой величины (5 бит), и послушать на небольшой громкости (амплитудой в районе 1LSB), то слышно, как на малых уровнях сигнала шум обрывается.
Т.е. получается как бы модулированный сигналом шум.
Получается, что амплитуды +/-0.5LSB не достаточно и дизер должен шуметь даже при отсутствии сигнала?

[Meta|_]

А есть ли смысл так делать (сигнал в клиппе в любом случае будет нелинейный)?

Мне кажется, не нужно. Нафига там шум если это и так щелчок?

Т.е. получается как бы модулированный шумом сигнал.

Наверное наоборот, модулированный сигналом шум?

Получается, что амплитуды +/-0.5LSB не достаточно и дизер должен шуметь даже при отсутствии сигнала?

Формально да. С другой стороны, noise gate - стандартная практика что при звукозаписи, что в звуковых картах (в emu1212m точно был). Не исключаю, что это делают сами микросхемы ЦАП. Так что по дефолту я бы оставил так. Но это вкусовщина, так что лучше сделать настройкой (но разрешать меняфть её в runtime наверное смысла нет).

[dortonyan]

Нафига там шум если это и так щелчок?

Не, ну клипп это же не совсем щелчок, а подрезание амплитуды. На музыкальном сигнале может быть целый шлейф таких подрезаний, которые будут еще и модулировать шум.
Для разрядности от 16 бит наверное пофиг. А если делать что-то совсем малоразрядное с шейпером, то "меня терзают смутные сомнения".

Наверное наоборот, модулированный сигналом шум?

Да, неверно выразился.

Формально да. С другой стороны, noise gate - стандартная практика что при звукозаписи, что в звуковых картах (в emu1212m точно был). Не исключаю, что это делают сами микросхемы ЦАП. Так что по дефолту я бы оставил так. Но это вкусовщина, так что лучше сделать настройкой (но разрешать меняфть её в runtime наверное смысла нет).

В случае с параллельными или однобитными ЦАП это нужно делать самому. В принципе согласен: лучше сделать параметризированным константой, и задавать больше/меньше когда надо.