Resumen 2do parcial PDF

Preview

Summary

resumen para el segundo parcial...

Description

Resumen para 2do parcial de Audio Digital Computadora (arquitectura de Von Neumann):  



 

Tiene 3 partes: memoria, CPU, Entrada/Salida (E/S). Tiene 3 buses: control, datos y dirección (desde CPU a E/S y memoria). o Datos: bidireccional, lleva datos. o Control: bidireccional, lectura y escritura, entre otras. o Dirección: unidireccional, indica de dónde a dónde van los datos. Diagrama en bloques:

E/S (I/O): es un bloque intermedio entre la CPU y los periféricos que adopta los datos y comandos o líneas de control entre ambos. Periférico (a E/S): por ejemplo USB, para conectar mouse, teclado, etc.

Arquitectura de Harvard:    

La memoria de instrucciones (program memory) y de datos (data memory) están físicamente separadas. Tiene más líneas (dos buses de datos y dos de dirección). Es más rápida. Diagrama en bloques:

Soportes: electrónicos (con transistores, básicamente), magnético (disco rígido, cinta), óptico (CD), mecánico (con interruptores) o papel. CPU (Central Processing Unit): Es la unidad capaz de hacer operaciones con una secuencia determinada. Las operaciones suelen ser aritméticas y lógicas, de acceso de memoria y de

1

control. Los resultados de las operaciones pueden guardarse en registros o en locaciones de memoria seleccionadas. Partes: 

 

Unidad de control: es el núcleo del procesador. Lee e interpreta las instrucciones de programas, dirige la operación de los componentes internos y controla el flujo de E/S de programas y datos en RAM. ALU (Arithmetic Logic Unit): es la unidad lógico-aritmética encargada de realizar operaciones lógicas y aritméticas elementales. Registros: son espacios físicos donde se almacenan los datos. Ayudan a controlar instrucciones en ejecución, manejar direccionamiento de memoria y proporcionar capacidad aritmética.

Memoria: es un espacio capaz de contener y almacenar datos, programas y/o resultados de procesos. Características:     

Volátiles o perennes. Con lectura destructiva o no. Tienen un tiempo de respuesta (acceso) y un tiempo de recuperación. Entre ambos formas el tiempo del ciclo. Según el acceso pueden ser del tipo aleatorio (RAM) o secuencial. Secuencial: pueden tener un buffer donde se graban los datos y se recuperar en el mismo orden (FIFO, First In First Out), pueden funcionar con pila (Stack) o LIFO (Last In First Out).

Memoria de sólo lectura (ROM o Read Only Memory):        

El tiempo de acceso para escribir es mucho mayor al tiempo que toma leer. La información se graba en su construcción (información de inicio y de ejecución), con lo que se considera perenne (NO volátil). En general son de acceso aleatorio pero pueden tener acceso secuencial. PROM (Programmable ROM): también es de sólo lectura. EPROM (ERASABLE PROM): hecha con ventana de cuarzo y encapsulado de cerámica (mayor precio). Se puede reprogramar. OTPROM (One Time PROM): se pueden reprogramar una sola vez y tienen encapsulado de plástico (baratas). EEPROM/E2PROM (Electrically EPROM). Flash EPROM: tiene una vida limitada. Se usa en pen-drive (por ejemplo).

Memoria de lectura-escritura: 



Almacenamiento: o Flip-Flop: memoria estática. o Capacitor: memoria dinámica.  Se hacen con juntura G-S (JFET).  Tienen un circuito interno para refrescar datos (descarga de capacitor).  La capacidad es proporcional a la cantidad de pines.  Tienen un mayor tiempo de acceso que con Flip-Flop.  Son más chicos que las hechas con Flip-Flop (pero no tanto). Jerarquía (de acceso más rápido/memoria más cara a acceso más lento/barato): o Registros. 2

Memoria caché: copia de la principal (nivel intermedio). Cambia según el uso y frecuencia de datos de la memoria principal y se puede acceder de manera aleatoria o secuencial (ésta última es más rápida). Para acceso más rápido se incluye en el chip de CPU. o Memoria principal: en ejecución, dinámica. o Memoria secundaria: conectada a E/S. Tecnología: o Bipolar: con consumo estático. o CMOS: sin consumo estático. o



ALU (Arithmetic Logic Unit): tiene código de operación (COP), operandos (OP1, OP2, etc), y da resultados (RES). Esquemas:    

COP-OP1-OP2-RES-Próxima instrucción. COP-OP1-OP2-RES: sin la próxima instrucción. Requiere un PC (Program Counter) o IP (Instruction Pointer, usado en Intel) en el secuenciador. COP-OP1-OP2: en OP2 se guarda el resultado. Ocupa menos espacio y usa PC/IP y registro temporario. COP-OP: requiere un acumulador además del PC/IP y registro temporario.

Los operandos se referencian:   

De forma directa y absoluta. De forma directa y relativa. De forma indirecta (relativa o absoluta).

Capacidad de una memoria: 𝐶 = 2𝑛1 ∗ 𝑛2 , donde 𝑛1 es la cantidad de líneas de direcciones (con un total de 2𝑛1 direcciones) y 𝑛2 es la cantidad de bits, equivalente a la cantidad de líneas de datos. Ejemplo de memoria: conectando dos memorias (M1 y M2) como muestra la figura de abajo, cada una con 14 líneas de dirección (214=16384 direcciones) y 8 líneas de datos (8 bits), la memoria total será: 𝑀 = 𝑀1 + 𝑀2 = 2 (16384 ∗ 8 𝑏𝑖𝑡𝑠) = 32 𝑘𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠

La misma memoria de 32 kB también puede lograrse conectando dos memorias de 13 líneas de dirección (213=8192 direcciones) y 16 líneas de datos (16 bits), de la manera que muestra la figura de abajo (usando una salida extra): 𝑀 = 𝑀1 + 𝑀2 = 2 (8192 ∗ 16 𝑏𝑖𝑡𝑠) = 32 𝑘𝐵𝑦𝑡𝑒𝑠 3

MIDI (Musical Instrument Digital Interface):    

      

  

NO es un protocolo de audio, se transmiten órdenes. Máximo de 16 canales (4 bits). Hay una dirección por cada canal. Esquema unidireccional “maestro-esclavo”. 3 conexiones (no están siempre todas): o Out: de maestro. o In: de esclavo. o Thru: para interconectar equipos. Conector DIN de 5 patas (señal por 4 y 5). UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Se levanta la masa en MIDI-In para desacoplarla (además del opto-acoplador). Utiliza 10 bit (1 byte de datos + 1 bit comienzo + 1 bit parada). El primer bit es el menos significativo. El 1 indica NO circulación de corriente, mientras que el 0 indica circulación de corriente. La frecuencia es de 31250 Hz (3125 palabras por segundo o 320 µs por palabra). Primer byte: si empieza con 0 es de datos, lo que sigue representa una de 128 notas; si empieza con 1 es de estado, 4 bit son la dirección de canal y los otros 3 indican el mensaje de estado: activación de nota, desactivación, presión global nota, presión nota modo polifónico, cambio de programa, cambio de pitch, cambio de modo, mensaje de sistema. Mensaje: de canal (a cada instrumento) o de sistema (a todos los instrumentos). Modos: mono o poly. Rise/fall time menor a 2 µs (de acuerdo a la norma).

Conversores Analógico Digitales (DAC): 

Convierte una señal digital a una salida de tensión o corriente analógica. 4

 

Pueden usarse llaves y operacionales. Tipos: resistores ponderados, escalera R-2R, con capacitores.

Resistores ponderados binariamente:        

Se usa un operacional sumador. Se usan resistores con valores pesados correspondientes al peso de cada bit. Se usan transistores para conmutar cada resistor entre Vref y tierra. Para N bit se usan N resistores, cada uno con valor de 𝑅𝑖 = 2(𝑛𝑖−1)𝑅, donde i es el índice correspondiente a cada bit. Los escalones son de 𝑉𝑟𝑒𝑓 /2𝑁 Es cada vez más costoso a medida que se agregan bits (se limita a 8 bits en general). Tiene una construcción simple y conversión rápida. Circuito:

Escalera R-2R:  

  

Puede usarse un solo valor de R, empleando serie para pasar de R a 2R o paralelo para pasar de 2R a R. Cada llave corresponde a un bit: si el bit está en alto, la llave correspondiente se conecta a la entrada inversora del operacional; si el bit está en bajo, la llave se conecta a masa. No se requiere tanta precisión de resistores. Hay menor velocidad de conversión. Circuito:

5

Especificaciondes de DAC:  

  

Resolución: es el menor incremento analógico, es decir, el cambio del bit menos significativo. 𝑉𝑟𝑒𝑓 /2𝑁 , con N bits. Velocidad: relación de conversión entre entrada digital y salida analógica. Depende del reloj de conversión y del retardo interno del conversor. De la velocidad depende la frecuencia de sampleo Fs. Linealidad: es la diferencia entre la salida real y la ideal en todo el rango de conversión. Hay errores de linealidad cuando la curva obtenida se aparta de la recta ideal. Tiempo de establecimiento (settling time): tiempo requerido para salida estable, limitado por slew rate del operacional. Tensión de referencia: determina el valor de cada escalón y el máximo. Según el DAC es: o DAC multiplicador: Vref externa. o DAC no multiplicador: Vref fija.

Errores de DAC: 

Ganancia:



Offset:

6



Plena escala:



Resolución:



Linealidad:

7



Monotonicidad (una entrada digital mayor produce una salida analógica menor:



Tiempo de establecimiento y sobreimpulso (sobreimpulso es el pico inicial):

Ejemplo de conversor: si la tensión de referencia es de 4 V, el conversor tiene 8 bits y se miden 1,5 V, el valor digital medido se calcula como: 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 ∗ 2𝑛 𝑏𝑖𝑡𝑠 / 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 1,5 𝑉 ∗ 28 /4 𝑉 = 96 Un conversor aproxima el valor medido (V) a través de búsqueda binaria: primero busca en la 1

mitad del valor de referencia 2 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1000 para 4 bits). Luego: 

1

o

o

1

1

1

1

1

Si 𝑉 > ( + ) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1110 para 4 bits) 4 2 4 2 1

1

1

1

1

1

1

1

1

1



Si 𝑉 > ( + + ) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + + + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1111 para 4 8 4 2 8 4 2 bits)



Si 𝑉 < ( + + ) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1101 para 4 bits) 4 8 2 4 2

1

1

1

1

1

1

1

Si 𝑉 < ( + ) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1010 para 4 bits) 4 2 2  



1

1

Si el 𝑉 > 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + 4) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1100 para 4 bits) 2 2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Si 𝑉 > ( 2 + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( 2 + 8 + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1011 para 4 bits) Si 𝑉 < ( 2 + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( 2 + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (1001 para 4 bits) 1

1

Si 𝑉 < 2 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en 4 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0100 para 4 bits) o

1

1

1

Si 𝑉 > 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0110 para 4 bits) 4 4  

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Si 𝑉 > ( + ) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( + + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0111 para 4 bits) 8 8 4 4 Si 𝑉 < ( 4 + 8) 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en ( 4 + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0101 para 4 bits)

8

o

1

1

Si 𝑉 < 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en 8 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0010 para 4 bits) 4  

1

1

1

Si 𝑉 > 8 𝑉𝑟𝑒𝑓 busca en ( 8 + 16) 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0011 para 4 bits) 1

1

Si 𝑉 < 8 𝑉𝑟𝑒𝑓 , busca en 16 𝑉𝑟𝑒𝑓 (0001 para 4 bits)

Conversor oversampling (delta sigma): aparecen también como “modulador sigma delta”, en general incluyen DSP. La señal se muestrea a una tasa mayor a la necesaria para facilitar el diseño del filtro. Clasificación DAC:  

Mid-rise: tienen misma cantidad de escalones positivos como negativos (el cero no está). Mid-tread: tienen cero y un escalón negativo más que los positivos.

S/N R: aumenta 6 dB por cada bit agregado. Aumentar el ancho de banda mejora la relación señal ruido pero poco. Conversores AD que no tienen conversor DA:  

Doble rampa: usado en tester. Se basa en la carga y descarga de un capacitor. Flash: tiene 2𝑛−1 comparadores.

Conversor de doble rampa: 

La tensión medida es 𝑉 = 𝑉𝑟𝑒𝑓

𝑡 𝑇

, donde t (T2 en la figura) es el tiempo de descarga del

capacitor (variable) y T (T1 en la figura) es el tiempo de carga (fijo).

  

El límite de tensión de entrada depende de la tensión de alimentación (y/o saturación) del operacional. Un valor mayor tarda más en medirse que uno menor. El tiempo T (T1 en la figura) está dado por los valores de R y C elegidos.

Dithering: se le agrega ruido a la señal para que se perciba menor ruido armónico. Punto flotante: como el ruido está en la mantisa, la SNR es “constante”. Los escalones son desiguales. Conversor de ancho de pulso (PWM o Pulse Width Modulation):  

Es clase D. Tiene un integrador (pasa-bajos) para pasar de digital a analógico. 9

Características ideales para elección de un código de línea:   

Valor medio nulo. Autosincronización. Insensible a la inversión de polaridad.

Códigos bifase: idealmente no deben ser sensibles a la polaridad. Más usados:  

Manchester: hay un flanco auxiliar con dos 1 o dos 0 sucesivos. Son sensibles a la polaridad. Manchester diferencial: en el 1 no hay flanco intermedio y en el 0 hay flanco intermedio. No cambia con la polaridad y se usa en SPDIF y AES-EBU.

Detección de errores:   

Checksum: se manda el complemento a la base del resultado de la suma de todos los bits, sin acarreo. CRC (Cyclic Redundancy Check): se manda el resto de una división binaria entre la suma de los bits y un polinomio determinado. CHA256: algoritmo más complejo.

CD:     

  

Es un formato físico y un medio óptico. Hay “valles” y “lomos” con diferencias de un cuarto de longitud de onda de la luz entre sí. De esta forma se generan refuerzos y cancelaciones. La grabación está más cerca del lado de la carátula. Tiene un sistema de corrección de errores. No se graba en secuencia. Hay interleaving, se altera el orden de los datos para que, en la decodificación, los errores de ráfaga queden como errores aleatorios que pueden corregirse con bits de paridad. La copia se hace masivamente mediante estampado. Almacenamiento: 44.1 kHz de muestreo, 16 bits de cuantificación, 2 canales, codificación LPCM (Linear Pulse Code Modulation). Se usa un filtro elíptico de orden 10.

Formateo – Digitalización de la información:

10

Filtros analógicos:     

Butterworth: tiene la máxima planicidad. Chevyshev: tiene la menor distorsión de fase. Elíptico (Cauer): tiene la transición más rápida. Bessel (Thompson): es el más complicado pero está optimizado para fase lineal y respuesta al pulso. La caída de los filtros depende del orden (cantidad de polos).

Filtros analógicos vs digitales:

Conversión de tasas de muestreo:   

Interpolación: es el aumento de la cantidad de muestras de una señal ya muestreada. El espectro se “abre”. Decimación o apodización: se disminuyen la cantidad de muestras de una señal ya muestreada. El espectro se “cierra”. Ejemplo: para pasar de 44.1 kHz a 48 kHz, se debe decimar en un factor de 147 e interpolar en un factor de 160.

AES-3:       

Hecho por AES/EBU en 1992. Protocolo para equipos profesionales. Interfaces digitales en serie (1 solo cable). Entorno digital: sampleo hasta 48 kHz, cuantificación uniforme, sincronización y señalización con código bifase manchester, comandos de control protocolares. Conexión: BNC coaxil de 75 Ω o XLR-3 STP 110 Ω. Cada muestra se representa con 16, 20 o 24 bits. Hay una trama de 64 bits con 2 subtramas de 32 bits. Subtrama:

11

  

La frecuencia del clock es 64Fs, donde Fs es la frecuencia de sampleo. El preámbulo NO sigue el código de línea. Diagrama en bloques:

 

En la entrada puede haber un transformador o un operacional. El data slicer toma la fluctuación del valor medio de la señal y la remueve.

Preámbulo (AES-3):       

X (sub-frame 1/canal L), Y (sub-frame 2/canal R) y Z (sub-frame 1/canal L + block start). Block start: dónde empieza/termina la data extra, que ocupa 192 bits. 8 bits que representan 4. Hay bits de paridad. Código NRZ (No Return to Zero). Para la detección del preámbulo se hace la correlación entre tramas. Considerando los 192 bits de “sobra” (bit C de la trama, se usa para enviar estado del canal), se habla de una supertrama.

SPDIF:    

Sony-Philips Digital InterFace. Es para equipos de consumo (no profesionales). Es prácticamente idéntica a AES-3. Conexión: RC/BNC coaxial de 75 Ω o fibra óptica (Toslink de Toshiba).

12

Diferencias entre AES/EBU y S/PDIF:

AES-10 (MADI o Multiple Audio Digital Interface):        

2003. Equipos digitales con interfaces digitales en serie. Se pueden mandar pares de AES-3. La sincronización es por NRZI-M (mark) y 4/5 Coding (entras 4 y salen 5 bits). Transmisión a 125 Mbit/s. Clock sincronizado por GPS (satélite). Conexión: BNC coaxil de 75 Ω o fibra óptica. Con la fibra óptica se pueden conectar estaciones a mucha distancia. Se agrega un 25% de redundancia, con lo que la tasa de datos (R) es 100 Mbit/s.

FLAC (Free Lossless Audio Codec):    

 

Método de compresión PCM sin pérdida, basado en predictores y residuos. Excepto un bloque específico de metadatos, el resto se codifica en Big-Endian (primero el más significativo). Es un formato de código abierto para decodificación en tiempo real sin gran requerimiento de hardware. Aprovecha la correlación entre canales. En estéreo, permite asignar: o Independiente (ambos canales por separado). o Mid-Side. o Left-Side. o Right-Side. Soporta metadatos en formato flexible (etiquetas, tablas de búsqueda, imágenes). Utiliza 4 métodos de predicción: o Verbatim: predictor de orden cero (no hay compresión). o Constante: cuando hay un valor constante (silencio digital). o Lineal fijo: de orden 0, 1, 2, 3 o 4. El único parámetro a transmitir es el orden. o Lineal FIR: predicción lineal de hasta orden 32. Se transmiten los coeficientes para la decodificación. 13

 

Para comprimir se usan códigos de longitud variable (códigos de Golomb-Rice, donde una parte está codificada con binario puro y otra con Huffman). Metadata: o Cuesheet: dónde está cada tema. Puntos de edición. o Padding: se agregan ceros para alinear distintas partes. o Application. o Stream info: mínimo y máximo tamaño de muestras y de bits por bloque, canales, bits por muestra, simple rate, total de muestras, checksum. o Vorbis: comentarios. Números en little-endian, cada comentario tiene una “key” (álbum, género, track, artista, etc.). o Picture: hay tipos (cover, artist logo, etc.).

VCO (Voltage Crontrolled Oscilator):   

Oscilador controlado por tensión. Se puede usar un varicap (diodo usado como capacitor variable por tensión). Diagrama en bloques:



Hay un detector de fase (PD), un filtro pasa bajos (LPF)¸un VCO y un dividor (DIV). A la salida se tendrá 𝑓𝑜𝑢𝑡 = 𝑁𝑓𝑟𝑒𝑓 , donde N es el factor de división del divisor. Se puede agregar otro divisor a la salida para mayor precisión. Ejemplo: para pasar de 48 kHz a 44.1 kHz, el primer divisor tendría un factor de 147 y el segundo uno de 160 (44.1 kHz = 147/160*48 kHz).



Tipos de compresión:

14

Compresión:    



En una señal de video/imágenes, el valor medio es mayor a 1. En una señal de audio, el valor medio es 0. Los...