UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

Resumen del proyecto

Amplificador de auriculares con interfaz USB y “crossfeed” digital

Autor: Fernando de Miguel de Couto Director: José Daniel Muños Frías

Resumen del proyecto. El problema que intenta resolver el filtro ‘crossfeed’ es recuperar la sensación estéreo que se pierde cuando se reproduce música con los auriculares, ya que estos fuerzan cada canal directamente a cada oído, y de esta forma se pierde la sensación de espacio que se conseguiría con unos altavoces. Por lo tanto, un filtro 'crossfeed' consiste en la naturalización de la música estéreo a través de auriculares. Este tipo de filtro consigue que al escuchar música estéreo en los auriculares, ésta sea lo más envolvente posible. Es decir, que con la información básica que disponen los reproductores de música, obtenida de los dos canales, el izquierdo y el derecho, el oyente pueda apreciar un sonido envolvente de lo que se está escuchado. Por lo tanto que pueda identificar de donde provienen los diferentes sonidos, y la distancia a la que estarían de su persona. La sensación de naturalidad con la que escuchamos los sonidos se produce por la simultaneidad de diferentes circunstancias. Para saber de dónde proceden los sonidos, basta con controlar la atenuación y el tiempo con que llega la señal a los oídos, de esta manera se puede determinar con bastante precisión la lejanía de la fuente de sonido. Esta característica suele venir incluida en la información grabada de la música estéreo, ya que las ondas de sonido se grabaran con la atenuación y el tiempo de llegada natural que corresponda a la distancia de donde este el grabador.

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Resumen del proyecto Otra causa son las reflexiones y absorciones que pueda hacer nuestra cabeza con dichas ondas de sonido. Esto puede amplificar o atenuar la señal en diferentes frecuencias que, añadido a las reflexiones del sonido en los medios físicos que rodean al oyente, dan la sensación de profundidad y espacio, es decir, la naturalidad de la situación. El 'crossfeed' consigue reproducir esta sensación, centrándose en las causas más importantes de percepción de la señal; ya que cuando se escucha música estéreo, todas estas causas de profundidad y direccionalidad de las fuentes de sonido se pierden, y la acción del movimiento natural de la cabeza para detectar las fuentes de sonido, también desaparecen. Lo que puede llevar a acarrear estrés mental, sobre todo a las personas que trabajen con la música, o estén gran parte del día escuchando música. Cada fuente de sonido puede producir señales diferentes, ya sean sonidos agudos (con una frecuencia elevada) o sonidos graves (con una frecuencia menor a la de los sonidos agudos), y, como se ve en la Figura 1, según la posición de las fuentes de sonido, la señal que llega a nuestros oídos es diferente, a causa de la distancia que hay entre ellos, y todas las reflexiones y absorciones nombradas con anterioridad.

Figura 1: Percepción de las señales según su posición

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Resumen del proyecto

Por esta razón, el filtro 'crossfeed' aplica un paso bajo y un paso alto a cada canal de audio de la música estéreo. Como se puede apreciar en la Figura 2, el filtro 'crossfeed' de este proyecto, consigue la naturalización de la señal a través del uso de filtros en los canales de audio. Para ello, se realiza una alimentación cruzada de la señal. Se suma la señal obtenida de un filtro que refuerza los altos de un canal (filtro que deja pasar las frecuencias bajas de dicho canal, y robustece las frecuencias altas de dicho canal), con la señal obtenida del paso bajo del otro canal (ya que las ondas que más se sienten en la lejanía son, y son absorbidas por los tejidos de la piel, son los graves). Aplicando por último un retardo a la señal que sale del paso bajo, retardo que físicamente correspondería con el tiempo de retraso en que una señal llegue al oído izquierdo, cuando primero ha llegado al derecho, o viceversa.

Figura 2: Diagrama de bloques del filtro crossfeed

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Resumen del proyecto El filtro 'crossfeed' está hecho de forma digital, ya que el mundo digital, a día de hoy, ofrece muchas mejoras en comparación con el mundo analógico. Gracias a realizarlo de esta forma, se consiguen valores de filtrado más perfectos, sin ruidos, y retrasos o sumatorios de señal mucho más exactos. El filtro se ha realizado con un microcontrolador de la marca XMOS, el XS1L8-64, microchip con soporte para USB 2.0 de audio, formado por un núcleo y 8 hilos en paralelo.

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Abstract

Headphone amplifier with USB interface and “crossfeed” digital.

Author: Fernando de Miguel de Couto Director: José Daniel Muños Frías

Abstract The problem the 'crossfeed' filter attempts to solve is recovering the stereo sensation that is lost when music is played using headphones. These force each channel directly into the ears loosing the sensation of space gained when playing the music in loudspeakers. A 'crossfeed' filter naturalizes the stereo music being played with headphones. This type of filter allows listening to stereo music in headphones to be as surrounding as possible. In other words, starting from the basic information available to the music players, got from the left and right channel, allow the listener to appreciate the surrounding sound of what was actually recorded. This way, he could perceive where the sounds are coming from and the distance to them. The natural sensation felt when earing sounds is produced by different circumstances that happen simultaneously. For knowing where the sounds come from its enough having control of the attenuation and the time delay it takes a signal to reach the ears. This way, the distance to the source of the sound can be estimated with an acceptable accuracy. This properties are often included in the recorded stereo information since the soundwaves will be recorded with the attenuation and the time delay natural to the distance to the music recorder.

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Abstract Another cause are the reflections and absoritions of the soundwaves that can be caused by our head. This can amplify or attenuate the signal in different frequencies that, added to the reflections of the sound in different objects surrounding the listener, will give a feeling of depth and space, namely, a natural sensation. The 'crossfeed' filter reproduces this sensation by focusing in the most relevant elements for signal perception. When we listen to stereo music with headphones, that which causes deepness and the directionality of the sound is lost along with the natural movement of the head for detecting the sources of the sounds. This can lead to mental stress, specially in people that works with music or spends a great amount of time listening to music. Each sound source can produce different signals, and they can be high-pitched (with a high frequency value) or low-pitched (with a lower frequency value). As shown in the Figure 1, depending on the position of the source, the signal that arrives to our ears is different due to the distance between them and, all the reflections and absortions mentioned before.

Figure 1: Signal perception depending on the position of the sources

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Abstract

For this reason, the 'crossfeed' filter places a low-pass filter and a high-pass filter to each one of the stereo channels. As shown in the FIGURE 2, this project's 'crossfeed' filter achieves the naturalization of the signal thanks to applying these filters to the audio channels. For that, the signals between the channels are crossfeeded. We add the resulting signal of a filter that intensifies the high frequencies of one channel (a filter that allow the low frequencies to pass and intensifies high frequencies) to the signal resulting of a low-pass filter on the other channel (since the soundwaves felt more distant and absorbed by the skin are the low-pitched ones). Finally applying a delay to the signal resulting from the lowpass filter, a delay that physically corresponds with the one it takes a soundwave to get to one ear after having arrived to the other, or viceversa.

Figure 2: ‘Crossfeed’ filter’s blocks diagram

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Abstract The 'crossfeed' filter has been made using digital technologies instead of analog ones due to the many adventages the first offers when comparing them. Thanks to this, the resulting signal is much cleaner, with no noise or delay, and it returns more exact values. The filtering processes has been made using a XMOS microcontroller, the XS1-L8-64, a microchip with USB 2.0 support for audio and a single core with 8 parallel threads.