title: Reconfigurable logic based second generation digital sound processing and enhancement system
title: Δεύτερης γενιάς σύστημα επεξεργασίας και βελτίωσης ψηφιακού ήχου, βασισμένο σε αναδιατασσόμενη λογική
Creators: name: Κοκκινης Ηρακλης-Ταξιαρχης
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: When it comes to digital audio, for a long time the most common format to store and distribute music was the CD quality of 44.1 kHz sampling rate and 16 bit depth. For many music enthusiasts, the CD quality is unable offer the best possible listening experience possible, supporting the superiority of high-resolution audio formats. The jury is still out, on the qualities and advantages of high resolution audio formats. This thesis diploma aims to improve standard CD quality files with the application of the cubic spline interpolation mathematical method on uncompressed .wav file, based on previous work done by Triantafillos Mourtzanos.
Having studied the capabilities of the human ear and the role played by psychoacoustics on the auditory experience and the mathematics behind audio engineering as well as interpolation, the mathematical models of linear and cubic spline interpolation were recreated, using Matlab, as presented by Triantafillos Mourtzanos, which utilized floating point arithmetic. These models were then converted to a more hardware efficient approach, using a four data point window of inputs and fixed-point arithmetic. The new models were then compared, with a variety of audio files as inputs, judging the results by their spectrograms, waveforms and the audibility of the resulting WAVE files, confirming the viability of fixed point arithmetic for the models.
As a follow-up a hardware implementation was was designed targeting a Zedboard FPGA, using Vivado HLS, Vivado and Vitis, developed by Xilinx. The resulting implementation was compared to a software adaptation and its results were compared to the fixed point model developed in Matlab.
description: Όσον αφορά τον ψηφιακό ήχο, για μεγάλο χρονικό διάστημα η πιο κοινή μορφή αποθήκευσης και διανομής μουσικής ήταν η ποιότητα CD με ρυθμό δειγματοληψίας 44,1 kHz και βάθος πληροφορίας τα 16 bit. Για πολλούς λάτρεις της μουσικής, η ποιότητα του CD δεν μπορεί να προσφέρει την καλύτερη δυνατή ακουστική εμπειρίας, υποστηρίζοντας την ανωτερότητα των μορφών ήχου υψηλής ανάλυσης. Δεν υπάρχει προς το παρόν κοινή ετυμηγορία, σχετικά με τις ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα των μορφών ήχου υψηλής ανάλυσης. Αυτή η διπλωματική εργασία στοχεύει στη βελτίωση των τυπικών αρχείων ποιότητας CD με την εφαρμογή της μαθηματικής μεθόδου cubic spline interpolation σε ασυμπίεστο αρχείο .wav, βασισμένη σε προηγούμενη εργασία από τον Μουρτζανό Τριαντάφυλλο.
Έχοντας μελετήσει τις δυνατότητες του ανθρώπινου αυτιού και τον ρόλο που έχει η ψυχοακουστική στην ακουστική εμπειρία, καθώς και τα μαθηματικά πίσω από την ηχητική μηχανική και τις μεθόδους interpolation, τα μαθηματικά μοντέλα των Linear  και cubic spline interpolation αναδημιουργήθηκαν, χρησιμοποιώντας τη Matlab, όπως παρατέθηκαν από τον Μουρτζανό Τριαντάφυλλο, που χρησιμοποίησε αριθμητική κινητής υποδιαστολής. Αυτά τα μοντέλα στη συνέχεια μετατράπηκαν σε μια αποδοτικότερη από μεριάς υλικού προσέγγιση, χρησιμοποιώντας ένα παράθυρο τεσσάρων δεδομένων και αριθμητικής σταθερού σημείου. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν τα νέα μοντέλα, με μια ποικιλία αρχείων ήχου ως εισόδους, κρίνοντας τα αποτελέσματα από τα φασματογραφήματά τους, τις κυματομορφές και την ακρόαση των παραγόμμενων αρχείων WAVE, επιβεβαιώνοντας τη καταλληλότητα της αριθμητικής σταθερού σημείου για τα μοντέλα.
Στην συνέχεια, σχεδιάστηκε μια υλοποίηση υλικού που στοχεύει ένα Zedboard FPGA, χρησιμοποιώντας τα Vivado HLS, Vivado και Vitis, που αναπτύχθηκαν από την Xilinx. Η προκύπτουσα εφαρμογή συγκρίθηκε με μια προσέγγιση λογισμικού και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με το μοντέλο σταθερού σημείου που αναπτύχθηκε στο Matlab.