Disseny de Sistemes Integrats per a Processament Digital
Codi: 42839 Crèdits: 6| Titulació | Tipus | Curs |
|---|---|---|
| 4313797 Enginyeria de Telecomunicació / Telecommunication Engineering | OB | 1 |
Professor/a de contacte
- Nom:
- Jordi Carrabina Bordoll
- Correu electrònic:
- jordi.carrabina@uab.cat
Equip docent
- Eloi Ramon Garcia
- (Extern) Nil Franch Masdeu
- (Extern) Waldo Nogueira Vazquez
Idiomes dels grups
Podeu consultar aquesta informació al final del document.
Prerequisits
És recomanable tenir coneixements de:
Processament Digital del Senyal
Disseny de Sistemes electrònics
Sistemes Digitals i Llenguatges de Descripció del Hardware
Sistemes Electrònics i Aplicacions
Objectius
(Aquesta matèria ha estat actualitzada per al curs 2024-25)
L' objectiu principal d'aquest curs és aprendre, comprendre i ser capaç de dissenyar sistemes electrònics per al processament digital de senyals amb l' enfocament en sistemes integrats.
Aquests sistemes estan compostos per circuits integrats que gestionen la seva computació i comunicació. L'estudi d' aquests sistemes integrats s'orientarà a les arquitectures habituals de processament digital de senyals, centrant-se en aplicacions d'acústica, àudio i processament de veu.
S'utilitzaran diferents metodologies de disseny segons el nivell d'abstracció (sistema, arquitectura, implementacions) i s'introduiran els llenguatges de descripció de maquinari (HDL).
Per implementar aquest tipus de sistemes als laboratoris, s'utilitzaran plaques electròniques amb dispositius reconfigurables FPGA.
Competències
- Capacitat de raonament crític i pensament sistemàtic, com mitjans per a tenir una oportunitat de ser originals en la generació, desenvolupament i/o aplicació d'idees en un context d'investigació o professional.
- Capacitat de treballar en equips interdisciplinaris.
- Capacitat per a utilitzar dispositius lògics programables, així com per dissenyar sistemes electrònics avançats, tant analògics com digitals
- Coneixement dels llenguatges de descripció maquinari per a circuits d'alta complexitat
- Mantenir una activitat proactiva i dinàmica respecte la millora continua.
- Que els estudiants siguin capaços d'integrar coneixements i enfrontar-se a la complexitat de formular judicis a partir d'una informació que, tot i ser incompleta o limitada, inclogui reflexions sobre les responsabilitats socials i ètiques vinculades a l'aplicació dels seus coneixements i judicis
- Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
- Que els estudiants sàpiguen comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats
Resultats d'aprenentatge
- Capacitat de raonament crític i pensament sistemàtic, com mitjans per a tenir una oportunitat de ser originals en la generació, desenvolupament i/o aplicació d'idees en un context d'investigació o professional.
- Capacitat de treballar en equips interdisciplinaris.
- Coneixement dels llenguatges de descripció maquinari per a circuits d'alta complexitat.
- Disenyar ASICs
- Dissenyar circuits integrats a partir de llenguatges de descripció de maquinari implementables mitjançant ASICs i/o FPGAs
- Mantenir una activitat proactiva i dinàmica respecte la millora continua.
- Que els estudiants siguin capaços d'integrar coneixements i enfrontar-se a la complexitat de formular judicis a partir d'una informació que, tot i ser incompleta o limitada, inclogui reflexions sobre les responsabilitats socials i ètiques vinculades a l'aplicació dels seus coneixements i judicis
- Que els estudiants sàpiguen aplicar els coneixements adquirits i la seva capacitat de resolució de problemes en entorns nous o poc coneguts dins de contextos més amplis (o multidisciplinaris) relacionats amb la seva àrea d'estudi.
- Que els estudiants sàpiguen comunicar les seves conclusions, així com els coneixements i les raons últimes que les fonamenten, a públics especialitzats i no especialitzats d'una manera clara i sense ambigüitats
- Utilitzar dispositius lògics programables digitals.
Continguts
1. Introducció al Disseny de Sistemes Integrats per al Processament Digital
Fonaments del Processament Digital del Senyal (Quantització, Mostreig, Transformada Z, Disseny Filer, Transformada Digital de Fourier)
Metodologies de disseny microelectrònic per ASIC i FPGA
2. Processament digital del senyal d'alt nivell
Introducció a l'Acústica i a l'Àudio Espacial
Introducció als sons de la parla i al processament de la parla
Models de filtre d'origen
Codificació de veu
Models perceptius i aparells auditius (audiòfons i implants coclears)
Algorismes de millora de la parla i separació de fonts
Àudio espacial (introducció a la panoràmica d'amplitud basada en vectors i ambisònics)
3. Adaptació per a la implementació d'algorismes de processament de senyal
Conversió de freqüència de mostreig asíncrona (ASRC)
Processament de baixa latència en temps real (buffers circulars)
Optimització d'algorismes (Transformada Ràpida de Fourier – Algorismes de Radix)
Algorismes de conversió de coma flotant a coma fixa
Plataformes i biblioteques per al processament d'àudio i audiòfons en temps real
4. Implementació en sistemes integrats
Estructura dels circuits integrats: FPGAs
Modelatge, simulació i síntesi HDL
Gestió del rellotge i l'energia
Verificació i prototipatge
Laboratoris: Processament Digital del Senyal d'Àudio i Parla en Temps Real sobre FPGA
Activitats formatives i Metodologia
| Títol | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|
| Tipus: Dirigides | |||
| Classes Magistrals | 30 | 1,2 | 1, 4, 5, 3, 6, 7, 8, 10 |
| Sessions de Laboratori | 15 | 0,6 | 1, 2, 5, 3, 6, 7, 8, 9, 10 |
| Tipus: Supervisades | |||
| Realització de Treballs Individuals Temàtics | 10 | 0,4 | 1, 6, 7, 8, 9 |
| Tipus: Autònomes | |||
| Estudi | 69 | 2,76 | 1, 4, 5, 3, 6, 7, 8, 10 |
| Preparació i report d'activitats de laboratori | 20 | 0,8 | 1, 2, 5, 3, 7, 8, 10 |
El curs està principalment guiat per les classes magistrals dels professors de l'assignatura que utilitzaran intensivament el material docent (presentacions, documents, enllaços, eines i altres recursos) que estaran disponibles a través del campus virtual.
Es realitzaran exercicis individuals (amb entregues al campus virtual) de temes específics.
Les classes de laboratori permetran aplicar i experimentar els conceptes adquirits sobre plataformes FPGA àmpliament utilitzades a la indústria.
Nota: es reservaran 15 minuts d'una classe, dins del calendari establert pel centre/titulació, per a la complementació per part de l'alumnat de les enquestes d'avaluació de l'actuació del professorat i d'avaluació de l'assignatura/mòdul.
Avaluació
Activitats d'avaluació continuada
| Títol | Pes | Hores | ECTS | Resultats d'aprenentatge |
|---|---|---|---|---|
| Entregues del treball de laboratori | 35% | 1 | 0,04 | 1, 2, 5, 3, 6, 7, 8, 9, 10 |
| Evaluació continuada (Part 1): examen | 25% | 2 | 0,08 | 4, 5, 3, 7, 8, 9, 10 |
| Evaluació continuada (Part 2): Exàmen | 25% | 2 | 0,08 | 1, 4, 6, 9 |
| Exercicis individuals (part 1) | 15% | 1 | 0,04 | 1, 6, 7, 8, 9 |
• Dos exàmens parcials per a cada part de l'assignatura, que donen un 25% de la nota final.
• Treball individual en exercicis temàtics (entregats al campus virtual), que suposa el 15% de la nota final
• Treball en equip al laboratori, programat en 5 sessions, amb l'obligació de lliurar els informes individuals corresponents. Cal una avaluació superior a 5 per aprovar el curs. Aquesta activitat aporta un 35% a la nota final de l'assignatura.
Per obtenir MH caldrà que els alumnes tinguin una qualificació global superior a 8,5 amb les limitacions de la UAB (1MH/10alumnes). Com a criteri de referència, s'assignaran per ordre descendent.
No es tolerarà el plagi ni en els exàmens ni en les activitats individuals entregades al Campus Virtual. Tots els estudiants implicats en una activitat de plagi seran suspesos automàticament. S'assignarà una nota final no superior al 30%.
L’estudiant rebrà una nota de “No Avaluable” en cas que:
- l'estudiant no hagi pogut ser avaluat en les activitats de laboratori per no haver-hi assistit o no haver entregat els corresponents informes sense causa justificada.
- l'estudiant no hagi realitzat un mínim del 50% de les activitats proposades en sessions tutoritzades.
- l'estudiant no hagi aprovat l'avaluació continuada ni realitzat l'examen final
Els estudiants repetidors podran "guardar" la seva qualificació en les activitats de laboratori però no en la resta d'activitats.
Bibliografia
Procesament Digital de la Parla
- Peter Vary, Rainer Martin, Digital Speech Transmission: Enhancement, Coding and Error Concealment, John Wiley & Sons Inc, 2006. (New issue to appear during 2024).
- L.R. Rabiner and W. Schafer. 2007. Introduction to digital speech processing. http://cronos.rutgers.edu/~lrr/dsp%20design%20course/final_speech_paper_1_2008.pdf
- Xuedong Huang, Alex Acero, Hsiao-Wuen Hon, Spoken Language Processing: A Guide to Theory, Algorithm, and System Development, ISBN: 0130226165, Prentice Hall, 2001.
Acústica i àudio 3D
- Jens Blauert, Spatial Hearing: The Psychophysics of Human Sound Localization (Revised Edition), DOI: https://doi.org/10.7551/mitpress/6391.001.0001, ISBN electronic: 9780262268684, , The MIT Press, 1996.
- Franz Zotter, Matthias Frank, Ambisonics: A Practical 3D Audio Theory for Recording, Studio Production, Sound Reinforcement, and Virtual Reality, ISBN 3030172066, Springer, 2019.
- Agnieszka Roginska, Paul Geluso, The Art and Science of Binaural and Multi-Channel Audio, ISBN 9781138900004, Routledge, 2017.
Psicoacústica
- Brian Moore, An introduction to the Psychology of Hearing, 6th Edition, BRILL ACADEMIC PUB, 2006.Link:https://www.finearts.uvic.ca/~aschloss/course_mat/MUS%20511/articles/An%20Introduction%20to%20the%20Psychology%20of%20Hearing%20by%20Brian%20Moore%206th%20Edition.pdf
- Hugo Fastl, Eberhard Zwicker, Psychoacoustics, Facts and Models, ISBN 978-3-540-23159-2, DOI https://doi.org/10.1007/978-3-540-68888-4, Springer-Verlag Berlin, 2007.
Audiopròtesis i Implants Coclears
- Harvey Dillon, Hearing Aids, ISBN 3131289414, Thieme, 2010
- Graeme Clark, Cochlear Implants: Fundamentals and Applications (Modern Acoustics and Signal Processing), ISBN 0387955836, Springer, 2013.
Sistemes Integrats i Encatats:
- Edward A. Lee and Sanjit A. Seshia, Introduction to Embedded Systems, A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition, MIT Press, ISBN 978-0-262-53381-2, 2017.Available at https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/releases/LeeSeshia_DigitalV1_08.pdf
- Vaibbhav Taraate, Digital logic design using Verilog : coding and RTL synthesis, Springer, ISBN 978-981-16-3198-6, 2022. Available at on-line through your UAB account https://bibcercador.uab.cat/
- I. Grout “Digital Systems Design with FPGAs and CPLDs”
- P. Bricaud, M. Keating : “Reuse Methodology Manual for System-On-A-Chip Designs”
- H.J.M. Veendrick “Nanometer CMOS: from ASICS to BASICS”, 2ª edición, Springer. 2017. Available at on-line through your UAB account https://bibcercador.uab.cat/
Programari
Les eines de disseny electrònic (EDA) associades als taulers FPGA d'Intel-Altera utilitzats en laboratoris que permeten:
- Especificació de sistemes digitals en llenguatges HDL
- Construcció d'arquitectures SoC per a processadors RISC (ARM, NIOS)
- Síntesi lògica i física de HDL
- Descàrrega de codi HW i SW del PC a la FPGA
- Execució de l'algorisme a la FPGA
Com a plataforma SoC-FPGA s'utilitzarà la DE1_SoC d'Intel Altera.
Els estudiants tindran accés gratuït, sota demanda, a cursos d'eina industrial EDA (CADENCE) útils per al seu currículumi i formació, principalment per als temes 3 i 4.
https://www.cadence.com/content/dam/cadence-www/global/en_US/documents/training/learning-maps.pdf
Llista d'idiomes
La informació sobre els idiomes d’impartició de la docència es pot consultar a l’apartat de CONTINGUTS de la guia.