Orientador: Bruno Sanches MasieroDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Atualmente, os microfones digitais modulados por densidade de pulso (PDM) são amplamente utilizados em aplicações comerciais, já que esta é uma maneira eficiente de transmitir informação de áudio para processadores digitais em dispositivos móveis. No entanto, como o estado-da-arte em algoritmos de processamento digital de arranjos assume que todos os sinais recebidos dos microfones estão em uma representação em banda-base, estes microfones digitais requerem custosos filtros de decimação de alta ordem para converter o fluxo PDM para a modulação por código de pulso (PCM) em banda base. Assim, a implementação destes algoritmos em sistemas embarcados, onde os recursos de processamento são críticos, ou em circuitos integrados (VLSI), onde a energia consumida e área também são críticas, pode se tornar muito dispendiosa devido ao uso de dezenas de filtros de decimação para converter os sinais de PDM para PCM. Essa dissertação explora e propõe métodos eficientes em recursos para a implementação de arranjo de microfones. Com esse intuito, primeiro explora os atuais métodos de design de filtros de decimação e, baseado neles, propõe um algoritmo para fazer o seu design otimizando área e consumo de potência. Também são discutidas as vantagens e desvantagens de se realizar o processamento de arranjo de microfones diretamente nos sinais PDM ao invés dos sinais em PCM. Finalmente propõe um método eficiente para implementação de arranjos de microfones baseado em filtros maximamente planos (MAXFLAT). Como resultado, um novo método para o design de filtros de decimação que optimiza o número de somas por segundo é proposto, assim como demonstra-se que que um filtro espacial implementado no domínio PDM precisa de menos recursos que outras implementação no domínio do tempo. Conclui-se, portanto, que a implementação baseada em filtros MAXFLAT tem um melhor compromiso entre requisitos de armazenamento e poder de computação que o estado-da-arte e os métodos no domínio do PDMAbstract: Nowadays, pulse-density modulated (PDM) digital microphones are widely used on commercial applications as they have become a popular way to deliver audio to digital processors on mobile applications. However, as state-of-the-art array processing algorithms assume that all microphone signals are available in pulse-code modulated (PCM) representation, these digital microphones require costly high-order decimation filters to translate PDM bitstreams to baseband multi-bit PCM signals. In that manner, the implementation of microphone array algorithms in embedded systems, where processing resources are critical, or in very large-scale integration (VLSI) circuits, where power and area are critical, may become very expensive because of the use of the tens of decimation filters required to convert PDM bitstreams into PCM signals. This thesis explores and proposes resource-efficient methods to implement microphone array beamforming. For this purpose, it first reviews the state-of-the-art decimation filter design methods and proposes an algorithm to design decimation filters optimizing area and power consumption. Then it discusses the trade-offs of doing the beamforming calculations at the PDM bitstreams instead of PCM signals and proposes an architecture to implement beamformers without decimation filters. Finally it proposes an efficient approach to implement beamformers based on maximally flat (MAXFLAT) filters. As a result, a new generalized method to design decimation filters optimizing the number of addition per second is proposed, and it is shown that a beamformer implemented in PDM domain requires less resources for its implementation in time domain than other methods. It is concluded that the proposed MAXFLAT-based approach has better storage versus computation efficiency than state-of-the-art and PDM domain implementation approachesMestradoTelecomunicações e TelemáticaMestre em Engenharia Elétric
