Üniversite hayatımızın sonu: Synthesizer projemizle mezun oluyoruz

Merhaba biz Elektrik Elektronik Mühendisliği 4.sınıf öğrencilerinden Ahmet Karagöz ve Emre Teker. Bitirme projemizde müzik alanında çalışmaya karar verdik. Dr. Öğr. Üyesi İsmail Öztürk hocamızla beraber Tübitak 2209-A tarafından onay aldık. Bu projemizde amacımız FPGA ile donanımlı çok daha kaliteli ve hassas sesler elde edebilecek müzik sentezleyici üretmektir.

Projenin amacı günümüzde kullanılan sentezleyiciler analog ve dijital olarak ikiye ayrılmaktadır. Bizim tasarlamış olduğumuz sentezleyici ise dijital olacaktır. Bizim tasarımımızda diğer basit mikroişlemciler ile üretilmiş olan diğer dijital sentezleyicilerin kapasitesini aşması amaçlanmaktadır. Bu sebeple biz FPGA ile Synthesizer tasarlayıp daha yüksek kalite ve hassasiyeti sağlamayı amaçlamaktayız. Amaçlamış olduğumuz tüm bu işlemleri gerçekleştirdikten sonra FPGA ile müzik sentezleyici donanım tasarımı projesini müzik alanında kullanılabilmesini hedeflemekteyiz.

FPGA ile müzik sentezleyici donanım tasarımı projemizde donanım programa dili olan VHDL yardımı ile ilk olarak bir sinyal dalgasını üretimini sağlayacağız. Bu tasarımı başarıyla gerçekleştirdikten sonra birinci sinyal dalgası için yapmış olduğumuz işlem adımlarının aynısı tekrarlayarak diğer üç sinyal içinde VHDL ile tasarım yapılacaktır. Daha sonra bu sinyalleri birleştirecek olan sentezleyici bloğu yine VHDL kullanılmak suretiyle tasarlanacaktır. Birleştirilen bu dört sinyalin çıkışları sentezleyiciye aktarılacaktır. Sentezleyici üzerinde bulunan kontrol girişleri sayesinde istenilen işlemler sinyaller üzerinde uygulanır. Uygulanan bu işlemler sonrasında elde edilen sinyal çıktısı dijital analog dönüştürücüye aktarılır ve dijital olan sinyal analoğa dönüştürülür. Bu sinyale kuvvetlendirme işlemi uygulandıktan sonra hoparlöre bağlanır ve ses elde edilir. Bu sesler switchler ve RAM sayesinde kolayca kontrol edilebilir bir hale getirilmiş olur. Böylelikle tasarladığımız sentezleyici birçok farklı ses türünü üretebilme yeteneğine sahip olacaktır. Bu da kullanıcıya geniş bir yaratıcı ifade yelpazesi sunar.

Projemizi amaçlamış olduğumuz gibi ilk olarak Pythonda yazmış olduğumuz 0 ile 2π arasında sinüs dalgası üreterek bu aralıkta çıkan parametreleri kullanarak çıktı elde ettik. Ve bunları daha sonra diğer kare, testere ve üçgen dalgaları içinde yaptık. Burada çıkardığımız değerleri programlama dili olan VHDL RAM’ine nasıl aktarabileceğimizi öğrendik. Daha sonra temin edeceğimiz ürünleri sipariş verdik (Basys-3 FPGA geliştirme kartı PmodDA3 dönüştürücü ve hoparlör kuvvetlendirici devresi için gerekli olan malzemeler). Sonrasında RAM’e aktardığımız önceden belirlenmiş olan frekans değerlerini DDS formülü ile istenilen değerlere dönüştürdük. DDS, temel olarak dijital bir sistemin yüksek çözünürlükte ve programlanabilir frekanslarda sinyal üretmesini sağlar. Sonrasında Sentezleyici tasarımı üzerinde istenilen filtreleme veya toplama işlemleri yapacak olan blok VHDL ile gerçekleştirdik. FPGA ile üretilen sesler DAC (Dijital Analog Dönüştürücü)’a aktardık ve dijital olarak gelen sinyaller analoğa dönüştürüldü. Dönüşümü tamamlanan analog sinyaller kuvvetlendirici yardımı ile sinyallerin gücü, gerilimi ve akımı arttırılabiliyor. Son olarak elde edilen analog çıkışı hoparlöre verdik ve çıktıları elde ettik. FPGA geliştirme kartı üzerinde bulunan switchler veya FPGA hafızasında bulunan RAM sayesinde sinyallerin frekans ve genlik kontrolü sağlanabilir. Bu sayede farklı ses çıkışları elde edebildik. Böylelikle tüm adımlar tamamladık ve projenin sonuna gelmiş olduk.    Bu aşamada çok da zorlanacağımız bir durum yaşamadık. Vivado üzerinden Basys-3 FPGA geliştirme kartına VHDL dilinde yazmamız gereken kodu tekrar tekrar deneyerek oluşturduk. Ekipçe öğretim hayatımızda entegre devre tasarım dersinde de görmüş olduğumuz VHDL dilini bu proje sayesinde daha da anlaşılır hale getirdik. Projenin yazılımsal, donanımsal, deneysel her alanında yaşadığımız ufak da olsa tüm zorluklarda hocamızın da öncülüğünde ekipçe sabırlı bir şekilde üstesinden gelmeyi başardık.

Bu proje kapsamında, dijital elektronik ve sinyal işleme alanlarında önemli bir yere sahip olan FPGA tabanlı müzik sentezleyici başarılı bir şekilde tasarlayıp uygulanabilir hale getirdik. Projede kullanılan VHDL donanım tanımlama dili, sayısal sinyal üretimi, sinyal işleme konularında bize derinlemesine bir deneyim kazandırdı. Sinüs, kare, testere ve üçgen dalga formlarının FPGA üzerinden gerçek zamanlı olarak üretilmesi ve bu sinyallerin DAC yardımıyla analog forma dönüştürülerek hoparlöre iletilmesiyle ses üretimini sağladık. Kontrol girişleri ve RAM kullanımı sayesinde farklı frekans ve genliklerde ses üretimi esnek ve kullanıcı dostu hale getirildi. 

Ayrıca sistemimizin yeniden programlanabilir yapısı, ileride daha gelişmiş işlevlerin eklenmesine olanak tanımaktadır. Bu da projenin sürdürülebilirliğini ve genişletilebilirliğini arttırmaktadır. Bu süreçte karşılaştığımız teknik zorluklar (örneğin, DAC çözünürlüğü, ses kalitesi ve kuvvetlendirme yeterliliği gibi) alternatif planlarla yukarıda da dediğim gibi başarıyla aşmış olduk. Böylece sadece teorik değil, aynı zamanda pratik mühendislik problemleriyle başa çıkma becerileri de geliştirdik ve bu bizim çok daha geniş düşünmemizi sağladı.

Sonuç olarak; bu proje, müzik teknolojileri ve sayısal tasarım alanında yenilikçi ve işlevsel bir örnek oluşturarak hem akademik hem de endüstriyel potansiyel barındıran bir ürün ortaya koymuştur. Üretilen proje, ileride ticari bir müzik aleti olarak geliştirilmeye açık olup, Türkiye’de bu alandaki pazarlamada satışa sunulabilir.