Master's Thesis

Digital Guitar Effect

Final Thesis 8.86 MB Appendix 7.31 MB

Author of thesis: Ing. Patrik Balvín

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jiří Schimmel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Štěpán Miklánek, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with selected digital effects used for audio signal modification. These include delay-based effects, effects modifying the frequency characteristics of the signal, and distortion effects. The thesis contains a section focused on the theoretical background of these effects. Various filter structures, differences between feedforward and feedback signal summation, and other sub-functions of these effects are examined. This theoretical knowledge is subsequently applied in a section dedicated to the implementation of simulation models of the respective effects in the MATLAB environment and the analysis of their outputs. Furthermore, the thesis describes the design and fabrication of the hardware solution and the implementation of custom firmware. The parameters of the device were measured using an Audio Precision APx525 analyzer, which verified that the resulting implementations in the C++ language correspond to the simulation models in MATLAB. Additionally, measurements confirmed that the system passes the signal with satisfactory distortion levels when utilizing both analog and digital bypass.

Keywords:

Echo, Flanger, Chorus, Overdrive, Wah, Distortion, Tone corrector

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Dodatečná otázka k druhé otázce oponenta ohledně 24 bitového stereo kodeku. Diskuze možných periferií vybraného mikrokontroleru a možnosti využití jiných řešení zpracování zvuku. Dotaz na ADC. Dotaz na DPS, otázka proč měla být DPS 4vrstvá. Odpověď: Návrh využívá napájecí vrstvy skrz celý průřez DPS kvůli stabilitě napájení Dotaz na název „Shelving“ kdy student poskytl vysvětlení jeho funkce.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Aleš Chvála, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. et Ing. Fabian Khateb, Ph.D. et Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Dvořák, Ph.D. (člen)
Ing. Alexandr Otáhal, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Brodský, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Schimmel, Ph.D.

Diplomová práce byla zaměřena na návrh digitálního kytarového multiefektu a to jak hardware, tak i algoritmů číslicového zpracování zvukových signálů typických pro tato zařízení, následnou realizaci pomocí modulu Daisy Seed firmy Electrosmith a implementaci algoritmů a celého efektu v jazyce C++.
Diplomant byl při řešení práce velmi samostatný, během jedné konzultace bylo provedeno ověření správné funkce implementovaných efektů s hardwarem realizovaným na kontaktním poli a na další měření vlastností zařízení ve finálním prototypu a konzultace zaměřená na prezentaci těchto výsledků v textu práce. Prototyp zařízení je zcela funkční a použitelné v praxi. Zadání práce bylo splněno.
Finální verze textu práce ale nebyla předložena ke kontrole. Text je na dobré úrovni, výsledky práce jsou prezentovány přehledně a rozsah textu je dostatečný. Práci lze ale vytknout některé formální nedostatky, např. velikost textu ve vývojových diagramech a v obrázcích, místy nesprávný řez písma, zbytečné titulky nad obrázky, které obsahují stejnou informaci jako popisek pod obrázkem a zbytečné anglicismy (buffer). Seznam literatury je poměrně krátký, ale to nepovažuji za nedostatek, protože klíčovou je literatura [1], která je souhrnnou publikací zaměřenou na digitální zvukové efekty. Za jádro diplomové práce považuji implementaci efektů, nikoliv návrh jejich algoritmů. U některých internetových zdrojů schází datum citace. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Z hlediska splnění požadavků zadání lze konstatovat, že práce všechny body zadání splňuje. Autor se seznámil s principy vybraných digitálních efektů používaných v kytarových procesorech, implementoval jejich simulační modely a následně navrhl a realizoval vlastní hardwarové řešení. Součástí práce je také měření parametrů realizovaného zařízení a ověření funkčnosti implementovaných algoritmů. Práce má odpovídající rozsah a logickou strukturu. Jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují a práce je členěna přehledně od teoretického rozboru přes simulace až po praktickou realizaci a měření výsledného zařízení. Text je vhodně doplněn obrázky, blokovými schématy, grafy a ukázkami zdrojových kódů.
Po formální stránce se však v práci objevují některé nedostatky. Místy je nekonzistentně používáno stojaté a šikmé sázení proměnných ve vztazích i v textu. Některé diagramy jsou méně přehledné, například stavový diagram šumové brány, kde text místy přesahuje hranice obrazců. Citace literatury nejsou vždy správně umístěny vzhledem k interpunkci. Odkazy na zdroje by měly být uváděny před tečkou. Popisky obrázků nejsou jednotně zakončovány tečkou a v odevzdané PDF verzi nefungují některé interní odkazy na obrázky a tabulky. Jazyková úroveň práce je však solidní.
Práce s literaturou je na odpovídající úrovni a použité zdroje jsou relevantní vzhledem k řešené problematice. Autor vychází především z odborné literatury zaměřené na digitální zpracování zvuku a principy digitálních efektů. Seznam použitých zdrojů by však mohl být rozsáhlejší a doplněný o větší množství odborných publikací nebo novějších zdrojů zaměřených na praktické implementace DSP algoritmů a embedded audio systémů. Oceňuji zejména realizaci vlastního hardwarového řešení a experimentální ověření parametrů zařízení pomocí analyzátoru Audio Precision APx525. Přínosná je rovněž implementace simulačních modelů v prostředí MATLAB a jejich následné porovnání s výslednou realizací v jazyce C++.
Výsledky práce jsou prakticky využitelné. Realizovaný multiefekt představuje funkční zařízení schopné zpracování kytarového signálu v reálném čase a může sloužit jako základ pro další rozšíření nebo experimenty v oblasti digitálního zpracování zvuku. Vzhledem k mírným nedostatkům textové části práce uděluji hodnocení 85 bodů/B. Topics for thesis defence:
  1. Jaké byly hlavní důvody pro volbu platformy Daisy Seed oproti jiným embedded platformám vhodným pro digitální zpracování zvuku?
  2. Jaký vliv má použitá lineární interpolace při modulaci zpoždění u efektů flanger a chorus na výslednou kvalitu zvuku a jaké alternativní interpolační metody by bylo možné použít?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová