Digital Signal Processing and Embedded Systems for Wireless Networked Music Performance

Since their inception, mobile computing platforms had a tremendous impact on technology and society. Two key technical aspects that fostered mobile computing and were further fed by its advancements are a mature open-source software community and a power-efficient processor architecture intellectual property (IP) accessible to many silicon manufacturers. In the computer music and music computing academic community, developments of mobile computing platforms, allowed for a blossoming of physical computing works %for musical applications (MA), stemming from previous developments in laptop computing. In this thesis all these key aspects are intertwined and studied with specific interest in digital musical instrument signal processing and wireless network performance. A physical computing platform that satisfies both requirements and enacts both the role of an instrument and a link to other instruments is envisioned. Following the unifying trend in computing to fit all functionalities in a single device, a prototyping embedded platform has been chosen for the twofold aim. Digital signal processors and Digital Signal Processing (DSP) algorithms for the musical industry are therefore studied from a technical and a historical perspective, to look for the embedded platform technical requirements. Novel achievements in DSP for sound synthesis and processing, sampling and transmission are addressed. The needs and state of the art in Networked Music Performance (NMP) are summarized to gather insight on useful features for a wireless NMP system based on the embedded platform. This all-round design approach resulted in the conception of WeMUST (Wireless Music Studio) a project addressing several of the issues defined in the study phase and verifying the feasibility of a wireless NMP system based on commercial hardware and software solutions. Once the development of WeMUST proved satisfying to some extent, a first release of WeMUST and its tools has been publicly rolled-out and an application case has been demonstrated in July 2014 with \textit{Waterfront}, a novel wireless performance between boats off the coast of Ancona, Italy. This occasion of evaluation of the work served also as reference for future development.

Le nuove piattaforme per il mobile computing, introdotte alcuni anni fa hanno avuto un impatto notevole su tecnologia e società. Due aspetti tecnici che hanno alimentato lo sviluppo del mobile computing e a loro volta sono stati alimentati da esso, sono stati la maturazione della comunità del software open-source e la disponibilità per molto produttori di silicio della proprietà intellettuale di un'architettura di calcolo molto efficiente in termini energetici. Come conseguenza dell'ampia diffusione del mobile computing, le comunità accademiche della computer music e del music computing, hanno messo a frutto le conoscenze sviluppate nell'ambito del laptop computing per portare alla fioritura di numerosi progetti di physical computing. In questa tesi di dottorato tutti questi aspetti vengono sviluppati e studiati in maniera organica, con un interesse specifico per l'elaborazione del segnale (DSP) nello strumento musicale digitale e la performance wireless su rete. L'idea di una piattaforma di physical computing in grado di supportare il ruolo di strumento musicale e connettersi ad altri strumenti viene elaborata. Processori di segnale e algoritmi per l'industria musicale vengono analizzati da una prospettiva tecnica e storica per definire delle specifiche tecniche. Sviluppi innovativi nel DSP per la sintesi, il trattamento, il campionamento e la trasmissione del segnale sonoro sono dettagliati Lo stato dell'arte per le performance musicali in rete (NMP) viene riportato insieme alle sfide tecniche che questo impone, in modo da definire le necessità da soddisfare per una piattaforma embedded per la NMP wireless. Da questo approccio multidisciplinare scaturisce il progetto WeMUST (Wireless Music Studio), che investiga su alcune delle problematiche attualmente riscontrate ed evidenziate in precedenza e verifica la fattibilità di realizzare un sistema di NMP wireless basato su soluzioni hardware e software di largo uso. Giunto lo sviluppo ad uno stadio soddisfacente, una prima versione del software WeMUST è stata rilasciata ed un caso d'uso è stato mostrato in pubblico nel luglio 2014 con la performance Waterfront, con musicisti su barche sulla costa di Ancona. Questa occasione di valutazione del lavoro è servita anche come riferimento per future fasi di sviluppo.