Modeling circuits with multiple n-port nonlinearities in the wave digital domain

This thesis presents a novel method for Virtual Analog (VA) modeling, an area of research that aims at digitally emulating analog audio equipment. The proposed approach focuses on Wave Digital Filters (WDFs) and concerns a technique for handling multiple nonlinear multi-port elements in an efficient fashion. By grouping the nonlinearities into a single block through the vector definition of waves, we showed that it is possible to explicitly model said elements in the Wave Digital domain using simple neural networks such as Multi-Layer Perceptrons (MLPs). By doing so, the method avoids the computational complexity introduced by iterative solvers, which typically slow down the simulation. We test the proposed approach for the emulation of two famous guitar effects circuits, namely the Vox V847 Wah-Wah and the Arbiter Electronics Fuzz Face. The results demonstrate that the proposed method is not only characterized by high accuracy but also offers significant improvements as for real-time performance, providing a general, scalable, and efficient solution for the VA modeling of circuits with multiple multi-port nonlinearities.

Questa tesi presenta un metodo innovativo per la modellazione Virtual Analog (VA), un'area di ricerca che mira a emulare digitalmente apparecchiature audio analogiche. L'approccio proposto si concentra sui filtri digitali a onde (Wave Digital Filters, WDF) e riguarda una tecnica per gestire in modo efficiente elementi non lineari multi-porta multipli. Raggruppando le non-linearità in un unico blocco attraverso la definizione vettoriale delle onde, abbiamo dimostrato che è possibile modellare esplicitamente tali elementi nel dominio delle onde digitali utilizzando reti neurali semplici come i percettroni multistrato (Multi-Layer Perceptrons, MLP). In questo modo, il metodo evita la complessità computazionale introdotta dai solutori iterativi, che tipicamente rallentano la simulazione. Testiamo l'approccio proposto per l'emulazione di due celebri circuiti di effetti per chitarra, ovvero il Vox V847 Wah-Wah e l'Arbiter Electronics Fuzz Face. I risultati dimostrano che il metodo proposto non solo è caratterizzato da un'elevata accuratezza, ma offre anche miglioramenti significativi in termini di prestazioni in tempo reale, fornendo una soluzione generale, scalabile ed efficiente per la modellazione VA di circuiti con molteplici non-linearità multi-porta.