SHARC處理器在音頻系統(tǒng)中的典型應(yīng)用 - 全文

傳統(tǒng)的音頻設(shè)備是模擬技術(shù)的天下。然而，近年來這種狀況正在迅速發(fā)生變化，由于具有獨特的性能優(yōu)勢、越來越高的性價比以及便利簡化的設(shè)計工具支持，越來越多的專業(yè)音頻系統(tǒng)、汽車音響、消費音頻設(shè)備采用數(shù)字信號處理器技術(shù)。

關(guān)注專業(yè)音頻產(chǎn)品的工程師可能會注意到一個現(xiàn)象：浮點DSP代表產(chǎn)品SHARC處理器受到越來越多工程師和企業(yè)的青睞，僅在2008年到2009年一年多的時間內(nèi)就有若干業(yè)界知名企業(yè)在他們的音頻產(chǎn)品中選用SHARC處理器——PreSonus 公司的StudioLive數(shù)字音頻混合器和多通道錄音系統(tǒng)、Damage Control公司的電吉他、FUJITSU TEN公司的汽車音響系統(tǒng)……這樣的應(yīng)用案例近年來迅速增多，表1列出了幾個SHARC處理器的典型應(yīng)用案例。

事實上，如果不是篇幅的限制，這個列表可以很長很長，SHARC處理器為什么受青睞？用行業(yè)人士的解釋就是因為SHARC處理器正在成為中高端音頻應(yīng)用的“事實標準”。本文將選擇其中幾個應(yīng)用案例，從應(yīng)用設(shè)計角度分析探討選擇SHARC處理器背后的設(shè)計考量。

表1：近年音頻應(yīng)用中選擇SHARC處理器的部分案例列表。

頂級音頻系統(tǒng)設(shè)計案例解析

1. 卓越的汽車音響系統(tǒng)選擇SHARC

在奧迪A5高檔雙門轎跑車（Audi A5 Coupé）的車內(nèi)娛樂系統(tǒng)中，設(shè)計師們同時選擇了ADI公司的Blackfin和SHARC處理器，通過多種信號處理技術(shù)重新定義了豪華車載娛樂體驗。其中ADSP-21362處理器以其高性能、豐富的音頻特性組合以及在音頻市場上的良好聲譽被選中作為B&O環(huán)繞立體聲放大器的基礎(chǔ)。該SHARC處理器執(zhí)行優(yōu)化音頻的過濾算法，自適應(yīng)汽車倉體回音，使聲音品質(zhì)達到極致。

以設(shè)計和生產(chǎn)高品質(zhì)音響設(shè)備著稱的Fujitsu Ten公司同樣選擇了浮點SHARC處理器ADSP-21364作為數(shù)字信號處理引擎，來增強其音頻放大器的性能。為汽車駕駛室環(huán)境中的音響設(shè)備提供高性能輸出、先進的聲音均衡效果和出眾的音質(zhì)，在眾多的可選方案中，F(xiàn)ujitsu Ten對浮點SHARC處理器情有獨鐘。下面對Fujitsu Ten公司利用SHARC處理器的設(shè)計進行簡單闡述。

SHARC處理器出眾的內(nèi)核性能、靈活的連接選項，以及集成的音頻專用外設(shè)使Fujitsu Ten公司可以克服汽車駕駛室頗具挑戰(zhàn)性的約束條件，提供傳統(tǒng)的原廠汽車放大器無可比擬的汽車音響體驗。利用高性能SHARC DSP架構(gòu)來實現(xiàn)其領(lǐng)先的“聲音空間控制技術(shù)”，F(xiàn)ujitsu Ten公司的功率音頻放大器以先進的聲音均衡能力和生成完美音質(zhì)的音效處理能力奠定了其行業(yè)領(lǐng)先地位。

SHARC處理器使Fujitsu Ten有能力通過實時信號處理降低駕駛室內(nèi)的聲音反射，并使之相互抵消，從而同時補償各種聲音反射效應(yīng)并改善整體聲音品質(zhì)。此外，SHARC處理器使Fujitsu Ten公司有能力補償揚聲器的聲音約束條件，包括揚聲器頻率響應(yīng)和駕駛室揚聲器安裝方面的挑戰(zhàn)，從而增強駕駛室內(nèi)各個空間位置的環(huán)繞聲音響效果。依靠這些先進的特性，F(xiàn)ujitsu Ten公司基于SHARC處理器的功率音頻放大器向汽車制造商提供了一個靈活的高品質(zhì)音頻放大器平臺，該平臺可以無縫地整合到幾乎任何車輛中，向用戶提供他們所期待的豐富聽覺體驗。

ADI公司的浮點SHARC處理器被公認為高品質(zhì)音頻處理的黃金標準。該處理器的高性能數(shù)字信號處理(333 MHz /2 GFLOPS)使Fujitsu Ten公司的聲音空間控制技術(shù)有能力產(chǎn)生與高品質(zhì)家庭音響設(shè)備相媲美的清晰度和聲音效果。SHARC處理器也使Fujitsu Ten公司可實現(xiàn)動態(tài)聲音調(diào)整所需要的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。

除了提供Fujitsu Ten音頻功率放大器所要求的密集計算能力之外，SHARC處理器將大型的內(nèi)存陣列和先進的片上外設(shè)集成到單一的匯聚型架構(gòu)中，可簡化產(chǎn)品開發(fā)并縮短產(chǎn)品上市時間。ADSP-21364處理器的集成型8通道異步采樣率轉(zhuǎn)換器是Fujitsu Ten公司的聲音空間控制技術(shù)得以實現(xiàn)的一個關(guān)鍵部件，它幫助Fujitsu Ten公司降低了BOM成本并減小了音頻放大器的尺寸。板上采樣率轉(zhuǎn)換器不但實現(xiàn)了高強度音頻信號轉(zhuǎn)換，而且還降低了通常因外部外設(shè)引起的性能延遲。

2. SHARC助PreSonus實現(xiàn)低成本專業(yè)音頻系統(tǒng)

PreSonus公司是一家全球最具創(chuàng)新性的音頻制作設(shè)備供應(yīng)商之一。PreSonus前不久發(fā)布的StudioLive數(shù)字音頻混合器和多通道錄音系統(tǒng)選擇了ADI公司的32位浮點SHARC處理器，實現(xiàn)了在價格經(jīng)濟的小型系統(tǒng)中提供專業(yè)品質(zhì)的數(shù)字效果處理性能和音質(zhì)。StudioLive被稱為“迄今為止全球最強大最靈活的十六通道數(shù)字混合器”，該產(chǎn)品帶有十六個高凈空余量XMAX麥克風前置放大器、內(nèi)置32x18 FireWire錄音和回放引擎、帶4波段EQ的“Fat-Channel”處理、壓縮器、限制器和門極、DSP效果、六個輔助總線、四個子群、廣泛的LED測量、混音器保存和取消、通道放大器組保存/取消/拷貝/粘貼以及對講系統(tǒng)等，突破了音樂表演和制作的新界限。

PreSonus公司當初希望設(shè)計出一款具有獨特功能的數(shù)字音頻混合器，以支持現(xiàn)場表演和錄音棚制作。新系統(tǒng)要求外形尺寸小、便于移動，并且具有較低的BOM成本以吸引那些預算有限的客戶，并且不能犧牲性能、功能和音質(zhì)。ADI公司的ADSP-21369處理器為PreSonus公司帶來性價比與高級特性的完美組合，充分釋放出StudioLive系統(tǒng)的全部能量，并最終產(chǎn)生超出PreSonus公司工程師預期的音質(zhì)水平。

StudioLive將專業(yè)數(shù)字混音器與完整的多通道錄音系統(tǒng)結(jié)合起來，可為同時要求“現(xiàn)場播放”和錄音棚最佳制作效果的用戶提供最具創(chuàng)造性的環(huán)境。為了實現(xiàn)這一獨特的功能組合，PreSonus需要一個能夠支持充分混音、動態(tài)效果處理和均衡功能，同時可提供實時音樂處理和錄音所需的顯著性能的處理平臺。最初的StudioLive產(chǎn)品設(shè)計采用了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為主處理引擎，但PreSonus公司的工程師很快就發(fā)現(xiàn)FPGA方案會產(chǎn)生讓人難以接受的延遲，同時還加大了復雜音效的實現(xiàn)難度。借助浮點SHARC架構(gòu)，PreSonus獲得了可確保出色性能的超強計算能力，以及可更靈活地進行PreSonus音頻算法編程和定制的魯棒指令集。在SHARC之外，PreSonus還考慮過在StudioLive中采用同類競爭性數(shù)字信號處理器，但由于400 MHz/2.4 GLOPS的浮點性能優(yōu)勢，加之2 Mb片上SRAM、6Mb片上ROM以及支持SDRAM、SRAM、閃存和ROM存儲器的32位外部存儲器接口，他們最終選擇了SHARC。非凡的內(nèi)核和存儲器性能配合突出的I/O吞吐能力，使SHARC超越了StudioLive對計算密集型實時信號處理的要求，可確保獲得近乎無限凈空余量的最佳無失真音頻性能。

PreSonus的工程師充分利用了SHARC強大的處理器架構(gòu)，該架構(gòu)使PreSonus能夠精簡開發(fā)過程并滿足其高遠的設(shè)計目標。借助諸如純數(shù)字S/PDIF發(fā)送器/接收器、8通道異步采樣率轉(zhuǎn)換器、8個高速串行端口、4個精密時鐘發(fā)生器和多個串行接口等各種片上音頻專用和通用外設(shè)，ADSP-21369簡化了StudioLive的硬件設(shè)計，并將BOM成本降至最低。

SHARC是音頻技術(shù)開發(fā)工程師將獨特功能編入其產(chǎn)品的高度靈活性的理想平臺。例如，PreSonus開發(fā)了一個任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，該內(nèi)核利用SHARC的直接存儲器存?。?a href="http://ttokpm.com/tags/dma/" target="_blank">DMA）以極低延遲來混合和處理現(xiàn)場音頻流。這個內(nèi)核可用來管理資源和存儲器的動態(tài)分配，并通過八幀采樣周期將開銷降至最低，從而為要求嚴苛的現(xiàn)場音頻應(yīng)用確保精密音頻處理和保真度。

借助SHARC，PreSonus能夠?qū)崿F(xiàn)成本比StudioLive高二十多倍的系統(tǒng)的音質(zhì)水準，以及快速增加用戶定制的數(shù)字音頻效果的靈活性，包括室內(nèi)聲場仿真、混響、延遲和基于時間的效果。StudioLive帶有現(xiàn)場聲音制作所需的所有器件，包括28個壓縮器、28個限制器、28個門極、28個高通濾波器以及2個主控立體聲限制器等，從而為音樂人和音頻工程師節(jié)省了外部效果處理模塊的成本，而且節(jié)省了進行現(xiàn)場表演時設(shè)備安裝/拆卸的時間。

3. 基于SHARC的專業(yè)音頻應(yīng)用模塊

Lab X技術(shù)公司與OEM廠商合作，為客戶開發(fā)音頻與互連產(chǎn)品，包括用戶接口、前置放大器、演播室混音臺、家庭影院、聲音分配，以及廣播解決方案。Lab X基于SHARC ADSP-21262開發(fā)了Mako? 2126x DSP模塊，OEM可以在其設(shè)計中集成Mako板，或由Lab X為客戶進行集成，或提供完整解決方案。Mako是為集成到家庭影院、專業(yè)音頻以及商業(yè)音頻應(yīng)用而專門設(shè)計的。

日益增長的音頻應(yīng)用需要大量的信號處理能力，由于采用了集成的SHARC處理器，Mako不僅能節(jié)省OEM的時間，而且可以降低開發(fā)成本。SHARC是32位/40位浮點處理器，針對高精密信號處理應(yīng)用而優(yōu)化，如需要高性能處理器來運行算術(shù)密集解碼器和后處理算法的音頻應(yīng)用。SHARC ADSP21262在200 MHz下具有5 ns的指令周期時間。利用單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）計算硬件，SHARC ASDP21262可在200 MHz下達到1200 MFLOPS的性能。Mako還采用SHARC ADSP-21266處理器為家庭影院解碼器提供PCM、Dolby Digital、 DTS、Dolby DPL2以及THX后處理算法。

SHARC具有6個全雙工串行端口，提供與各種數(shù)字及混合信號外設(shè)的低成本接口，如ADI公司的音頻編解碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列產(chǎn)品。處理器包含串行外設(shè)接口（SPI），可提供SPI兼容端口與其它SPI兼容端口的通信；還可提供數(shù)字音頻接口，使各種外設(shè)可以連接到處理器20個DAI引腳中的任意一個。SHARC處理器包含多達13個同步串行端口，用于I2S或時分多址（TDM）輸入與輸出，以實現(xiàn)ADC與音頻處理器的接口。

圖1：Mako 2126x DSP模塊功能框圖

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為什么是SHARC？

上面已經(jīng)介紹了SHARC處理器的一些性能特點，下面再對該處理器的主要特點進行概要介紹。SHARC處理器支持高性能32位和40位擴展浮點運算以及32位定點運算，其內(nèi)核采用一種單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)架構(gòu)，這種架構(gòu)包含兩個能夠并行執(zhí)行代碼的運算單元，這意味著用戶可以在這兩個運算單元中于同一周期內(nèi)執(zhí)行相同的指令，速度最快的SHARC處理器的內(nèi)核時鐘頻率最高可達400MHz，其性能達到2.4Gflop。為了保持這種單周期操作性能，內(nèi)核和存儲器之間具有很高的帶寬。而SHARC還具有一些浮點運算的優(yōu)勢，如可以減少量化誤差，實現(xiàn)更高的精度和更大的動態(tài)范圍。這些特性使得SHARC非常適合用于從家庭影院系統(tǒng)和高清DVD到專業(yè)音響系統(tǒng)中的混頻器、放大器和合成器、汽車音頻放大器，等等。

就一般應(yīng)用而言，SHARC的一些獨特優(yōu)勢總體可歸結(jié)為32位浮點運算，這顯然可為設(shè)計帶來極大的優(yōu)勢。另外，SHARC處理器不僅具有很大容量的片上存儲器，還提供了與外部存儲器的無膠合接口。而針對一些更專業(yè)的應(yīng)用，如消費類和汽車應(yīng)用，有些SHARC器件的ROM中還內(nèi)置了音頻解碼器，而且在硬件上還集成了采樣率轉(zhuǎn)換器和S/PDIF接口。針對一些特殊的汽車類客戶，ADI在SHARC處理器中增加了硬件DTCP加密引擎。

圖2：通用DSP的先進代表——SHARC ADSP2146X的功能框圖。

SHARC處理器受到如此眾多的專業(yè)音頻設(shè)備廠商的青睞，除了上述的優(yōu)化架構(gòu)和高性能以外，功能強大的開發(fā)工具是重要的原因。圖形化的音頻設(shè)計工具VisualAudio?包含了大量的SHARC處理器音頻專門技術(shù)，并提供大量最優(yōu)化的SHARC音頻處理模塊庫，使得即使沒有相關(guān)經(jīng)驗的工程師可以利用一套基本的音頻庫和工具來迅速啟動其項目，并使開發(fā)過程模塊化，縮短學習時間。VisualDSP++?是ADI針對其系列DSP產(chǎn)品提供的另一款軟件開發(fā)和調(diào)試集成環(huán)境，VisualDSP++中集成的SHARC專用編譯器能夠充分發(fā)揮SHARC的SIMD架構(gòu)優(yōu)勢，而且支持單周期執(zhí)行的浮點運算，VisualDSP++中的仿真器無需硬件就能支持應(yīng)用軟件的開發(fā)。VisualDSP++中還包含了VDK或?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核及調(diào)度器。而硬件工具EZ-KIT Lites提供了一種很好的評估平臺，可以用來編程和開發(fā)SHARC上運行的軟件。

圖3：ADI SHARC處理器可提供的獲得許可的算法。

例如，奧迪A5項目設(shè)計小組的所有開發(fā)人員都使用了ADI的VisualDSP++集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，該環(huán)境允許以單個接口完成對工程自始至終的高效管理。開發(fā)人員還得到了ADI公司的在線和現(xiàn)場技術(shù)支持，充分利用了ADI工程師在解決復雜硬件和布線方面的經(jīng)驗和背景。利用ADI公司的高性價比EZ-KIT Lite?評估套件，F(xiàn)ujitsu Ten公司迅速對SHARC處理器完成了性能評估。該評估套件通過USB接口與PC主機相連，開發(fā)人員不但可利用它熟悉SHARC的特性和功能，而且可高效地為各種應(yīng)用創(chuàng)建原型。VisualDSP++軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境易裝易用，使Fujitsu Ten公司進一步簡化了產(chǎn)品開發(fā)流程，縮短了其功率音頻放大器的上市時間。PreSonus公司的工程師在開發(fā)StudioLive時就利用到了集成式軟件開發(fā)環(huán)境VisualDSP++。VisualDSP++與EZ-KIT Lite評估板一起，幫助PreSonus開發(fā)工程師簡化了產(chǎn)品開發(fā)過程并縮短上市時間。

使用者可以利用EZ-KIT Lite評估板和VisualDSP++集成開發(fā)環(huán)境，通過PC主機的工具集進行架構(gòu)評估。尤其是VisualDSP++，它令程序員可以在一個可視化的環(huán)境中靈活方便地開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序。在VisualDSP++開發(fā)工具功能和C/C++編譯器支持下，工程師也很容易實現(xiàn)源代碼的優(yōu)化工作，必要時可以直接調(diào)試匯編級代碼，同時使用高級語言（C語言）編寫非性能關(guān)鍵的代碼。ADI還針對SHARC處理器在專業(yè)音頻處理上的應(yīng)用，提供了VisualAudio圖形化設(shè)計編程環(huán)境，它包括一個工具包和一套基于VisualDSP++的軟件數(shù)據(jù)庫。VisualAudio提供音頻設(shè)計系統(tǒng)所需的各種軟件構(gòu)建模塊，包括音量控制、音調(diào)控制、延遲、壓縮效果器等，它還支持客戶自行編寫的音頻模塊。VisualAudio提供直觀的拖放式圖形用戶界面，可以在準備好的可用參考硬件平臺上立刻使用，如SHARC EZ-KIT Lite評估板。另外，ADI的部分SHARC處理器內(nèi)部集成了高保真音頻解碼器（如家庭影院系統(tǒng)中使用的高保真音頻解碼器），可以方便客戶構(gòu)建高質(zhì)量音頻接收器的平臺。

此外，SHARC處理器為用戶的應(yīng)用環(huán)境考慮了很多：針對高溫環(huán)境應(yīng)用，SHARC處理器將環(huán)境溫度擴展到105攝氏度，適合于像汽車應(yīng)用等苛刻的應(yīng)用環(huán)境；SHARC一直以來保持的一大優(yōu)勢特性——兼容性，從第一代SHARC產(chǎn)品到現(xiàn)在的第四代SHARC產(chǎn)品，器件的引腳前均兼容，滿足用戶設(shè)計的多種選擇需求和產(chǎn)品換代更新需求，在升級或開發(fā)新一代產(chǎn)品時，用戶無需重新設(shè)計電路板，可以直接換上具有更多功能的新型SHARC器件。此外，同一個系列的SHARC器件之間還具有代碼兼容的特性，方便方案的軟件移植。
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