利用SHARC+ DSP打造Quad Cortex建模效果器

高效仿真您最喜爱的乐器音效,提供出色的精度和极佳的自然动态响应。


作者Maikel Kokaly-Bannourah,应用工程师;Douglas Castro,Neural DSP Technologies


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Neural DSP希望通过开发新技术,推动音乐产业实现至少超前20年的技术发展。为了实现这个宏伟目标,全球最强大的落地式数字建模综合效果器Quad Cortex应运而生。这款产品采用四核SHARC+®架构,提供2 GHz可编程数字信号处理器(DSP)性能,凭借强大的处理能力,提供无限的声音设计可能性。

图1.Quad Cortex落地式数字建模综合效果器。

激发音乐创造力

Quad Cortex的主要目标是打造一个平台,为音乐人提供丰富的声波和声道选项,让他们能够不受限制地挥洒创意。这款产品外表简洁美观,提供直观易用的图形用户界面(GUI),降低了最终用户的使用难度。

Neural DSP工程团队解决了众多的硬件和软件设计挑战,为用户提供了极为丰富的选项和功能,同时,让用户获得极为简洁愉悦的体验。

功能强大且简单易用

面对所有音乐设备,用户几乎始终必须在强大功能和易用性之间做出选择。Neural DSP面临的主要挑战在于:要创建一款足够强大的产品,既能够满足全球要求最高的音乐人的需求,又非常简单和直观,让新手也能轻松使用。所以,易用性、可扩展性、可编程性、高功效比和确定性的低延迟音频处理能力都至关重要。

要满足所有这些极具挑战性的标准要求,Neural DSP只有一个选择:使用ADI公司的SHARC+ DSP产品。在音频工程行业,SHARC+技术是专业音频(pro audio)的金级标准。采用功能超强的多核片上系统(SoC)能够实现便捷的解决方案,因此极具吸引力。Neural DSP很快意识到,可以围绕单个设备或易于扩展的设备组合构建一个非常强大的系统,这有助于加快系统的架构过程。

ADSP-SC58x和ADSP-2158x多核处理器系列

ADSP-SC58x和ADSP-2158x处理器系列(以下简称ADSP-SC589)属于SHARC+系列产品。多核SHARC+和Arm® SoC能够为高级实时汽车、消费电子和专业音频细分市场带来高性能、确定性低延迟音频处理能力。ADSP-SC589处理器基于双SHARC+单指令多数据(SIMD)内核和Arm Cortex®-A5内核构建。这些32位/40位/64位浮点处理器针对高性能音频/浮点应用进行了优化,具有大容量片内静态随机存取存储器(SRAM),可消除输入/输出(I/O)瓶颈多条内部总线,功能丰富的音频外设组合以及多种控制和连接选项,具体如图2的框图所示。

 

图2.ADSP-SC58x SHARC+处理器框图。

 

Quad Cortex架构基于两个ADSP-SC589器件,形成用于实施信号处理的四核SHARC+内核配置,可提供2 GHz可编程DSP性能——功能超强!

通过硬件滤波器模块,提升系统性能

除了高性能浮点内核和大容量片内存储器(使其非常适合实现低延迟音频信号处理算法和大型音频数据缓冲器存储)之外,SHARC+处理器还具有专用的硬件加速器引擎,例如高性能快速傅立叶变换(HP FFT)和有限/无限脉冲响应(FIR/IIR)模块。

基于Quad Cortex脉冲响应的扬声器仿真利用片内FIR硬件加速器,释放SHARC+内核资源用于其他的并行计算,使内核可以节省每秒百万条指令(MIPS)。FIR模块还具有出色的抗混叠性能;在使用超高增益的非线性系统模式(例如,吉他放大器)时,通常非常需要这种性能。

此外,片内硬件加密引擎可实现各种安全功能,例如安全启动、IP代码验证、保密性、解密和加密,所有这些功能都是确保产品安全部署的关键要求,同时保护制造商知识产权(IP),这也是当今的专业音频市场日益关注的问题。

不到3 ms的超低音频处理延迟

SHARC+ SoC架构采用高速直接存储访问(DMA)通道和大容量内部SRAM存储器模块(L1和L2),因此支持高效的片内和片外内核间通信协议。同时提供功能丰富的外设组合(例如用于在两个板载ADSP-SC589器件之间进行音频和高速数据交换的位宽链路口)和双线接口(TWI)(I2C,用于乐器数字接口和诊断),可实现不到3毫秒的超低延迟!

图3.Quad SHARC+多芯片和多核架构。

集成式异质内核架构

Quad Cortex落地式数字建模综合效果器采用7英寸大型多点触摸屏。配备强大的参量均衡器(EQ),用户弹指之间调控自如。其中,SHARC+ DSP内核完全专注于高级音频处理,而集成式片内Arm Cortex-A5内核采用Linux®操作系统,作为产品的主控制器,用户界面基于此系统运行。

此外,符合Audio Class 2标准的设备通过设备的USB接口管理——同样,由同一个Arm内核托管。这样,ADSP-SC589集成式异质内核可有效补充Arm内核,实现专业控制和连接功能,将涉及大量计算的音效处理留给SHARC+ DSP浮点引擎完成。

图4.7英寸多点触摸屏和功能强大的参量均衡器。

神经捕捉和人工智能

在众多高端音频处理功能中,Neural DSP Quad Cortex架构支持捕捉、分享和下载音乐人最喜爱的音色。Quad Cortex采用独有的仿生人工智能(AI)技术,可以高度准确地学习和复制物理放大器、超速驱动和音箱的声波特征。

Neural DSP复杂的神经网络算法不同于其他算法,它能够像人类一样感知声音,因此成为出色的自然声音捕捉解决方案。这个过程是一个边界深度学习过程,涉及海量运算;利用4个可用的SHARC+ DSP内核主要基于极为强大的浮点处理能力,让运算过程快速高效。

极为紧凑的独特设计

除了出色的精度和极佳的自然动态响应之外,Quad Cortex具有极为紧凑、时尚、轻便的铝制机身。这款产品采用专有设计,脚踏开关可以作为旋钮使用。除了上述特性之外,Quad Cortex还具有SHARC+技术提供的紧凑型集成式SoC解决方案的优势,因此性能差不多达到同类竞争产品的两倍,但重量只有其一半,尺寸约为其三分之一。ADSP-SC589多核处理器采用紧凑的19 mm × 19 mm 529引脚BGA封装。

在Quad Cortex SHARC+项目的开发过程中,不时面对各种挑战,同时也充满乐趣。为响应式UI提供图像渲染、利用DSP内核训练神经网络、实现优化的音频算法、开发用于无线预置共享的云平台,以及执行固件更新,这些都是在开发和创建这一突破性设备期间遇到的一些挑战。为了打造这款出色的产品,大家付出了数十年的努力,这一点毋庸置疑,Neural DSP和ADI都相信,这些付出为我们带来了最为出色的专业音频设备,将有助于音乐人倾情创作,释放激情和灵感!

参考文献

Quad Cortex 产品页面。Neural DSP Technologies,2020年。
SHARC音频处理器/SoC ADI公司,2020年。
ADSP-SC58x/ADSP-2158x:带Arm Cortex-A5的SHARC+-双核DSP数据手册。ADI公司,2018年12月。


作者简介

Maikel Kokaly-Bannourah拥有赫特福德大学(UK)的电气与电子工程学士学位(荣誉)和拉斯帕尔马斯(西班牙)MBA商学院的MBA学位;他于2000年加入ADI公司。Maikel目前是一名嵌入式处理和连接应用工程师,在ADI从事DSP研究已超过20年。他主要负责ADI的处理器和DSP产品系列,这些产品支持工业、汽车、消费电子和专业音频等各类广泛应用。联系方式:maikel.kokaly-bannourah@analog.com

Douglas Castro是智利-芬兰混血电子工程师、音乐人,也是一名技术企业家,他是Neural DSP Technologies的联合创始人兼首席执行官。在创建Neural DSP之前,Douglas还创立了Darkglass Electronics,这是一家在低音吉他放大领域处于市场领先地位的公司。过去10年里,他亲自设计或领导开发了许多音频产品,全球50多万名音乐人都在使用这些产品。联系方式:doug@neuraldsp.com