具備先進音訊數位訊號處理技術的Gamechanger Audio Bigsby音高轉換踏板

作者：ADI資深應用工程師Maikel Kokaly-Bannourah 及資深客戶經理Martin Swahn

摘要

一種由Gamechanger Audio這家公司所研發出的獨特即時音高轉換演算法，可使音高轉換非常真實，並且讓吉他手全身心投入以創造最佳音樂體驗。而實現如此對運算要求極高的演算法，需要具備即時數位訊號處理能力和能夠快速存取的記憶體，以此確保低延遲和可預測的性能表現。

本文便將詳細闡述Bigsby^® Pedal的系統要求、建置細節和設計挑戰，並探討ADI的ADSP-21569 SHARC+^®音訊處理器如何憑藉全面的功能特性來滿足相關需求。

將Bigsby Tremolo導入現代電吉他配置中

Gamechanger Audio公司生產音訊效果器和樂器，特別專注於研發新穎獨特的技術解決方案，以推動音樂創作向前發展。突破性的產品設計目的在為音樂家帶來全新的聲音體驗，開闢與樂器互動的新途徑。

作為業界備受尊敬的創新企業，Gamechanger Audio與各方積極合作，例如知名模組化合成器製造商“Erica Synths”、著名音樂家Jack White、傳奇的Fender樂器公司(Bigsby)等，並贏得了廣泛認可。

Bigsby Pedal（圖1）為一款用於樂器的複音音高轉換效果器，目的在重現Bigsby Tremolo系統的手感和經典音色。Bigsby Tremolo由工程師Paul Bigsby於1951年設計，其為首款機械式彎弦裝置（一個具有彈簧的手動操縱桿），吉他手可以借助其輕柔地增減樂器琴弦的張力，進而開創電吉他全新的演奏技巧類別。

從此以後，各式各樣的機械式顫音系統被應用在電吉他上，其中包括Stratocaster的「顫音搖桿」（Jimi Hendrix和Jeff Beck等音樂家皆已使用)、Eddie Van Halen的“Floyd Rose”系統，以及許多其他基本的彎弦裝置。

Bigsby Pedal的即時音高變換演算法能夠透過多種音源產生逼真的音效。其不僅可以搭配電貝斯使用，也適用於班鳩琴、曼陀林和小提琴等原聲樂器，還能與人聲、合成器、管樂器等配合使用。

突破物理限制，激發無限創意

儘管機械式顫音系統是電吉他音色的關鍵組成部分，但其可能是一種較為麻煩的裝置。在演奏過程中會降低吉他的延音效果，影響吉他的音準穩定性，同時增加琴弦斷裂的風險。

因此，我們的目標是開發一種數位解決方案，用於提供各種類型的經典彎弦和顫音音效，同時防止出現任何音準問題或機械故障。

為了實現此一目標，採用一種極其精準的即時音高變換演算法成為必須，如此這樣吉他手就可以全心地投入到演奏中，同時又不會失去樂器的音色特點和演奏的動態效果。如此對數學運算要求極高的演算法，需要極其強大的算力和快速的記憶體存取速度，以便在盡可能低的延遲下產生高品質的音效和演奏手感。

如圖2所示，ADI的 ADSP-21569 SHARC+數位訊號處理器(DSP)是一個理想的解決方案，具有合適的架構、高性能的浮點運算核心、以音訊為中心的周邊套件，以及大容量的晶片內靜態隨機存取記憶體(SRAM)，免去了對外部記憶體的依賴。此外，其並具備先進的專用硬體功能和日益重要的安全特性。

基於1 GHz SHARC+核心的ADSP-215xx系列DSP

ADSP-2156x系列(ADSP-21562/ADSP-21563/ADSP-21565/ADSP-21566//ADSP-21569) DSP目的在為汽車及消費性/專業音訊應用領域提供身歷其境的音訊和音效體驗。ADSP-215xx系列處理器基於SHARC+單指令多資料(SIMD)核心，運行時脈頻率高達1 GHz。

此款32位元/40位元/64位元浮點處理器針對高性能音訊/浮點應用進行了優化，具有大容量片上SRAM，可消除輸入/輸出(I/O)瓶頸多條內部匯流排，功能豐富的音訊周邊套件，以及多種多樣的控制和連接選項，具體如圖3的框圖所示。

透過硬體功能實現系統性能最大化

為了保留類比顫音系統的手感和音色，不能有數位雜訊干擾或合成音色，並且延遲要盡可能小。最終目標是能夠進行即時複音音高轉換，卓越地保留音色，並且在音高轉換係數之間實現無縫轉換，以模仿早期顫音系統的特性。當琴弦張力釋放時，不同粗細的琴弦的音高下降幅度會有所不同，導致和絃聽起來有點走調。

SHARC+ DSP架構使用戶能夠執行即時複音音高轉換所需的複雜運算。1 GHz核心頻率及640 kB晶片1級(L1)和1024 kB晶片2級(L2)SRAM，確保了強大的算力和極高的資料存取效率。ADSP-2156x系列處理器上經過優化的有限脈衝回應(FIR)和無限脈衝回應(IIR)硬體加速器，借助專用結構與SHARC+核心緊密耦合，並以核心速度運行。如此緊密的整合方式使得FIR/IIR加速器埠能夠直接存取處理器的一級(L1)記憶體，無需經過主系統架構，進而減少延遲。SHARC+核心中用於快速傅立葉轉換(FFT)功能的內建迴圈緩衝區速度極快且效率極高，使用戶能夠進行多解析度分析，並將延遲降至最低。

全方位的音訊連線性和安全性

ADSP-2156x DSP並具備先進且創新的數位音訊介面，包括8個序列埠(SPORT)，支援TMD匯流排和I²S匯流排，以及樂器數位介面(MIDI^®)通訊功能。因而，此款踏板可透過數位音訊工作台(DAW)或各種標準MIDI控制器實現完全可控制和可編程（圖4）。

此外，此款以音訊為中心的處理器並支援兩個Sony/飛利浦(Philips)數位介面(S/PDIF)、八對非同步取樣速率轉換器(ASRC)、四個精密時脈產生器(PCG)以及24個音訊緩衝區。所有元件的結合實現了高效的音訊通訊鏈路。

此外，ADSP-2156x系列配備了一個加密引擎，可支援基於標準的硬體加速加密、解密、身份驗證、真亂數產生以及用於智慧財產權(IP)保護的安全啟動功能。在現今的消費性和專業音訊市場中，智慧財產權保護日益受到關注，在ADI的協助下，Gamechanger Audio能夠有效保護其獨特且創新的演算法解決方案。

彈性的特性與直覺的使用者介面

Bigsby Pedal的腳踏板形式是對經典揉弦技巧的一種獨特創新。透過將彈簧載入裝置從吉他琴身移除並放置在地面上（見圖5），演奏者的雙手可以自由地持續彈奏出富有節奏的複雜和絃及精妙的獨奏連複段，而所有的音高彎音則由一個腳踏控制器來完成。這創造了一種全新的演奏方式，讓吉他手和精通多種樂器的樂手能夠發明新的演奏技巧，並創作出在機械式顫音系統或基本的音高轉換效果器下無法實現的音樂編排。

借助高性能的SHARC +核心，Bigsby Pedal能夠在兩個八度的音域內即時產生逼真的音高變化，並且可以透過深度旋鈕進行調節。音高轉換訊號的音色和失諧參數同樣可以進行調整，尤其是失諧參數，極其精準地重現了早期顫音系統所特有的「走調」效果。速率旋鈕使得使用者能夠自動控制Bigsby Pedal的音高變換演算法，進而產生不同速度的顫音和合唱效果。而這一切都離不開SHARC+核心的浮點運算能力、低延遲特性和大容量晶片記憶體。

Bigsby Pedal——最終產品

當Gamechanger Audio首次向吉他界推出Bigsby Pedal時，最常聽到的評論之一是：這堪稱神來之筆，卻又顯得理所當然。如此絕妙的構思，為何多年來無人問津？

簡單來說，如果音高轉換演算法不能產生卓越的效果，那麼Bigsby Pedal根本無從談起。任何數位瑕疵，或過於合成化的音色，都會使得此款產品失去存在價值。最終的演算法極為複雜，對算力的要求堪稱嚴苛。而得益於ADI的SHARC+系列先進可擴展音訊DSP及其專為即時音訊訊號處理優化的架構，Gamechanger Audio如此的製造商才能突破桎梏，將大膽創新的想法變為現實，而推出諸如Bigsby Pedal之類的產品。

參考文獻

Bigsby Pedal， Gamechanger Audio, 2024年。

Fender Musical Instruments Corporation, 2024年。

ADSP-2156x SHARC產品系列，ADI，2024年。