SHARC处理器在音频系统中的典型应用

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传统的音频设备是模拟技术的天下。然而，近年来这种状况正在迅速发生变化，由于具有独特的性能优势、越来越高的性价比以及便利简化的设计工具支持，越来越多的专业音频系统、汽车音响、消费音频设备采用数字信号处理器技术。
       
        关注专业音频产品的工程师可能会注意到一个现象：浮点DSP代表产品SHARC处理器受到越来越多工程师和企业的青睐，仅在2008年到2009年一年多的时间内就有若干业界知名企业在他们的音频产品中选用SHARC处理器——PreSonus公司的StudioLive数字音频混合器和多通道录音系统、Damage Control公司的电吉他、FUJITSU TEN公司的汽车音响系统……这样的应用案例近年来迅速增多，表1列出了几个SHARC处理器的典型应用案例。
       
        事实上，如果不是篇幅的限制，这个列表可以很长很长，SHARC处理器为什么受青睐？用行业人士的解释就是因为SHARC处理器正在成为中高端音频应用的“事实标准”。本文将选择其中几个应用案例，从应用设计角度分析探讨选择SHARC处理器背后的设计考量。
       
        表1：近年音频应用中选择SHARC处理器的部分案例列表。
         
       
         
        顶级音频系统设计案例解析
       
        1.卓越的汽车音响系统选择SHARC
       
        在奥迪A5高档双门轿跑车（Audi A5 Coupé）的车内娱乐系统中，设计师们同时选择了ADI公司的Blackfin和SHARC处理器，通过多种信号处理技术重新定义了豪华车载娱乐体验。其中ADSP-21362处理器以其高性能、丰富的音频特性组合以及在音频市场上的良好声誉被选中作为B
       
        以设计和生产高品质音响设备著称的Fujitsu Ten公司同样选择了浮点SHARC处理器ADSP-21364作为数字信号处理引擎，来增强其音频放大器的性能。为汽车驾驶室环境中的音响设备提供高性能输出、先进的声音均衡效果和出众的音质，在众多的可选方案中，Fujitsu Ten对浮点SHARC处理器情有独钟。下面对Fujitsu Ten公司利用SHARC处理器的设计进行简单阐述。
       
        SHARC处理器出众的内核性能、灵活的连接选项，以及集成的音频专用外设使Fujitsu Ten公司可以克服汽车驾驶室颇具挑战性的约束条件，提供传统的原厂汽车放大器无可比拟的汽车音响体验。利用高性能SHARC DSP架构来实现其领先的“声音空间控制技术”，Fujitsu Ten公司的功率音频放大器以先进的声音均衡能力和生成完美音质的音效处理能力奠定了其行业领先地位。
       
        SHARC处理器使Fujitsu Ten有能力通过实时信号处理降低驾驶室内的声音反射，并使之相互抵消，从而同时补偿各种声音反射效应并改善整体声音品质。此外，SHARC处理器使Fujitsu Ten公司有能力补偿扬声器的声音约束条件，包括扬声器频率响应和驾驶室扬声器安装方面的挑战，从而增强驾驶室内各个空间位置的环绕声音响效果。依靠这些先进的特性，Fujitsu Ten公司基于SHARC处理器的功率音频放大器向汽车制造商提供了一个灵活的高品质音频放大器平台，该平台可以无缝地整合到几乎任何车辆中，向用户提供他们所期待的丰富听觉体验。
       
        ADI公司的浮点SHARC处理器被公认为高品质音频处理的黄金标准。该处理器的高性能数字信号处理（333 MHz /2 GFLOPS）使Fujitsu Ten公司的声音空间控制技术有能力产生与高品质家庭音响设备相媲美的清晰度和声音效果。SHARC处理器也使Fujitsu Ten公司可实现动态声音调整所需要的有限脉冲响应（FIR）滤波器。
       
        除了提供Fujitsu Ten音频功率放大器所要求的密集计算能力之外，SHARC处理器将大型的内存阵列和先进的片上外设集成到单一的汇聚型架构中，可简化产品开发并缩短产品上市时间。ADSP-21364处理器的集成型8通道异步采样率转换器是Fujitsu Ten公司的声音空间控制技术得以实现的一个关键部件，它帮助Fujitsu Ten公司降低了BOM成本并减小了音频放大器的尺寸。板上采样率转换器不但实现了高强度音频信号转换，而且还降低了通常因外部外设引起的性能延迟。
       
        2. SHARC助PreSonus实现低成本专业音频系统
       
        PreSonus公司是一家全球最具创新性的音频制作设备供应商之一。PreSonus前不久发布的StudioLive数字音频混合器和多通道录音系统选择了ADI公司的32位浮点SHARC处理器，实现了在价格经济的小型系统中提供专业品质的数字效果处理性能和音质。StudioLive被称为“迄今为止全球最强大最灵活的十六通道数字混合器”，该产品带有十六个高净空余量XMAX麦克风前置放大器、内置32x18 FireWire录音和回放引擎、带4波段EQ的“Fat-Channel”处理、压缩器、限制器和门极、DSP效果、六个辅助总线、四个子群、广泛的LED测量、混音器保存和取消、通道放大器组保存/取消/拷贝/粘贴以及对讲系统等，突破了音乐表演和制作的新界限。
       
        PreSonus公司当初希望设计出一款具有独特功能的数字音频混合器，以支持现场表演和录音棚制作。新系统要求外形尺寸小、便于移动，并且具有较低的BOM成本以吸引那些预算有限的客户，并且不能牺牲性能、功能和音质。ADI公司的ADSP-21369处理器为PreSonus公司带来性价比与高级特性的完美组合，充分释放出StudioLive系统的全部能量，并最终产生超出PreSonus公司工程师预期的音质水平。
       
        StudioLive将专业数字混音器与完整的多通道录音系统结合起来，可为同时要求“现场播放”和录音棚最佳制作效果的用户提供最具创造性的环境。为了实现这一独特的功能组合，PreSonus需要一个能够支持充分混音、动态效果处理和均衡功能，同时可提供实时音乐处理和录音所需的显著性能的处理平台。最初的StudioLive产品设计采用了现场可编程门阵列（FPGA）作为主处理引擎，但PreSonus公司的工程师很快就发现FPGA方案会产生让人难以接受的延迟，同时还加大了复杂音效的实现难度。借助浮点SHARC架构，PreSonus获得了可确保出色性能的超强计算能力，以及可更灵活地进行PreSonus音频算法编程和定制的鲁棒指令集。在SHARC之外，PreSonus还考虑过在StudioLive中采用同类竞争性数字信号处理器，但由于400 MHz/2.4 GLOPS的浮点性能优势，加之2 Mb片上SRAM、6Mb片上ROM以及支持SDRAM、SRAM、闪存和ROM存储器的32位外部存储器接口，他们最终选择了SHARC.非凡的内核和存储器性能配合突出的I/O吞吐能力，使SHARC超越了StudioLive对计算密集型实时信号处理的要求，可确保获得近乎无限净空余量的最佳无失真音频性能。
       
        PreSonus的工程师充分利用了SHARC强大的处理器架构，该架构使PreSonus能够精简开发过程并满足其高远的设计目标。借助诸如纯数字S/PDIF发送器/接收器、8通道异步采样率转换器、8个高速串行端口、4个精密时钟发生器和多个串行接口等各种片上音频专用和通用外设，ADSP-21369简化了StudioLive的硬件设计，并将BOM成本降至最低。
       
        SHARC是音频技术开发工程师将独特功能编入其产品的高度灵活性的理想平台。例如，PreSonus开发了一个任务调度内核，该内核利用SHARC的直接存储器存取（DMA）以极低延迟来混合和处理现场音频流。这个内核可用来管理资源和存储器的动态分配，并通过八帧采样周期将开销降至最低，从而为要求严苛的现场音频应用确保精密音频处理和保真度。
       
        借助SHARC，PreSonus能够实现成本比StudioLive高二十多倍的系统的音质水准，以及快速增加用户定制的数字音频效果的灵活性，包括室内声场仿真、混响、延迟和基于时间的效果。StudioLive带有现场声音制作所需的所有器件，包括28个压缩器、28个限制器、28个门极、28个高通滤波器以及2个主控立体声限制器等，从而为音乐人和音频工程师节省了外部效果处理模块的成本，而且节省了进行现场表演时设备安装/拆卸的时间。
        3.基于SHARC的专业音频应用模块
       
        Lab X技术公司与OEM厂商合作，为客户开发音频与互连产品，包括用户接口、前置放大器、演播室混音台、家庭影院、声音分配，以及广播解决方案。Lab X基于SHARC ADSP-21262开发了Mako？ 2126x DSP模块，OEM可以在其设计中集成Mako板，或由Lab X为客户进行集成，或提供完整解决方案。Mako是为集成到家庭影院、专业音频以及商业音频应用而专门设计的。
       
        日益增长的音频应用需要大量的信号处理能力，由于采用了集成的SHARC处理器，Mako不仅能节省OEM的时间，而且可以降低开发成本。SHARC是32位/40位浮点处理器，针对高精密信号处理应用而优化，如需要高性能处理器来运行算术密集解码器和后处理算法的音频应用。SHARC ADSP21262在200 MHz下具有5 ns的指令周期时间。利用单指令多数据（SIMD）计算硬件，SHARC ASDP21262可在200 MHz下达到1200 MFLOPS的性能。Mako还采用SHARC ADSP-21266处理器为家庭影院解码器提供PCM、Dolby Digital、DTS、Dolby DPL2以及THX后处理算法。
       
        SHARC具有6个全双工串行端口，提供与各种数字及混合信号外设的低成本接口，如ADI公司的音频编解码器、数模转换器或模数转换器系列产品。处理器包含串行外设接口（SPI），可提供SPI兼容端口与其它SPI兼容端口的通信；还可提供数字音频接口，使各种外设可以连接到处理器20个DAI引脚中的任意一个。SHARC处理器包含多达13个同步串行端口，用于I2S或时分多址（TDM）输入与输出，以实现ADC与音频处理器的接口。
         
       
         
        为什么是SHARC？
       
        上面已经介绍了SHARC处理器的一些性能特点，下面再对该处理器的主要特点进行概要介绍。SHARC处理器支持高性能32位和40位扩展浮点运算以及32位定点运算，其内核采用一种单指令多数据（SIMD）架构，这种架构包含两个能够并行执行代码的运算单元，这意味着用户可以在这两个运算单元中于同一周期内执行相同的指令，速度最快的SHARC处理器的内核时钟频率最高可达400MHz，其性能达到2.4Gflop.为了保持这种单周期操作性能，内核和存储器之间具有很高的带宽。而SHARC还具有一些浮点运算的优势，如可以减少量化误差，实现更高的精度和更大的动态范围。这些特性使得SHARC非常适合用于从家庭影院系统和高清DVD到专业音响系统中的混频器、放大器和合成器、汽车音频放大器，等等。
       
        就一般应用而言，SHARC的一些独特优势总体可归结为32位浮点运算，这显然可为设计带来极大的优势。另外，SHARC处理器不仅具有很大容量的片上存储器，还提供了与外部存储器的无胶合接口。而针对一些更专业的应用，如消费类和汽车应用，有些SHARC器件的ROM中还内置了音频解码器，而且在硬件上还集成了采样率转换器和S/PDIF接口。针对一些特殊的汽车类客户，ADI在SHARC处理器中增加了硬件DTCP加密引擎。
         
       
         
        SHARC处理器受到如此众多的专业音频设备厂商的青睐，除了上述的优化架构和高性能以外，功能强大的开发工具是重要的原因。图形化的音频设计工具VisualAudio包含了大量的SHARC处理器音频专门技术，并提供大量最优化的SHARC音频处理模块库，使得即使没有相关经验的工程师可以利用一套基本的音频库和工具来迅速启动其项目，并使开发过程模块化，缩短学习时间。
           
          VisualDSP++是ADI针对其系列DSP产品提供的另一款软件开发和调试集成环境，VisualDSP++中集成的SHARC专用编译器能够充分发挥SHARC的SIMD架构优势，而且支持单周期执行的浮点运算，VisualDSP++中的仿真器无需硬件就能支持应用软件的开发。VisualDSP++中还包含了VDK或实时操作系统内核及调度器。而硬件工具EZ-KIT Lites提供了一种很好的*估平台，可以用来编程和开发SHARC上运行的软件。
         
       
         
        例如，奥迪A5项目设计小组的所有开发人员都使用了ADI的VisualDSP++集成开发和调试环境，该环境允许以单个接口完成对工程自始至终的高效管理。开发人员还得到了ADI公司的在线和现场技术支持，充分利用了ADI工程师在解决复杂硬件和布线方面的经验和背景。利用ADI公司的高性价比EZ-KIT Lite*估套件，Fujitsu Ten公司迅速对SHARC处理器完成了性能*估。该*估套件通过USB接口与PC主机相连，开发人员不但可利用它熟悉SHARC的特性和功能，而且可高效地为各种应用创建原型。VisualDSP++软件开发和调试环境易装易用，使Fujitsu Ten公司进一步简化了产品开发流程，缩短了其功率音频放大器的上市时间。PreSonus公司的工程师在开发StudioLive时就利用到了集成式软件开发环境VisualDSP++.VisualDSP++与EZ-KIT Lite*估板一起，帮助PreSonus开发工程师简化了产品开发过程并缩短上市时间。
         
         
        使用者可以利用EZ-KIT Lite*估板和VisualDSP++集成开发环境，通过PC主机的工具集进行架构*估。尤其是VisualDSP++，它令程序员可以在一个可视化的环境中灵活方便地开发和调试应用程序。在VisualDSP++开发工具功能和C/C++编译器支持下，工程师也很容易实现源代码的优化工作，必要时可以直接调试汇编级代码，同时使用高级语言（C语言）编写非性能关键的代码。ADI还针对SHARC处理器在专业音频处理上的应用，提供了VisualAudio图形化设计编程环境，它包括一个工具包和一套基于VisualDSP++的软件数据库。VisualAudio提供音频设计系统所需的各种软件构建模块，包括音量控制、音调控制、延迟、压缩效果器等，它还支持客户自行编写的音频模块。VisualAudio提供直观的拖放式图形用户界面，可以在准备好的可用参考硬件平台上立刻使用，如SHARC EZ-KIT Lite*估板。另外，ADI的部分SHARC处理器内部集成了高保真音频解码器（如家庭影院系统中使用的高保真音频解码器），可以方便客户构建高质量音频接收器的平台。
       
        此外，SHARC处理器为用户的应用环境考虑了很多：针对高温环境应用，SHARC处理器将环境温度扩展到105摄氏度，适合于像汽车应用等苛刻的应用环境；SHARC一直以来保持的一大优势特性——兼容性，从第一代SHARC产品到现在的第四代SHARC产品，器件的引脚前均兼容，满足用户设计的多种选择需求和产品换代更新需求，在升级或开发新一代产品时，用户无需重新设计电路板，可以直接换上具有更多功能的新型SHARC器件。此外，同一个系列的SHARC器件之间还具有代码兼容的特性，方便方案的软件移植。