SHARC處理器在音頻系統(tǒng)中的應用

傳統(tǒng)的音頻設備是模擬技術的天下。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、消費音頻設備采用數字信號處理器技術。

關注專業(yè)音頻產品的工程師可能會注意到一個現象：浮點DSP代表產品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年一年多的時間內就有若干業(yè)界知名企業(yè)在他們的音頻產品中選用SHARC處理器――PreSonus 公司的StudioLive數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用的“事實標準”。本文將選擇其中幾個應用案例，從應用設計角度分析探討選擇SHARC處理器背后的設計考量。

表1：近年音頻應用中選擇SHARC處理器的部分案例列表。

頂級音頻系統(tǒng)設計案例解析

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）的車內娛樂系統(tǒng)中，設計師們同時選擇了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。該SHARC處理器執(zhí)行優(yōu)化音頻的過濾算法，自適應汽車倉體回音，使聲音品質達到極致。

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

SHARC處理器出眾的內核性能、靈活的連接選項，以及集成的音頻專用外設使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架構來實現其領先的“聲音空間控制技術”，Fujitsu 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的音效處理能力奠定了其行業(yè)領先地位。

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并改善整體聲音品質。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和駕駛室揚聲器安裝方面的挑戰(zhàn)，從而增強駕駛室內各個空間位置的環(huán)繞聲音響效果。依靠這些先進的特性，Fujitsu 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音頻處理的黃金標準。該處理器的高性能數字信號處理(333 MHz /2 GFLOPS)使Fujitsu Ten公司的聲音空間控制技術有能力產生與高品質家庭音響設備相媲美的清晰度和聲音效果。SHARC處理器也使Fujitsu Ten公司可實現動態(tài)聲音調整所需要的有限脈沖響應(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處理器將大型的內存陣列和先進的片上外設集成到單一的匯聚型架構中，可簡化產品開發(fā)并縮短產品上市時間。ADSP-21364處理器的集成型8通道異步采樣率轉換器是Fujitsu Ten公司的聲音空間控制技術得以實現的一個關鍵部件，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。板上采樣率轉換器不但實現了高強度音頻信號轉換，而且還降低了通常因外部外設引起的性能延遲。

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

PreSonus公司是一家全球最具創(chuàng)新性的音頻制作設備供應商之一。PreSonus前不久發(fā)布的StudioLive數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，實現了在價格經濟的小型系統(tǒng)中提供專業(yè)品質的數字效果處理性能和音質。StudioLive被稱為“迄今為止全球最強大最靈活的十六通道數字混合器”，該產品帶有十六個高凈空余量XMAX麥克風前置放大器、內置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公司當初希望設計出一款具有獨特功能的數字音頻混合器，以支持現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。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，并最終產生超出PreSonus公司工程師預期的音質水平。

StudioLive將專業(yè)數字混音器與完整的多通道錄音系統(tǒng)結合起來，可為同時要求“現場播放”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產品設計采用了現場可編程門陣列（FPGA）作為主處理引擎，但PreSonus公司的工程師很快就發(fā)現FPGA方案會產生讓人難以接受的延遲，同時還加大了復雜音效的實現難度。借助浮點SHARC架構，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，該架構使PreSonus能夠精簡開發(fā)過程并滿足其高遠的設計目標。借助諸如純數字S/PDIF發(fā)送器/接收器、8通道異步采樣率轉換器、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，ADSP-21369簡化了StudioLive的硬件設計，并將BOM成本降至最低。

SHARC是音頻技術開發(fā)工程師將獨特功能編入其產品的高度靈活性的理想平臺。例如，PreSonus開發(fā)了一個任務調度內核，該內核利用SHARC的直接存儲器存?。―MA）以極低延遲來混合和處理現場音頻流。這個內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場音頻應用確保精密音頻處理和保真度。

借助SHARC，PreSonus能夠實現成本比StudioLive高二十多倍的系統(tǒng)的音質水準，以及快速增加用戶定制的數字音頻效果的靈活性，包括室內聲場仿真、混響、延遲和基于時間的效果。StudioLive帶有現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)省了進行現場表演時設備安裝/拆卸的時間。

3. 基于SHARC的專業(yè)音頻應用模塊

Lab X技術公司與OEM廠商合作，為客戶開發(fā)音頻與互連產品，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)音頻應用而專門設計的。

日益增長的音頻應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用而優(yōu)化，如需要高性能處理器來運行算術密集解碼器和后處理算法的音頻應用。SHARC ADSP21262在200 MHz下具有5 ns的指令周期時間。利用單指令多數據（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，提供與各種數字及混合信號外設的低成本接口，如ADI公司的音頻編解碼器、數模轉換器或模數轉換器系列產品。處理器包含串行外設接口（SPI），可提供SPI兼容端口與其它SPI兼容端口的通信；還可提供數字音頻接口，使各種外設可以連接到處理器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ADC與音頻處理器的接口。

為什么是SHARC？

上面已經介紹了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，其內核采用一種單指令多數據(SIMD)架構，這種架構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執(zhí)行相同的指令，速度最快的SHARC處理器的內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。

就一般應用而言，SHARC的一些獨特優(yōu)勢總體可歸結為32位浮點運算，這顯然可為設計帶來極大的優(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)的應用，如消費類和汽車應用，有些SHARC器件的ROM中還內置了音頻解碼器，而且在硬件上還集成了采樣率轉換器和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。

SHARC處理器受到如此眾多的專業(yè)音頻設備廠商的青睞，除了上述的優(yōu)化架構和高性能以外，功能強大的開發(fā)工具是重要的原因。圖形化的音頻設計工具VisualAudio?包含了大量的SHARC處理器音頻專門技術，并提供大量最優(yōu)化的SHARC音頻處理模塊庫，使得即使沒有相關經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產品提供的另一款軟件開發(fā)和調試集成環(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用軟件的開發(fā)。VisualDSP++中還包含了VDK或實時操作系統(tǒng)內核及調度器。而硬件工具EZ-KIT Lites提供了一種很好的*估平臺，可以用來編程和開發(fā)SHARC上運行的軟件。

例如，奧迪A5項目設計小組的所有開發(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公司的在線和現場技術支持，充分利用了ADI工程師在解決復雜硬件和布線方面的經驗和背景。利用ADI公司的高性價比EZ-KIT Lite?*估套件，Fujitsu Ten公司迅速對SHARC處理器完成了性能*估。該*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用創(chuàng)建原型。VisualDSP++軟件開發(fā)和調試環(huán)境易裝易用，使Fujitsu Ten公司進一步簡化了產品開發(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*估板一起，幫助PreSonus開發(fā)工程師簡化了產品開發(fā)過程并縮短上市時間。

使用者可以利用EZ-KIT Lite*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*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)和調試應用程序。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源代碼的優(yōu)化工作，必要時可以直接調試匯編級代碼，同時使用高級語言（C語言）編寫非性能關鍵的代碼。ADI還針對SHARC處理器在專業(yè)音頻處理上的應用，提供了VisualAudio圖形化設計編程環(huán)境，它包括一個工具包和一套基于VisualDSP++的軟件數據庫。VisualAudio提供音頻設計系統(tǒng)所需的各種軟件構建模塊，包括音量控制、音調控制、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*估板。另外，ADI的部分SHARC處理器內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），可以方便客戶構建高質量音頻接收器的平臺。

此外，SHARC處理器為用戶的應用環(huán)境考慮了很多：針對高溫環(huán)境應用，SHARC處理器將環(huán)境溫度擴展到105攝氏度，適合于像汽車應用等苛刻的應用環(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產品到現在的第四代SHARC產品，器件的引腳前均兼容，滿足用戶設計的多種選擇需求和產品換代更新需求，在升級或開發(fā)新一代產品時，用戶無需重新設計電路板，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。