【導(dǎo)讀】Gamechanger Audio挑戰(zhàn)自我，研發(fā)出一種獨(dú)特的實(shí)時(shí)音高變換算法，音高轉(zhuǎn)換非常真實(shí)，可讓吉他手全身心投入到創(chuàng)造最佳音樂(lè)體驗(yàn)中。實(shí)現(xiàn)這樣一種對(duì)計(jì)算要求極高的算法，需要具備實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理能力和能夠快速存取的存儲(chǔ)器，以此確保低延遲和可預(yù)測(cè)的性能表現(xiàn)。
本文詳細(xì)闡述了Bigsby? Pedal的系統(tǒng)要求、實(shí)施細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并探討了ADI公司的ADSP-21569 SHARC+?音頻處理器如何憑借全面的功能特性來(lái)滿足相關(guān)需求。
將Bigsby Tremolo引入現(xiàn)代電吉他配置中
Gamechanger Audio公司生產(chǎn)音頻效果器和樂(lè)器，特別專注于研發(fā)新穎獨(dú)特的技術(shù)解決方案，以推動(dòng)音樂(lè)創(chuàng)作向前發(fā)展。突破性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)旨在為音樂(lè)家?guī)?lái)全新的聲音體驗(yàn)，開辟與樂(lè)器互動(dòng)的新途徑。
作為行業(yè)中備受尊敬的創(chuàng)新企業(yè)，Gamechanger Audio與多方積合作，比如知名模塊化合成器制造商“Erica Synths”、著名音樂(lè)家Jack White、傳奇的Fender樂(lè)器公司(Bigsby)等，贏得了廣泛認(rèn)可。
Bigsby Pedal（圖1）是一款用于樂(lè)器的復(fù)音音高轉(zhuǎn)換效果器，旨在重現(xiàn)Bigsby Tremolo系統(tǒng)的手感和經(jīng)典音色。Bigsby Tremolo由工程師Paul Bigsby于1951年設(shè)計(jì)，它是首款機(jī)械式彎弦裝置（一個(gè)帶有彈簧的手動(dòng)操縱桿），吉他手可以借助它輕柔地增減樂(lè)器琴弦的張力，從而開創(chuàng)了電吉他全新的演奏技巧類別。
從那以后，各種各樣的機(jī)械式顫音系統(tǒng)被應(yīng)用在電吉他上，其中包括Stratocaster的“顫音搖把”（Jimi Hendrix和Jeff Beck等音樂(lè)家都使用)、Eddie Van Halen的“Floyd Rose”系統(tǒng)，以及許多其他基本的彎弦裝置。
Bigsby Pedal的實(shí)時(shí)音高變換算法能夠通過(guò)多種聲源產(chǎn)生逼真的音效。它不僅可以搭配電貝斯使用，也適用于班卓琴、曼陀林和小提琴等原聲樂(lè)器，還能與人聲、合成器、管樂(lè)器等配合使用。
圖1.Gamechanger Audio Bigsby Pedal。
突破物理限制，激發(fā)無(wú)限創(chuàng)意
盡管機(jī)械式顫音系統(tǒng)是電吉他音色的關(guān)鍵組成部分，但它可能是一種較為麻煩的裝置。在演奏過(guò)程中，它會(huì)降低吉他的延音效果，影響吉他的音準(zhǔn)穩(wěn)定性，還會(huì)增加琴弦斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，我們的目標(biāo)是開發(fā)一種數(shù)字解決方案，能夠提供各種類型的經(jīng)典彎弦和顫音音效，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)任何音準(zhǔn)問(wèn)題或機(jī)械故障。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要采用一種極其精確的實(shí)時(shí)音高變換算法，這樣吉他手就可以全身心地投入到演奏中，同時(shí)又不會(huì)失去樂(lè)器的音色特點(diǎn)和演奏的動(dòng)態(tài)效果。這樣一種對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算要求極高的算法，需要極其強(qiáng)大的算力和快速的存儲(chǔ)器存取速度，以便在盡可能低的延遲下產(chǎn)生高質(zhì)量的音效和演奏手感。
如圖2所示，ADI公司的ADSP-21569 SHARC+數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是一個(gè)理想的解決方案，具有合適的架構(gòu)、高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算核心、以音頻為中心的外設(shè)套件，以及大容量的片上靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)，免去了對(duì)外部存儲(chǔ)器的依賴。此外，它還具備先進(jìn)的專用硬件功能和日益重要的安全特性。
基于1 GHz SHARC+核心的ADSP-215xx系列DSP
ADSP-2156x系列(ADSP-21562/ADSP-21563/ADSP-21565/ADSP-21566/ADSP-21567/ADSP-21569) DSP旨在為汽車及消費(fèi)類/專業(yè)音頻應(yīng)用領(lǐng)域提供身臨其境的音頻和音效體驗(yàn)。ADSP-215xx系列處理器基于SHARC+單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)核心，運(yùn)行時(shí)鐘頻率高達(dá)1 GHz。
這款32位/40位/64位浮點(diǎn)處理器針對(duì)高性能音頻/浮點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有大容量片上SRAM，可消除輸入/輸出(I/O)瓶頸多條內(nèi)部總線，功能豐富的音頻外設(shè)套件，以及多種多樣的控制和連接選項(xiàng)，具體如圖3的框圖所示。
通過(guò)硬件功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最大化
為了保留模擬顫音系統(tǒng)的手感和音色，不能有數(shù)字噪聲干擾或合成音色，并且延遲要盡可能小。最終目標(biāo)是能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)音音高轉(zhuǎn)換，出色地保留音色，并且在音高轉(zhuǎn)換系數(shù)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡，以模仿早期顫音系統(tǒng)的特性。當(dāng)琴弦張力釋放時(shí)，不同粗細(xì)的琴弦的音高下降幅度會(huì)有所不同，導(dǎo)致和弦聽起來(lái)有點(diǎn)走調(diào)。
SHARC+ DSP架構(gòu)使用戶能夠執(zhí)行實(shí)時(shí)復(fù)音音高轉(zhuǎn)換所需的復(fù)雜計(jì)算。1 GHz核心頻率及640 kB片上1級(jí)(L1)和1024 kB片上2級(jí)(L2)SRAM，確保了強(qiáng)大的算力和極高的數(shù)據(jù)存取效率。ADSP-2156x系列處理器上經(jīng)過(guò)優(yōu)化的有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)硬件加速器，借助專用結(jié)構(gòu)與SHARC+核心緊密耦合，并以內(nèi)核速度運(yùn)行。這種緊密的集成方式使得FIR/IIR加速器端口能夠直接存取處理器的一級(jí)(L1)存儲(chǔ)器，無(wú)需經(jīng)過(guò)主系統(tǒng)架構(gòu)，從而減少延遲。SHARC+核心中用于快速傅立葉變換(FFT)功能的內(nèi)置循環(huán)緩沖區(qū)速度極快且效率極高，使用戶能夠進(jìn)行多分辨率分析，并將延遲降至最低。
圖2.ADSP-2156x SHARC+ DSP系列。
圖3.ADSP-21569全功能模式處理器方框圖。
全方位的音頻連接性和安全性
ADSP-2156x DSP還具備先進(jìn)且創(chuàng)新的數(shù)字音頻接口，包括8個(gè)串行端口(SPORT)，支持TMD總線和I2S總線，以及樂(lè)器數(shù)字接口(MIDI?)通信功能。，因而，這款踏板可通過(guò)數(shù)字音頻工作臺(tái)(DAW)或各種標(biāo)準(zhǔn)MIDI控制器實(shí)現(xiàn)完全可控制和可編程（圖4）。
圖4.Bigsby Pedal音頻接口
此外，這款以音頻為中心的處理器還支持兩個(gè)索尼/飛利浦?jǐn)?shù)字接口(S/PDIF)、八對(duì)異步采樣率轉(zhuǎn)換器(ASRC)、四個(gè)精密時(shí)鐘發(fā)生器(PCG)以及24個(gè)音頻緩沖區(qū)。所有這些元件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了高效的音頻通信鏈路。
此外，ADSP-2156x系列配備了一個(gè)加密引擎，支持基于標(biāo)準(zhǔn)的硬件加速加密、解密、身份驗(yàn)證、真隨機(jī)數(shù)生成以及用于知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)保護(hù)的安全啟動(dòng)功能。在當(dāng)今的消費(fèi)級(jí)和專業(yè)音頻市場(chǎng)中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)日益受到關(guān)注，在ADI的幫助下，Gamechanger Audio能夠有效保護(hù)其獨(dú)特且創(chuàng)新的算法解決方案。
靈活的特性與直觀的用戶界面
Bigsby Pedal的腳踏板形式是對(duì)經(jīng)典揉弦技巧的一種獨(dú)特創(chuàng)新。通過(guò)將彈簧加載裝置從吉他琴身移除并放置在地面上（見圖5），演奏者的雙手可以自由地持續(xù)彈奏出富有節(jié)奏的復(fù)雜和弦及精妙的獨(dú)奏連復(fù)段，而所有的音高彎音則由一個(gè)腳踏控制器來(lái)完成。這創(chuàng)造了一種全新的演奏方式，讓吉他手和精通多種樂(lè)器的樂(lè)手能夠發(fā)明新的演奏技巧，并創(chuàng)作出在機(jī)械式顫音系統(tǒng)或基本的音高轉(zhuǎn)換效果器下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的音樂(lè)編排。
借助高性能的SHARC +核心，Bigsby Pedal能夠在兩個(gè)八度的音域內(nèi)實(shí)時(shí)產(chǎn)生逼真的音高變化，并且可以通過(guò)深度旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。音高轉(zhuǎn)換信號(hào)的音色和失諧參數(shù)同樣可以進(jìn)行調(diào)整，尤其是失諧參數(shù)，它極其精確地重現(xiàn)了早期顫音系統(tǒng)所特有的“走調(diào)”效果。速率旋鈕使用戶能夠自動(dòng)控制Bigsby Pedal的音高變換算法，從而產(chǎn)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(diǎn)運(yùn)算能力、低延遲特性和大容量片上存儲(chǔ)器。
圖5.Bigsby Pedal最終產(chǎn)品。
Bigsby Pedal——最終產(chǎn)品
當(dāng)Gamechanger Audio首次向吉他界推出Bigsby Pedal時(shí)，最常聽到的評(píng)論之一是：這堪稱神來(lái)之筆，卻又顯得理所當(dāng)然。如此絕妙的構(gòu)思，為何多年來(lái)無(wú)人問(wèn)津？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果音高轉(zhuǎn)換算法不能產(chǎn)生出色的效果，那么Bigsby Pedal根本無(wú)從談起。任何數(shù)字瑕疵，或過(guò)于合成化的音色，都會(huì)讓這款產(chǎn)品失去存在價(jià)值。最終的算法極為復(fù)雜，對(duì)算力的要求堪稱苛刻。正是得益于ADI公司的SHARC+系列高端可擴(kuò)展音頻DSP及其專為實(shí)時(shí)音頻信號(hào)處理優(yōu)化的架構(gòu)，Gamechanger Audio這樣的制造商才能突破桎梏，把大膽創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，成功推出Bigsby Pedal這樣的產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
Bigsby Pedal，Gamechanger Audio，2024年。
Fender Musical Instruments Corporation，2024年。
ADSP-2156x SHARC產(chǎn)品系列，ADI公司，2024年。
作者簡(jiǎn)介
Maikel Kokaly-Bannourah擁有赫特福德大學(xué)（英國(guó)）的電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位（榮譽(yù)）和拉斯帕爾馬斯（西班牙）MBA商學(xué)院的MBA學(xué)位；他于2000年加入ADI公司。Maikel目前是一名首席現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，在音頻處理和連接解決方案領(lǐng)域擁有超過(guò)20年的經(jīng)驗(yàn)，尤其專注于ADI SHARC DSP。他深度參與了ADI的音頻處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、編解碼器、A2B?收發(fā)器和高清多媒體接口(HDMI)技術(shù)，為各種消費(fèi)類應(yīng)用提供支持，如可聽設(shè)備和可穿戴設(shè)備、專業(yè)音頻、統(tǒng)一通信、樂(lè)器連接等領(lǐng)域。
Martin Swahn擁有瑞典斯德哥爾摩皇家理工學(xué)院(KTH)的電氣工程碩士學(xué)位。Martin在半導(dǎo)體行業(yè)擁有20年的工作經(jīng)驗(yàn)，于2015年加入ADI公司，擔(dān)任過(guò)多個(gè)不同的技術(shù)和商務(wù)職位。目前，Martin在瑞典擔(dān)任首席客戶經(jīng)理，為眾多客戶提供支持。
