【導讀】Gamechanger Audio挑戰自我，研發出一種獨特的實時音高變換算法，音高轉換非常真實，可讓吉他手全身心投入到創造最佳音樂體驗中。實現這樣一種對計算要求極高的算法，需要具備實時數字信號處理能力和能夠快速存取的存儲器，以此確保低延遲和可預測的性能表現。
本文詳細闡述了Bigsby? Pedal的系統要求、實施細節和設計挑戰，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滿足相關需求。
將Bigsby Tremolo引入現代電吉他配置中
Gamechanger Audio公司生產音頻效果器和樂器，特別專注于研發新穎獨特的技術解決方案，以推動音樂創作向前發展。突破性的產品設計旨在為音樂家帶來全新的聲音體驗，開辟與樂器互動的新途徑。
作為行業中備受尊敬的創新企業，Gamechanger Audio與多方積合作，比如知名模塊化合成器制造商“Erica Synths”、著名音樂家Jack White、傳奇的Fender樂器公司(Bigsby)等，贏得了廣泛認可。
Bigsby Pedal（圖1）是一款用于樂器的復音音高轉換效果器，旨在重現Bigsby Tremolo系統的手感和經典音色。Bigsby Tremolo由工程師Paul Bigsby于1951年設計，它是首款機械式彎弦裝置（一個帶有彈簧的手動操縱桿），吉他手可以借助它輕柔地增減樂器琴弦的張力，從而開創了電吉他全新的演奏技巧類別。
從那以后，各種各樣的機械式顫音系統被應用在電吉他上，其中包括Stratocaster的“顫音搖把”（Jimi Hendrix和Jeff Beck等音樂家都使用)、Eddie Van Halen的“Floyd Rose”系統，以及許多其他基本的彎弦裝置。
Bigsby Pedal的實時音高變換算法能夠通過多種聲源產生逼真的音效。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器，還能與人聲、合成器、管樂器等配合使用。
圖1.Gamechanger Audio Bigsby Pedal。
突破物理限制，激發無限創意
盡管機械式顫音系統是電吉他音色的關鍵組成部分，但它可能是一種較為麻煩的裝置。在演奏過程中，它會降低吉他的延音效果，影響吉他的音準穩定性，還會增加琴弦斷裂的風險。
因此，我們的目標是開發一種數字解決方案，能夠提供各種類型的經典彎弦和顫音音效，同時不會出現任何音準問題或機械故障。
為了實現這一目標，需要采用一種極其精確的實時音高變換算法，這樣吉他手就可以全身心地投入到演奏中，同時又不會失去樂器的音色特點和演奏的動態效果。這樣一種對數學運算要求極高的算法，需要極其強大的算力和快速的存儲器存取速度，以便在盡可能低的延遲下產生高質量的音效和演奏手感。
如圖2所示，ADI公司的ADSP-21569 SHARC+數字信號處理器(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、以音頻為中心的外設套件，以及大容量的片上靜態隨機存取存儲器(SRAM)，免去了對外部存儲器的依賴。此外，它還具備先進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旨在為汽車及消費類/專業音頻應用領域提供身臨其境的音頻和音效體驗。ADSP-215xx系列處理器基于SHARC+單指令多數據(SIMD)核心，運行時鐘頻率高達1 GHz。
這款32位/40位/64位浮點處理器針對高性能音頻/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)瓶頸多條內部總線，功能豐富的音頻外設套件，以及多種多樣的控制和連接選項，具體如圖3的框圖所示。
通過硬件功能實現系統性能最大化
為了保留模擬顫音系統的手感和音色，不能有數字噪聲干擾或合成音色，并且延遲要盡可能小。最終目標是能夠進行實時復音音高轉換，出色地保留音色，并且在音高轉換系數之間實現無縫過渡，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，導致和弦聽起來有點走調。
SHARC+ DSP架構使用戶能夠執行實時復音音高轉換所需的復雜計算。1 GHz核心頻率及640 kB片上1級(L1)和1024 kB片上2級(L2)SRAM，確保了強大的算力和極高的數據存取效率。ADSP-2156x系列處理器上經過優化的有限脈沖響應(FIR)和無限脈沖響應(IIR)硬件加速器，借助專用結構與SHARC+核心緊密耦合，并以內核速度運行。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(L1)存儲器，無需經過主系統架構，從而減少延遲。SHARC+核心中用于快速傅立葉變換(FFT)功能的內置循環緩沖區速度極快且效率極高，使用戶能夠進行多分辨率分析，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還具備先進且創新的數字音頻接口，包括8個串行端口(SPORT)，支持TMD總線和I2S總線，以及樂器數字接口(MIDI?)通信功能。，因而，這款踏板可通過數字音頻工作臺(DAW)或各種標準MIDI控制器實現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索尼/飛利浦數字接口(S/PDIF)、八對異步采樣率轉換器(ASRC)、四個精密時鐘發生器(PCG)以及24個音頻緩沖區。所有這些元件結合在一起，實現了高效的音頻通信鏈路。
此外，ADSP-2156x系列配備了一個加密引擎，支持基于標準的硬件加速加密、解密、身份驗證、真隨機數生成以及用于知識產權(IP)保護的安全啟動功能。在當今的消費級和專業音頻市場中，知識產權保護日益受到關注，在ADI的幫助下，Gamechanger Audio能夠有效保護其獨特且創新的算法解決方案。
靈活的特性與直觀的用戶界面
Bigsby Pedal的腳踏板形式是對經典揉弦技巧的一種獨特創新。通過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彈奏出富有節奏的復雜和弦及精妙的獨奏連復段，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，并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實時產生逼真的音高變化，并且可以通過深度旋鈕進行調節。音高轉換信號的音色和失諧參數同樣可以進行調整，尤其是失諧參數，它極其精確地重現了早期顫音系統所特有的“走調”效果。速率旋鈕使用戶能夠自動控制Bigsby Pedal的音高變換算法，從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片上存儲器。
圖5.Bigsby Pedal最終產品。
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，如果音高轉換算法不能產生出色的效果，那么Bigsby Pedal根本無從談起。任何數字瑕疵，或過于合成化的音色，都會讓這款產品失去存在價值。最終的算法極為復雜，對算力的要求堪稱苛刻。正是得益于ADI公司的SHARC+系列高端可擴展音頻DSP及其專為實時音頻信號處理優化的架構，Gamechanger Audio這樣的制造商才能突破桎梏，把大膽創新的想法變為現實，成功推出Bigsby Pedal這樣的產品。
參考文獻
Bigsby Pedal，Gamechanger Audio，2024年。
Fender Musical Instruments Corporation，2024年。
ADSP-2156x SHARC產品系列，ADI公司，2024年。
作者簡介
Maikel Kokaly-Bannourah擁有赫特福德大學（英國）的電氣與電子工程學士學位（榮譽）和拉斯帕爾馬斯（西班牙）MBA商學院的MBA學位；他于2000年加入ADI公司。Maikel目前是一名首席現場應用工程師，在音頻處理和連接解決方案領域擁有超過20年的經驗，尤其專注于ADI SHARC DSP。他深度參與了ADI的音頻處理器、數字信號處理器、編解碼器、A2B?收發器和高清多媒體接口(HDMI)技術，為各種消費類應用提供支持，如可聽設備和可穿戴設備、專業音頻、統一通信、樂器連接等領域。
Martin Swahn擁有瑞典斯德哥爾摩皇家理工學院(KTH)的電氣工程碩士學位。Martin在半導體行業擁有20年的工作經驗，于2015年加入ADI公司，擔任過多個不同的技術和商務職位。目前，Martin在瑞典擔任首席客戶經理，為眾多客戶提供支持。
