АРИС.КАТАЛОГ

Секреты высококачественного звука. Технология FPGA в применении к цифровым аудиотехнологиям

Статьи > Секреты высококачественного звука. Технология FPGA в применении к цифровым аудиотехнологиям


Информация и технологии играют решающие роли в современном мире. От того, насколько хорошо вы владеете этими ресурсами, зависят результаты дела, которым вы занимаетесь. В этой статье мне хотелось бы рассказать о технологии, в основе которой лежит особый класс микросхем – FPGA.


Аббревиатуру FPGA можно перевести на русский язык как Программируемая Пользователем Вентильная Матрица. По сути, это полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». Разработка FPGA- технологий началась в середине 80-х годов XX века. С тех пор были достигнуты впечатляющие результаты. Современные FPGA-чипы могут быть запрограммированы на выполнение чрезвычайно сложных операций на высоких тактовых частотах. Сигнальные процессоры (DSP) и компьютерные процессоры CPU разрабатываются для выполнения всевозможных задач или классов задач, а программы действий для них компилируются из языков высокого уровня. В свою очередь, чипы FPGA в приборах имеют определённую специализацию и программируются в машинном коде, а хорошо написанная программа в машинном коде работает зачастую быстрее, чем скомпилированная из языка высокого уровня.

Чипы FPGA представляет собой набор логических элементов/блоков и связей между ними. Эти логические блоки и связи могут быть запрограммированы на выполнение сложных операций, могут обращаться к внутренней памяти и даже встроенным микропроцессорам. Такая архитектура роднит чип FPGA с специализированной для решения конкретной задачи интегральной схемой ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Чипы ASIC программируются на производстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только данному устройству, для которого они предназначены, например, для управления мобильным телефоном. В отличие от ASIC, чипы FPGA производятся серийно без предустановленной программы, что существенно снижает их себестоимость и срок производства. У производителей оборудования нет риска остаться без комплектующих. Они сами без особых затрат программируют чипы FPGA для выполнения необходимых им задач, к тому же программы могут изменяться в процессе использования. Подобные особенности делают FPGA-чипы универсальным инструментом, а их применение экономически выгодным.


Естественно, спрос на FPGA у производителей различных электронных устройств растёт, но эти чипы особенно хорошо подходят именно для обработки аудиосигналов, потому как одни чип FPGA может выполнять те же функции, что и плата с набором DSP. Это достигается благодаря возможности сконфигурировать в FPGA множество сигнальных цепей и достичь необходимой плотности вычислений, существенно снизив время этих вычислений. Именно такая характеристика особенно важна при построении цифрового микшера. Программирование FPGA для выполнения и обеспечения процессов микширования, эквализации, динамической обработки сигналов и т.д. позволяет снизить время прохождения сигналом тракта от входа микшерной системы до её выхода (задержку) к абсолютному минимуму.

В случаях использования DSP часто встречаются задачи обработки и преобразования аудиосигналов, при которых требуется распределение вычислительных нагрузок между несколькими DSP. В таких ситуациях особого внимания к себе вызывают вопросы синхронизации DSP и возникновения джиттеров. Сложность подобных вопросов растет с увеличением количества DSP. В свою очередь, на одном чипе FPGA можно реализовать устройство, обеспечивающее полный тракт обработок и преобразований аудиосигналов с необходимой точность вычислений (с «плавающей точкой»). При этом у такого устройства только один входной канал сигнала синхронизации. Кроме того, в отличие от систем с математическими алгоритмами, использующими фиксированную точку, система вычислений с «плавающей точкой» более устойчива к возникновению погрешностей округления, что существенно снижает риск возникновения искажений в сигнале при его обработке.


Таким образом, технология FPGA обеспечивает производителям цифровых микшерных устройств существенную экономию, возможность сконфигурировать функционал FPGA-чипов оптимальным образом для решения задач многоканального микширования аудиосигналов, включая эквализацию, динамическую обработку сигналов для всех входных каналов и шин микширования. Всё это в итоге делает микшерные системы привлекательными для пользователей не только с точки зрения цены, но и с точки зрения качества звука, снижения латентности системы, увеличения общего потенциала системы и способности дальнейшего расширения её функционала в будущем. Ярким примером успешности применения технологии является микшерная система SD7 английского производителя DiGiCo, в которой отлично «сработались» FPGA-чипы и DSP Tiger Sharc®. Она способна обработать 256 каналов с частотой 96 кГц (128 каналов с частотой 192 кГц), имеет эквалайзер и многополосный компрессор в каждом канале, имеет 128 шин микширования, 32 32-х полосных эквалайзера, матрицу размерностью 32х32, до 48 встроенных эффекторных алгоритмов и возможность дополнительной установки платы расширения для подключения плагинов знаменитой компании Waves.


Но если технология FPGA имеет такие преимущества, почему большинство цифровых микшерных систем построено на основе классических DSP? Возможно, главная причина невысокого распространения FPGA в области аудиотехнологий связано с тем, что большинство компаний имеет инженеров с достаточно высоким уровнем навыков программирования чипов DSP и CPU, но сравнительно немногие имеют навыки программирования FPGA для обработки аудио. Учитывая этот фактор, для большинства компаний время от начала разработки продукта до выпуска на рынок может быть существенно сокращено, если в основе продукта лежит привычный, хорошо себя зарекомендовавший DSP-чип. Но подобная тенденция в принятии решений может быть в скором времени пересмотрена, т.к. компании- производители FPGA-чипов в настоящее время серьёзно заняты продвижением своих технологий в университетах и колледжах, предлагая даже систему поощрений для профессоров и студентов, изучающих и развивающих эти технологии. Компании же, которые в настоящее время применяют FPGA-технологии для создания аудио продуктов, такие как DiGiCo, делают это только благодаря тому, что разглядели потенциал этой технологии ещё много лет назад и приняли сознательное решение о получении этих знаний.



Алексей Макусов
ARIS