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 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 .
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.
Обращаем ваше внимание на то, что данный сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса РФ.
.
Подписка на новости
Звуковое оборудование
