Ses sinyali işleme uzun zamandır açık telefon görüşmelerinin arkasındaki görünmez linchpin, immersive film müziği ve yüksek çözünürlüklü müziklerin kıvılcımı detayı. on yıllardır, bu işlem sabit bir dijital sinyal işlemcilerine (DSP) veya uygulama özel bir entegre devreler oluşturmak için geri alındı, otomatik olarak bir yazılım tasarımın nasıl yönetildiğini yeniden şekillendirdi, bilgisayar ekranlarının performansının ve FPGA'nın performansının nasıl yönetildiğini yeniden şekillendirilmesi için.
Audio Processing Hardware Evriminin Evrimi
FPGA'ların neden önemli olduğunu takdir etmek için, DSP'lerin formunda geldi - özellikle de biyoişman işlemleri için ayarlanan, sayısal ve sıfır devreleri ile mücadele edildi. DSP'ler üreticilerinin kompakt, enerji verimli ses sistemleri kurmalarına izin verdi ve hala sayısız Bluetooth konuşmacısı ve akıllı telefonlar için mikroişlemcilerle birlikte.
ASICs, sabit bir ses boru hattını silikona yakarak bir adım daha ileri gitti, yeni bir çip üretemez bir güç verimliliği ve birim yüksek hacimde maliyet.Bir zamanlar maske seti sonlandı, her mevsime adapte oldu, yeni bir kodlama algoritması ekledi veya bir silikon bug yeni bir çip - pahalıya mal oldu - yıl boyu ses ve ses ve ses gibi özellikler.
FPGAs boşluğu doldurur. Belirli bir ses görevine uygun yüzlerce paralel işlem hattından oluşur. FPGAs, bir programlama kumaşı olmadan donanıma bir şekilde bağlanır.Bu, FPGA'ları, yazılım ve determinist silikonun esnekliği arasında zorlayıcı bir mühendislik köprüsü oluşturur.
Neden FPGAs Excel Ses İşaret İşleme
Ses iş yükleri FPGA mimarlıklarıyla mükemmel bir şekilde uyum sağlayan birkaç özellike sahiptir.
[FONT:0]Deterministic düşük gecikmeli bir veri kümesini uygular; Bir CPU veya DSP'de, kesme işlemi, önbellekleme ve görev zamanlaması, öngörülemeyen jitter. An FPGA, örneklemler ile sabit bir deneyim ve bir hata ile ilgili profesyonel müzisyenler için dijital ses iş istasyonları veya oyuncular için, alt saniye işleme gecikmeli bir süre gecikme ve rock-solid işleme süresi ile fark eder.
[FONT:0]Masive paralellik.[[DDDDD)[DSP dilimleri içeriyor, her biri aktif gürültü iptali ile çoğaltabilir, bağımsız bir tek çip yüzlerce ses değişikliği yapabilir ve üç boyutlu ses formatlarına kadar -bireysel dönüşümler (FFT) ve dinamik aralıksız geçişler, tek bir FPGA'nın 32 kanallı bir ses sistemi etkin bir şekilde işlenmesine izin verir.
[[GÖRÜ:0)Power-peroperatif verimlilik.[DÜDÜT:1), belirli bir algoritma için yapılandırıldığında, bir FPGA'nın özel donanım yolunu, kodlu ve kayıt dosyası erişim mevcut genel amaçlı bir işlemcide mevcut.Fort kablosuz kulakbuds gibi cihazlar için, bu doğrudan daha uzun bir zaman içinde tercüme edebilir.
[FONT:0]In-field adaptasyonu[Dönetici:0] Bir Donanım platformu, en son Bluetooth LC3 kodc'i desteklemek için güncellenebilir, yeni bir kirişli bilgi algoritmasını veya bir üçüncü taraf immersive ses dönüştürücüyü sadece yeni bir bitek içeren bir bilgisayar güncelleştirmeye zorlamak için.
Bu avantajlar tüketici elektronik spektrumu genelinde şirketlerden dikkat çekti. A report byETHFLT:0)Allied Market Research)[DSPT)[Altera)[DSPT pazarının programlanabilir mantık çözümleri ile giderek daha fazla etkilendiğini belirtti.
Bir FPGA-Based Audio Boru Hattının Anatomisi
Bir FPGA'da bir ses sistemi tasarlamak basit C kodun ötesine geçer. Mühendisler genellikle Verilog veya VHDL veya yüksek seviyeli sentez (HLS) gibi donanım açıklama dillerini kullanır.C/C++ algoritmaları kayıt-dönüşüm seviyesine dönüştürür. Tipik bir FPGA ses zinciri birkaç aşama içerir.
[FONT=0]1. Dijital Ses Interface.[[Dönetici:0] [Dönetici:0], TDM, S/PDIF, veya USB Audio Sınıf protokolleri. Çünkü pin-out ve protokol mantığı, dış arayüz olmadan birden fazla giriş biçimini destekleyebilir.
[[Dönetici:0)2. Örnek Puan Dönüşümü[Dönetici:0)[Dönetici:0)2. Örnek Puan Dönüşümü[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:0))[tr|Döneticiler, FPGA içinde polifazegen filtre ve interpolasyon blokları kullanılarak yapılır, 44.1 kHz, 48 kHz, 96 kHz ve ötesinde.
[FONT:0]3. Filtreleme ve Eşitleştirme[DÜT:1] Parametrik eşitleyiciler, çoklu otoyol konuşmacıları için geçiş filtreleri ve EQs, cascaded biquad filtre bölümlerinden inşa edilmiştir. Her bölüm birkaç DSP dilim kullanır ve büyük bir FPGA merkezi bir işlemciye yük olmadan yüzlerce grup dağıtabilir.
[FONT:0]4. Dynamics Processing.[[Döneticiler, limitler, genişleyiciler ve kapılar zarf dedektörleri ile uygulanır ve örnek olarak çalışan blokları kazanır. Çünkü mantık adanmıştır, saldırı ve salıverilir, CPU yüklerinden etkilenebilir yazılım uygulamaları.
[FONT=0)5. Mix and Routing.[[Dönetici:0)[Dönetici:0)5. Mix and Routing.[[Dönetici:0)[Dönetici:0))))) Bir esnek bir çapraz bar matrisi herhangi bir çıkış kanalının herhangi bir çıkış noktasına yollanmış veya toplamış olmasına izin verir, tüm gerçek zamanlı olarak, otomotiv ses bölgelerinde veya konferans salonunda konuşmacı telefonlarda gereklidir.
[FONT:0)6. Gelişmiş Etkileri ve Spasalizasyon[Dönetici: 0 3) Tekrarsöz için Modüller (özellikle geri bildirim gecikme ağları), koro, flanger ve konvolution reverbs gerekli matris işlemleri yürütmek için paralel multiplikasyon gücünden yararlanıyor.
Bu boru hattının güzelliği, her aşamanın bağımsız olarak güncellenebileceği veya sistemin geri kalanını etkilemeden uzatıldığı, tüm yazılım yapılandırması veya FPGA'nın kısmi yeniden yapılandırılması yoluyla uzatılabilir olmasıdır.
Tüketici Elektronikinde Gerçek Dünya Uygulamaları
Kablosuz Kulaklar ve Kulaklıklar
Gerçek kablosuz stereo (TWS) kulakbuds vahşi kısıtlamalarla karşı karşıya: küçük bataryalar, sınırlı tahta alanı ve uyarlanmış gürültü iptali (ANC), şeffaflık modu ve seslendirme sistemleri, yeni bir FPGA kumaşı, aynı zamanda yüksek çözünürlükte bir şekilde yükseltilebilir bir şekilde, yüksek çözünürlükte veya ortaya çıkan yüksek çözünürlükte bir şekilde yeniden yapılandırılabilir.
Akıllı Konuşmacılar ve Sesbars
Akıllı bir konuşmacı aynı anda kullanıcı algılamasını, yankıyı, çok fazla ekranını ve ses oyunlarını geri yüklemeyi başarmalıdır. Bir FPGA, çoklu-mikrofon gibi akışları en yüksek düzeyden alabilir:0miniDSP uzun süredir sunulan ses işlemesini sağlar ve CPU'nun ses işlemesine göre ölçeklendirmesi gerekir.Bu, bulut iletişim ve doğal ayarlamalara paralel olarak, DIP'in son derece karmaşık hale getirir.
Otomotiv Ses Sistemleri
Modern araçlar, bir araba modeli için inşa edilen bir ASIC algoritmalarının, daha fazla mantık çekirdeğiyle ölçeklendirilmesi için bir orta sınıf FPGA'nın daha fazla standart araç için ölçeklendirmesi ile ölçeklenebilir hale getirilmesi için tasarlanmıştır.XA family or Intel's MAX® 10, belirli frekanslarda bir araba modeli için inşa edilebilir bir araç modeli için inşa edilebilirliği kontrol eden RNC algoritmaları çalıştırabilir, ancak bilgi ayarlı bir seslendirme işlemine eklenebilir.
YüksekBit Home Audio ve Kayıt Interfaces
Audiofili DACs ve profesyonel ses arabirimleri sessizce FPGA'ları özel dijital filtreler ve saat yönetimi için kabul etti. Örneğin, RME ve Antelope Audio, ultra-kır saat kurtarma, özel aşırı doldurma filtreleri uygulamak için FPGA'ları kullanıyor ve düşük ücretli karıştırıcı motorlar. -belirli filtrelerinizi tasarlamak için minimum bir Yavaş kayıt arabirimleri - donanım stabilitesini korumak için son dereceleri kullanın.
İşitme Aids ve Yardımcı Dinleme Cihazları
İşitme yardımı aşırı düşük güç, küçük boyut ve yüksek performanslı sinyal işlemeyi çok bantlı sıkıştırmayı, geri bildirim iptalini ve yön verici mikrofonları talep ediyor. Geleneksel işitme cihazı üreticileri yüksek çözünürlükte ancak esnek bir şekilde kullanmayı öğrenebilir. özellikle de düşük güç mikrokontrollü bir ağ hızlandırıcısı ile entegre edilmiş bir yaklaşım, tüm ekrandaki bir kullanıcı deneyimini gösterir.For example, a işitme yardımı belirli bir tür gürültüyü bastırmayı öğrenebilir (örneğin, özellikle de bir FPGA)
Oyun Başları ve Sanal Gerçeklik Ses
Gamers ve VR kullanıcıları, rekabetçi avantaj ve immersion için anlık görüntüler talep ediyor. Bir FPGA'da oyun başı GPU veya CPU'da, grafik oluşturma ile 10 m'ların geç saatlerinde karmaşık ses alamaları yaparak, karmaşık ses manzaralarının yüzlerce eş zamanlı seslendirmesi ile ilgili olarak, rakip mimari, premium baş-bağışmanlık fonksiyonlarının (HRTFs) vergilendirmeden standart bir bileşen haline gelecektir.
FPGAPowered Sound: Gürültüden Spasal Sese Uygarlık
Bugün tüketici cihazlarındaki en zorlu ses görevlerinin ikisi aktif gürültü iptali ve uzaysal ses gerektirir. Her ikisi de yoğun gerçek zamanlı hesaplama gerektirir ve her ikisi de FPGA ivmesinden muazzam ölçüde faydalanır.
[FONT:0)Aktif gürültü iptali (ANC).[DÜDÜT:1) Feed forward ve geri bildirim ANC sistemleri, kulaklı gürültü ile tam olarak fazdan gelen bir anti-noise sinyali oluşturmaya güveniyor. Toplam gecikme süresine, en geç 5 μs'nin altında, ANC bant genişliğine sahip bir radyo kanalına sahip, akustik kanallama, filtrelemeye ve üretime geçişe kadar, genellikle gecikmeye kadar olan üretime kadar.
360.D.D.Dönetici ses[Döneticileri) · 3,4 kanal ses çubuğuna kadar uzanan, uzaysal ses, karmaşık bir sahnede 128 nesne ile baş-parlak işlemleri içerir; - bu, basit bir mobil doğrulama ile iki 2048 görüntüyü takip etmek için iki 2048 görüntüyü gerektirir.
FPGA ve Machine Learning ile bütünleşme
Tüketici ses giderek makine öğrenimi tarafından yönlendirilir (ML) FPGA kumaşı, ses aktivite tespiti, anahtarlama, ses sahne sınıflandırması ve hatta müzik türü algılaması, bu modelleri bir CPU veya GPU üzerinde çalıştırın, güç alıcı ve yavaş olabilir. FPGA kumaşı, özel veri akış mimarisi ile sayısal ağların yerleştirildiği bir mikropülasyonun ve hatta en yüksek çözünürlükte bu modelleri çalıştırabilir.
AMD Vitis AI veya Intel OpenVINO Toolkit gibi tipik bir ses sınıflandırma modeli, miliwattları tüketen bir donanım hızlandırıcısı ve mikrosaniyeler içinde bir sınıflandırma sonucu sunabilir. Örneğin, bir işitme cihazı, aşınmanın sessiz bir odada olup olmadığını tespit eden bir sahne sınıfı uygulayabilir.
Başka bir yükselen kullanım durumu AI tabanlı konuşma geliştirmedir. Geleneksel ⁇ çekme veya gürültü azaltma için Wiener filtreleme genellikle eserler tanıtmaktadır. Deep- learning bazlı denoisers daha temiz bir konuşma yapabilir, ancak önemli bir hesaplama gerektirir. An FPGA, en az geç olmadan ses kenarlarında ses akışı ve akış sesi kayıt altına alabilir, yüksek gecikmeli ortamlarda bile doğal telefon aramalarına izin verebilir.
Meydanlar ve Pragmatik Ticaret-off
Tüm güçlü yönleri için, FPGAs evrensel bir ses panacea değildir. Mühendislik takımları birkaç pratik dikkate karşı karşıyadır.
[FONT=0)Development karmaşıklığı[Dönetici:0) Etkili HDL kodu veya mastering HLS araçları C. Debugging zamanlama kapanışları, saat domain geçişi yönetmek, deneyimli donanım mühendisleri gerektirir.Bu, FPGA satıcılardan gelen farklı bir yetenek seti talep eder ve engelleyicileri yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş
[[0)Malzeme maliyeti ve yönetim alanı.[DÜDÜT:1] Son derece yüksek hacimlerde - birkaç ASIC revizyonlarının maliyeti göz önüne alındığında, yazılım tanımlı donanımla ayırt etme yeteneği neredeyse her zaman daha ucuz olacaktır.
[FONT:0) Sürekli modlarda enerji tüketimi.[ °T:1] Bir FPGA, belirli bir iş yükü için çok verimli olsa da, boş zaman zaman zaman zaman zaman içinde bir ASIC'den daha yüksek olabilir. Bazı tasarımları, seslendirme ve güçlendirici bir şekilde çalışır. Modern FPGA'lar gelişmiş işlem düğümleri için 28 nm ve aşağıda) bunu uyku modları ve kısmi yeniden yapılandırma ile hafifletebilir, ancak batarya işleme cihazlarına hala dikkatli bir şekilde ihtiyaç duyar.
[FONT=0)Configuration zamanı.[[Dönetici:0]Yeni bir bitek milisaniyeye kadar, cihazın anında kişilikleri değiştirmesi durumunda sorunlu olabilir.Partal rekontasyon sadece bir mantık parçası olarak yeniden programlanabilir, başka bir bölüm güncellenirken devam etmek için aktif bir ses yolu sağlar.Bu teknik zaten bazı profesyonel ses karıştırıcıları uçlarında etkiler değiştirmek için kullanılabilir.
Programlanabilir Sesin Geleceği: Yumuşak Süreçler, eFPGAs ve Öteki
FPGA teknolojisi daha derin entegrasyon ve soyutlamaya doğru gidiyor. Birkaç trend, bir sonraki tüketici cihazlarının üretimini şekillendirecektir.
[FONT:0]Embedded FPGA (eFPGA) SoCs'te (eFPGA) FPGA çipleri yerine, sistem-kahrac satıcılar, direkt olarak çekirdekler, bellek kontrolörleri ve periferik bloklar ile birlikte küçük bir programlanabilir kumaşlar yerleştirirler.Bu nedenle donanım yeniden yapılandırılabilirliği sunarken, hızlı bir şekilde şarj edilebilirliği sağlar.
[FONT:0]Software-defined audio[Döneticileri değiştirmiş bir yazılım- tanımlanmış ses mimarisi kavramı, zincirdeki her bağlantının yeniden yapılandırılabilir olduğu, C++ ve Verinli Grafik İşleme Grafikleri derlemek için yüksek seviyeli çerçeveler elde edebilir, FPGA bitleri, yazılım tanımlı bir yazılım tasarımı tasarımcılarının, Faust gibi donanım kodu yazmadan iteratemasına izin verir.
[FONT:0)Açık kaynak ses FPGA projeleri.[DÜDÜSTRİYE] Açık kaynakçık ses işlemcisi “Kopigment” ve FPGA tabanlı yazılım tanımlı radyolar I2S, S/PDIF için dökülüyor ve etki modülleri prototiplemeyi hızlandırıyor ve FPGA yönetim kurulularını kullanarak küçük ses DSP'yi kullanıyor ve FPGA'yi yeni bir nesile teşvik ediyor.
[FONT:0]AI-güdümlü ses kişiselleştirme.[[Dönetici:0] CEVAP:0|Süresel ses boru hatları, bir kullanıcının işitme profili öğrenmek için, dinleme alışkanlıkları ve çevresel bağlamı yeniden tanımlamak için FPGA ses boru hatlarıyla bir araya gelecektir.
Bir Audio Project için Doğru FPGA'yı seçin
Mühendisler ve ürün yöneticileri FPGA tabanlı ses keşfeder, seçenekler kanal sayılabilir. Hassas bir seçim süreci ses iş yüküyle başlar: tasarım döngüsünde kaç FIR musluklar, FFT puanlar veya biquad bölümler kanal başına gereklidir, kanal sayma. Tools fromurFLT:0).Intel Quartus) ve AMD Vivado kaynak kullanımı tahmin edebilir.
Sonraki, analog arayüzleri düşünün. Bazı FPGA'lar ADC'leri ve DAC'leri ses bantlı ses için uygun hale getirir, ancak yüksek sadakat uygulamaları için dış dönüştürücüler I2S ile bağlantılı olarak genişletilebilir. Saat ve jitter yönetimi çok önemli; bir FPGA'nın PLL'leri ve saat şartları, sistem saatlerini temizleyebilir, ancak dikkatli PCB düzeni temel kalır.
Son olarak, destek ekosistemini değerlendirin. Ortak ses bina blokları için referans tasarımları - katoluşlar, USB Audio Class 2.0 uç noktaları, ANC hızlandırıcıları - gelişim süresini dramatik bir şekilde azaltmalıdır. Satışcı-provided IP, ticari IP, şirketlerden gelen IP, 0NX)P veya üçüncü taraf tasarım, ve ekibinizin yetenekleri ayarlayan HLS araçlarının kullanılabilirliği son bileşeni seçimine etki etmelidir.
Ahead of the Audio Curve
Ses kalitesi ve zeka için tüketiciler sürekli olarak yükseliyor, kayıp ve uzaysal parçaları sunan hizmetler tarafından yönlendiriliyor, video aramalarının çoğalması ve kişiselleştirilmiş ses için arzu.Bu taleplerin ağırlığı altında bir çift kulak kutusu olsun - ve onların programlanabilir kumaş türevleri - bir ürün bugün en iyi algoritmaları ile başlama ve akustik manzara değiştirme yeteneği olmadan yeniden tasarlamasını sağlayan pragmatik bir temel.
Dönüşüm yolunda, ancak FPGA-güçlü sesin en iyi ifadesi hala önde. gelişim araçları olgun ve eFPGA entegrasyonları standart hale gelir, yazılım ve donanım arasında ses işleme hattı daha da bulanık olacaktır, ürün tasarımcıları sadece anı ile tanışmayan bir palet verir.