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首创双核四线程多任务效果处理系统在KTV数字卡拉OK前级上的应用实现

更新时间:2014-06-10点击次数:897次字号:T|T



【摘要】
随着数字技术的飞速发展,其在专业音响领域的应用也日趋广泛、成熟。
    专业音响处理系统从发展之初的模拟化处理到现代的数字化经历的时间也十分短暂。现阶段,由于各方面技术的进步,专业扩声系统对声音质量的要求越来越高。这就要求选择一个功能齐全、性能稳定、技术先进、稳定适用的数字处理平台应对纷繁复杂的算法要求。

    三基音响企业早在1999年就开始探索专用于卡拉OK系统中,用于提升音乐、歌唱声音表现质量的数字化前级效果器。
    从2001年首台四通道卡拉OK前级效果器到之后的多通道全数字卡拉OK前级是一个历史演变的过程。其中它仅仅是在数位转换、运算速度、存储空间及效果处理上不断扩展。其核心DSP芯片也从最早期的单片DSP向多片DSP发展,其混响效果当然也日益改善、功能也在不断的扩展。它是用户日益旺盛的应用需求的产物。
而现在市场上所需求的卡拉Ok前级处理器要求融入更多的处理元素,一般并行的概念已很难满足这种要求,从实际应用和用户反馈情况看来,现在较为流行的多片DSP芯片并行处的技术曝露出了许多弊端。诸如:数据冗滞、交互延迟、总线瓶塞、稳定性差等问题。
从理论上来讲,有些问题已经成为了这种技术解决方案不可逾越的瓶颈。多片DSP并行处理技术还尚处于非成熟阶段。
为此,三基企业另僻奚径,参考ADM的双核共总线理论,在数字卡拉OK前级处理技术进行探索。经过为期近一年的试验与测试,实时推出了基于双核多线程矢量处理平台的多通道全数字卡拉OK前级处理器DCM-28E。
本文将从原理上分析介绍该数字处理平台,并扼要介绍其工程应用中的功能需求。在此,感谢南京大学的数技术老师们对该产品的研发提供技术指导。

    纵观卡拉OK前级类设备,其诞生也就十年的历史。此类设备是因情势发展需求而诞生的。究其诞生发展史,有据可查:国内第一台多通道卡拉OK前级KMIX-1于2000年研发出来,在2001年才真正在市场上卖开。
    那时的卡拉OK前级主要是模拟处理的多,KMIX-1也不例外:她仅仅在效果处理部分引入了DSP应用。其它的都是模拟线路。功能也不是很多,不过相对来说在2001年已经是轰动一时的产品了。
    后来出现的KMIX-3/KMIX-330就是全数字处理的设备了,虽然是单核,其音频处理能力和各种功能还是有很大的发展。现推出的DCM-28E在原有设备基础上,继承了一些传统的音色和功能,同时采用双核处理机制,多线程协同处理,在音频的空间处理上采用矢量演算法则,使后处理的声音更接近实际自然的声音,当然如果你需要,也可以灵活地配置为你所想听到的声音。
    DCM-28E这款卡拉OK前级集成了专业音响产品多种周边器材的功能:前级放大器(话放)+效果器(美化歌唱人声效果)+动态处理器(噪声门、限幅器、自动增益控制器等)+分频器+参量均衡器(整机设备包含了各个通道音频元素的调整点)+反馈抑制器+混音器(3组立体声输出+超低音+中置声道输出的输入音源元素可灵活配置比例),如此众多功能,自然对设备的心脏双核芯片提出了严峻的要求。DCM-28E首次采用双核多线程处理方式,对进入设备的多路信号同时进行编码、后处理,再解码。
本文一再提到的双核多线程多任务音频处理技术到底是什么呢?它跟传统的DSP处理技术有什么区别呢?这恐怕是很多读者都想要问的问题。
前面有介绍到,本系统的平台技术是参考了ADM的双核共线理论。也就是说从原理上来讲跟ADM的双核共线CPU的原理是相似的,唯一不同的是,ADM的双核CPU肩负了图文、影像等更为庞大的数据流处任务,而本机的核心处理平台却只是进行音频数据流处理。
    对计算机硬件技术熟悉的朋友都知道,ADM的双核共线CPU是业界定义为真正意义的双核处理平台。它的两个核心可以分别同时处理不同的任务指令,且各自都具有超线程的能力,因此,单个核心经过超线程后就可以分别实现双线程,从而使该双核芯片具有四线程多任务处理能力。
    DCM-28E的双核、多线程、多任务音频处理系统同样是基于该理论,联合台湾著名的芯片公司共同开发,特别在内核间进行拓朴信道处理,从而使之达成以网状拓朴结构进行指令执行与数据交互的运行模式。与传统的单片、多片DSP处理理论完全不同。此设备引入双核的最大目的是提升系统的处理速度,增加系统稳定性,从而避免大数据流堵塞引起系统假死、重启等。强大的处理引擎是高速数字音频信号处理的首要条件。下面就从实际功能需求抽出几点分析双核多线程处理平台的应用特点。
          
    均衡器:为了改善系统传输频率响应特性而设置的数个参量均衡点,分布在话筒、音乐通道,房间均衡、中置和超低音输出均衡。为避免音质损失,这些均衡器都要求双精度演算。再者考虑到成本、功耗等因素,选取了72位定点DSP和32位浮点DSP相结合配置方式,互为补充,协同进行音频处理。
智能动态处理器: 考虑到实际KTV场所音源状况,在双核里面同时开出专门用于噪声门、自动增益控制及限幅器的一条处理算法路径。充分发挥双核多线程特点,将应用需求在此平台上轻松实现。
    反馈抑制器:由于扩声场所声场的传输特性不均匀,有些频率会反射过强,当系统传输增益设置过高时,容易造成正反馈产生刺耳的啸叫声。在双核处理平台上,通过内部的自动检测及    
啸叫抑制机制,能有效提升系统传输增益,改善啸叫状况。
    效果处理器:运用浮点DSP的快速运算功能,将用于专业演唱的 REVERB(混响)算法移植到此平台上,加上经典传统的 ECHO(回声)效果,构成了卡拉OK歌唱最基本也是最实用的效果。
    以上仅举一部分功能作扼要说明,本文重点就此设备的均衡作详细分析,其它功能特点也基本遵照此资源需求模式可循。   
    从下图可以看出,DCM-28E可调参量均衡点的分布状况,在每个重要的信号通路上都有至少2个灵活的EQ点,甚至多达7段的房间均衡。这些参量均衡器可设置如下类型:Peaking(峰值滤波器)/Notch(陷波器)/Hi-Shelf(高频斜坡滤波器)/Lo-Shelf(低频斜坡滤波器),每个滤波器的频率可从20Hz~20kHz调整,精度可达1/12倍频程,每个滤波器的Q值也可灵活设置,还有增益控制范围为-12dB~+12dB。
    基于现行的豪华KTV包间的精装修、大空间、功能丰富、布局怪异。这种环境的建声条件都不是十分理想,频响、声干涉、声场均匀度等都是问题。
因此,要求前级设备可以具备多分区、多级的调试功能,其可调的均点就要求比较多。而高精度均衡算法的运算对信号处理器资源要求势必要求很高。而现有的单核音频DSP芯片已很难满足这种要求,再加上效果、反馈抑制等算法对资源的要求,让传统的单DSP芯片和双DSP遇到瓶颈。
DCM-28E正是考虑到了这些问题,才在数据处理能力、系统资源分配等问题上着手从而引入双核多线程的数据处理模式。数字技术的发展带来专业音频领域新的挑战和应用,三基企业为满足客户的不断发展之需求,正在建立健全几种标准化数字信号处理平台。对音频信号的处理不再局限于并行或是多核超线程矢量运算等理论,三基的工程师们正在日以继夜色的在数字音频处理技术领域尝试着新的理念,与计算机硬件发展领域共资源将是三基数位研究技术的新方向,新的课题。
    作为前卡拉OK前级效果发明者的三基企业正在努力,努力实现在这个领域的继续领跑,只有这样才能在未来的发展之中做到平台的先进性和扩展性,才能不断实现产品的软升级,以最大程度为终端客户服务。