具备先进音频数字信号处理技术的Gamechanger Audio Bigsby音高转换踏板

摘要

Gamechanger Audio挑战自我，研发出一种独特的实时音高变换算法，音高转换非常真实，可让吉他手全身心投入到创造最佳音乐体验中。实现这样一种对计算要求极高的算法，需要具备实时数字信号处理能力和能够快速存取的存储器，以此确保低延迟和可预测的性能表现。

本文详细阐述了Bigsby® Pedal的系统要求、实施细节和设计挑战，并探讨了ADI公司的ADSP-21569 SHARC+®音频处理器如何凭借全面的功能特性来满足相关需求。

将Bigsby Tremolo引入现代电吉他配置中

Gamechanger Audio公司生产音频效果器和乐器，特别专注于研发新颖独特的技术解决方案，以推动音乐创作向前发展。突破性的产品设计旨在为音乐家带来全新的声音体验，开辟与乐器互动的新途径。

作为行业中备受尊敬的创新企业，Gamechanger Audio与多方积合作，比如知名模块化合成器制造商“Erica Synths”、著名音乐家Jack White、传奇的Fender乐器公司(Bigsby)等，赢得了广泛认可。

Bigsby Pedal（图1）是一款用于乐器的复音音高转换效果器，旨在重现Bigsby Tremolo系统的手感和经典音色。Bigsby Tremolo由工程师Paul Bigsby于1951年设计，它是首款机械式弯弦装置（一个带有弹簧的手动操纵杆），吉他手可以借助它轻柔地增减乐器琴弦的张力，从而开创了电吉他全新的演奏技巧类别。

从那以后，各种各样的机械式颤音系统被应用在电吉他上，其中包括Stratocaster的“颤音摇把”（Jimi Hendrix和Jeff Beck等音乐家都使用)、Eddie Van Halen的“Floyd Rose”系统，以及许多其他基本的弯弦装置。

Bigsby Pedal的实时音高变换算法能够通过多种声源产生逼真的音效。它不仅可以搭配电贝斯使用，也适用于班卓琴、曼陀林和小提琴等原声乐器，还能与人声、合成器、管乐器等配合使用。

图1.Gamechanger Audio Bigsby Pedal。

突破物理限制，激发无限创意

尽管机械式颤音系统是电吉他音色的关键组成部分，但它可能是一种较为麻烦的装置。在演奏过程中，它会降低吉他的延音效果，影响吉他的音准稳定性，还会增加琴弦断裂的风险。

因此，我们的目标是开发一种数字解决方案，能够提供各种类型的经典弯弦和颤音音效，同时不会出现任何音准问题或机械故障。

为了实现这一目标，需要采用一种极其精确的实时音高变换算法，这样吉他手就可以全身心地投入到演奏中，同时又不会失去乐器的音色特点和演奏的动态效果。这样一种对数学运算要求极高的算法，需要极其强大的算力和快速的存储器存取速度，以便在尽可能低的延迟下产生高质量的音效和演奏手感。

如图2所示，ADI公司的ADSP-21569SHARC+数字信号处理器(DSP)是一个理想的解决方案，具有合适的架构、高性能的浮点运算核心、以音频为中心的外设套件，以及大容量的片上静态随机存取存储器(SRAM)，免去了对外部存储器的依赖。此外，它还具备先进的专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旨在为汽车及消费类/专业音频应用领域提供身临其境的音频和音效体验。ADSP-215xx系列处理器基于SHARC+单指令多数据(SIMD)核心，运行时钟频率高达1 GHz。

这款32位/40位/64位浮点处理器针对高性能音频/浮点应用进行了优化，具有大容量片上SRAM，可消除输入/输出(I/O)瓶颈多条内部总线，功能丰富的音频外设套件，以及多种多样的控制和连接选项，具体如图3的框图所示。

通过硬件功能实现系统性能最大化

为了保留模拟颤音系统的手感和音色，不能有数字噪声干扰或合成音色，并且延迟要尽可能小。最终目标是能够进行实时复音音高转换，出色地保留音色，并且在音高转换系数之间实现无缝过渡，以模仿早期颤音系统的特性。当琴弦张力释放时，不同粗细的琴弦的音高下降幅度会有所不同，导致和弦听起来有点走调。

SHARC+ DSP架构使用户能够执行实时复音音高转换所需的复杂计算。1 GHz核心频率及640 kB片上1级(L1)和1024 kB片上2级(L2)SRAM，确保了强大的算力和极高的数据存取效率。ADSP-2156x系列处理器上经过优化的有限脉冲响应(FIR)和无限脉冲响应(IIR)硬件加速器，借助专用结构与SHARC+核心紧密耦合，并以内核速度运行。这种紧密的集成方式使得FIR/IIR加速器端口能够直接存取处理器的一级(L1)存储器，无需经过主系统架构，从而减少延迟。SHARC+核心中用于快速傅立叶变换(FFT)功能的内置循环缓冲区速度极快且效率极高，使用户能够进行多分辨率分析，并将延迟降至最低。

图2.ADSP-2156x SHARC+ DSP系列。

图3.ADSP-21569全功能模式处理器方框图。

全方位的音频连接性和安全性

ADSP-2156x DSP还具备先进且创新的数字音频接口，包括8个串行端口(SPORT)，支持TMD总线和I2S总线，以及乐器数字接口(MIDI®)通信功能。，因而，这款踏板可通过数字音频工作台(DAW)或各种标准MIDI控制器实现完全可控制和可编程（图4）。

图4.Bigsby Pedal音频接口

此外，这款以音频为中心的处理器还支持两个索尼/飞利浦数字接口(S/PDIF)、八对异步采样率转换器(ASRC)、四个精密时钟发生器(PCG)以及24个音频缓冲区。所有这些元件结合在一起，实现了高效的音频通信链路。

此外，ADSP-2156x系列配备了一个加密引擎，支持基于标准的硬件加速加密、解密、身份验证、真随机数生成以及用于知识产权(IP)保护的安全启动功能。在当今的消费级和专业音频市场中，知识产权保护日益受到关注，在ADI的帮助下，Gamechanger Audio能够有效保护其独特且创新的算法解决方案。

灵活的特性与直观的用户界面

Bigsby Pedal的脚踏板形式是对经典揉弦技巧的一种独特创新。通过将弹簧加载装置从吉他琴身移除并放置在地面上（见图5），演奏者的双手可以自由地持续弹奏出富有节奏的复杂和弦及精妙的独奏连复段，而所有的音高弯音则由一个脚踏控制器来完成。这创造了一种全新的演奏方式，让吉他手和精通多种乐器的乐手能够发明新的演奏技巧，并创作出在机械式颤音系统或基本的音高转换效果器下无法实现的音乐编排。

借助高性能的SHARC +核心，Bigsby Pedal能够在两个八度的音域内实时产生逼真的音高变化，并且可以通过深度旋钮进行调节。音高转换信号的音色和失谐参数同样可以进行调整，尤其是失谐参数，它极其精确地重现了早期颤音系统所特有的“走调”效果。速率旋钮使用户能够自动控制Bigsby Pedal的音高变换算法，从而产生不同速度的颤音和合唱效果。而这一切都离不开SHARC+核心的浮点运算能力、低延迟特性和大容量片上存储器。

图5.Bigsby Pedal最终产品。

Bigsby Pedal——最终产品

当Gamechanger Audio首次向吉他界推出Bigsby Pedal时，最常听到的评论之一是：这堪称神来之笔，却又显得理所当然。如此绝妙的构思，为何多年来无人问津？

简单来说，如果音高转换算法不能产生出色的效果，那么Bigsby Pedal根本无从谈起。任何数字瑕疵，或过于合成化的音色，都会让这款产品失去存在价值。最终的算法极为复杂，对算力的要求堪称苛刻。正是得益于ADI公司的SHARC+系列高端可扩展音频DSP及其专为实时音频信号处理优化的架构，Gamechanger Audio这样的制造商才能突破桎梏，把大胆创新的想法变为现实，成功推出Bigsby Pedal这样的产品。

参考文献

Bigsby Pedal，Gamechanger Audio，2024年。

Fender Musical Instruments Corporation，2024年。

ADSP-2156x SHARC产品系列，ADI公司，2024年。