Gamechanger Audio
Audio vom Feinsten mit digitaler Signalverarbeitung
Das Unternehmen »Gamechanger Audio« wollte einen echtzeitfähigen Pitchbending-Algorithmus entwickeln, der so realistisch ist, dass sich Gitarristen ganz auf ihre Musik konzentrieren können. Keine einfache Aufgabe.
Denn um einen so rechenintensiven Algorithmus umzusetzen, braucht es eine sehr leistungsstarke digitale Signalverarbeitung mit schnellem Speicherzugriff, damit der Klang ohne Verzögerungen und Störungen wiedergegeben wird.
Dieser Artikel beschreibt die technischen Anforderungen, die Umsetzung und die Herausforderungen beim Design des Bigsby-Pedals. Er erklärt außerdem, wie die ADSP-21569 SHARC+-Audio-Prozessoren von Analog Devices dabei helfen, diese Anforderungen zu erfüllen.
Das Bigsby-Tremolo im modernen Gitarren-Setup
Gamechanger Audio entwickelt Audioeffekteinheiten und Musikinstrumente mit einem besonderen Fokus auf innovative Technologien, die neue musikalische Möglichkeiten schaffen. Die Produkte des Unternehmens sind darauf ausgelegt, Musikern neue Klangwelten zu eröffnen und neue Interaktionen mit ihren Instrumenten zu ermöglichen.
Gamechanger Audio genießt einen ausgezeichneten Ruf als Innovator in der Branche und hat sich Namen durch Kooperationen mit bekannten Herstellern wie »Erica Synths«, Musikern wie Jack White und der legendären Firma Fender (Bigsby) gemacht.
Das Bigsby-Pedal (Bild 1) ist eine polyphone Pitch-Shifting-Einheit (zur Tonhöhenänderung), die den klassischen Klang und das Spielgefühl des Bigsby-Tremolo-Systems nachahmt. Dieses Tremolo wurde 1951 von Paul Bigsby entwickelt und war der erste mechanische Mechanismus (federbelasteter, handbetätigter Hebel), mit dem Gitarristen die Saitenspannung ihres Instruments manuell verändern konnten. Das führte zu ganz neuen Spieltechniken für E-Gitarren. Seitdem wurden verschiedene mechanische Vibrato-Systeme für E-Gitarren entwickelt, wie etwa die »Whammy Bar« der Stratocaster (von Musikern wie Jimi Hendrix und Jeff Beck verwendet) oder das »Floyd Rose«-System von Eddie Van Halen.
Der Algorithmus des Bigsby-Pedals sorgt dafür, dass realistische Klänge in Echtzeit erzeugt werden können. Das Pedal lässt sich nicht nur mit E-Gitarren, sondern auch mit Bassgitarren, akustischen Instrumenten wie Banjos, Mandolinen oder Violinen sowie mit Gesang, Blasinstrumenten und Synthesizern verwenden.
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Kreativität ohne technische Hürden
Obwohl mechanische Vibrato-Systeme ein wesentlicher Teil des E-Gitarrenklangs sind, haben sie oft Nachteile. Sie können das Sustain (Aufrechterhalten des Klangs) verringern, die Stimmstabilität beeinträchtigen und das Risiko erhöhen, dass eine Saite während des Spiels reißt.
Ziel des Bigsby-Pedals ist es, diese Probleme durch eine digitale Lösung zu beheben. Es soll alle klassischen Vibrato- und Stringbending-Effekte bieten, ohne dass es zu Problemen oder technischen Ausfällen kommt.
Damit das gelingt, wurde ein extrem präziser Echtzeit-Pitchbending-Algorithmus entwickelt, der es Gitarristen ermöglicht, sich ganz auf das Spielen zu konzentrieren, ohne den natürlichen Klang und das Spielgefühl zu verlieren. Da der Algorithmus sehr rechenintensiv ist, sind leistungsstarke Prozessoren und ein schneller Speicherzugriff nötig, um den Klang in hoher Qualität und mit minimaler Verzögerung wiederzugeben.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, ist der digitale Signalprozessor (DSP) »ADSP-21569 SHARC+« von Analog Devices (ADI) aufgrund seiner Architektur, seiner leistungsstarken Gleitkommaeinheit, seiner audiozentrierten Peripherieeinheiten und seines großen On-Chip-SRAMs, der externen Speicher überflüssig macht, eine ideale Lösung für diese Aufgabe. Außerdem bietet er hochmoderne dedizierte Hardware-Funktionen und Security-Merkmale, die immer wichtiger werden.
Die »ADSP-215xx«-DSP-Familie basiert auf einem SHARC+-Core mit 1 GHz
Die DSPs der »ADSP-21569 SHARC+«-Serie (ADSP-21562/ADSP-21563/ADSP-21565/ADSP-21566/ADSP-21567/ADSP-21569) wurden entwickelt, um herausragende Audio- und Klangerlebnisse in Automobil- und Consumer/Pro-Audio-Anwendungen zu ermöglichen. Die ADSP-215xx-Prozessorfamilie basiert auf dem SHARC+-SIMD-Core (Single-Instruction-Multiple-Data), der mit einer Taktfrequenz von bis zu 1 GHz arbeitet. Der 32-Bit/40-Bit/64-Bit-Gleitkommaprozessor ist mit großem On-Chip-SRAM, mehreren internen Bussen, die Engpässe bei der Ein-/Ausgabe (E/A) beseitigen, einem funktionsreichen Satz an Audio-Peripherieeinheiten und einer Vielzahl von Steuerungs- und Konnektivitätsoptionen für leistungsstarke Audio-/Gleitkommaanwendungen optimiert, wie im Blockdiagramm in Abbildung 3 dargestellt.
Maximierung der Systemleistung durch Hardware-Funktionen
Um das Gefühl und den Klang eines analogen Tremolo-Systems beizubehalten, dürfen keine digitalen Artefakte oder synthetisch klingende Töne auftreten, Latenzzeiten sind natürlich auch verboten. Das Zielt ist ein echtzeitfähiges polyphones Pitch-Shifting mit exzellenter Klangerhaltung und nahtlosen Übergängen zwischen Pitch-Shift-Koeffizienten, um die Charakteristika früher Vibrato-Systeme zu emulieren.
Die SHARC+ DSP-Architektur ermöglicht es dem Nutzer, komplexe Berechnungen durchzuführen, die für ein echtzeitfähiges polyphones Pitch-Shifting erforderlich sind. Die Core-Frequenz von 1 GHz und die 640 KB On-Chip-Level-1 (L1) und 1024 KB On-Chip-Level-2 (L2) SRAM gewährleisten eine hohe Rechenleistung und einen extrem effizienten Datenzugriff.
Die optimierten FIR- (Finite-Impulse-Response) und IIR- (Infinite-Impulse-Response) Hardware-Beschleuniger auf den ADSP-2156x-Prozessoren sind mit einer dedizierten Busstruktur mit dem SHARC+-Kern gekoppelt und laufen mit Core-Geschwindigkeit. Dank dieser engen Integration können die FIR-/IIR-Beschleuniger-Ports direkt auf den L1-Speicher des Prozessors zugreifen, so dass die Latenzzeit verringert wird, da diese Zugriffe nicht über die Busarchitektur des Hauptsystems laufen. Die eingebauten Circular-Buffer für FFTs (schnelle Fourier-Transformationen) des SHARC+-Kerns sind extrem schnell und effizient und ermöglichen dem Benutzer Analysen mit einer Vielzahl von Auflösungen bei minimalen Latenzzeiten.
Volle Audio-Konnektivität + Security
Der ADSP-2156x DSP verfügt außerdem über eine fortschrittliche, digitale Audioschnittstelle, die acht serielle Ports (SPORT) mit Unterstützung für TDM (Time-Division Multiplexing, Zeitmultiplexverfahren) und I2S (Inter-IC-Sound) sowie MIDI-Kommunikation (MIDI: Musical Instrument Digital Interface) umfasst, wodurch das Pedal über eine digitale Audio-Workbench (DAW) oder über eine Vielzahl von Standard-MIDI-Controllern vollständig steuerbar und programmierbar ist (Abbildung 4).
Darüber hinaus unterstützt dieser audiozentrische Prozessor zwei digitale Schnittstellen von Sony/Philips (S/PDIF), acht asynchrone Stereo Sample Rate Converter (ASRC), vier Präzisionstaktgeneratoren (PCGs) und 24 Audiopuffer, die alle zusammen hocheffiziente Audiokommunikationsverbindungen ermöglichen.
Außerdem ist die ADSP-2156x-Serie mit einer Kryptografie-Engine ausgestattet, die standardbasierte hardwarebeschleunigte Verschlüsselung, Entschlüsselung, Authentifizierung, echte Zufallszahlengenerierung und sicheres Booten zum Schutz geistigen Eigentums (IP) unterstützt. Die IP-Sicherheit wird auf dem heutigen Consumer- und Pro-Audio-Markt immer wichtiger, und ADI ermöglicht Gamechanger Audio den Schutz seiner einzigartigen und innovativen algorithmischen Lösung.
Flexible Funktionen und intuitives User Interface
Das Bigsby Pedal wird wie ein Fußpedal verwendet und ist damit einzigartig. Indem das Vibrato vom Gitarrenkorpus entfernt und auf den Boden gelegt wird (Abbildung 5), haben Gitarristen beide Hände frei, um komplizierte Rhythmen und Solos zu spielen, während sie das Pitchbending mit dem Fuß ausführen. So entsteht ein neuartiges Performance-Tool, das es Gitarristen und Multiinstrumentalisten ermöglicht, neue Spieltechniken zu erfinden und musikalische Arrangements zu schaffen, die mit einem mechanischen Vibrato oder einem einfachen Pitch-Shift-Effektgerät nicht möglich wären.
Dank des leistungsstarken SHARC+-Kerns kann das Bigsby-Pedal realistische Tonhöhenverschiebungen in Echtzeit über zwei Oktaven hinweg erzeugen, die mit Tiefenreglern einstellbar sind. Die Klangparameter des Pitch-Shifted-Signals können ebenfalls eingestellt werden - insbesondere der Detune-Parameter ist eine akribisch genaue Nachbildung der »out-of-tune«-Effekte, die für frühe Vibrato-Systeme charakteristisch waren. Mit dem Rate-Regler kann der Benutzer den Pitch-Bending-Algorithmus des Bigsby-Pedals automatisieren, um Vibrato- und Chorus-Effekte in verschiedenen Geschwindigkeiten zu erzeugen. All dies wäre ohne die Fließkommafähigkeiten des SHARC+-Kerns, seine geringe Latenzzeit und den großen On-Chip-Speicher nicht möglich.
Fazit
Als Gamechanger Audio das Bigsby-Pedal vorstellte, fragten sich viele Gitarristen: »Warum hat das niemand früher erfunden?«. Die Antwort ist einfach: Ohne einen hochentwickelten Pitch-Shifting-Algorithmus, der perfekte Ergebnisse liefert, wäre das Produkt nicht möglich gewesen. Dank der leistungsstarken Prozessoren der SHARC+ Serie konnte dieses innovative Pedal entwickelt werden, das neue kreative Möglichkeiten für Musiker eröffnet.
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