20多年来，Trinnov Audio一直采用基于软件的音频解码和处理方案，而非德州仪器或ADI公司设计的现成芯片。这种独特的架构选择，使Trinnov成为业内唯一突破传统DSP芯片限制的品牌。

 

这种方法与使用专用DSP芯片相比如何？是否具有良好的价值？

 

使用运行高度优化的Linux版本、功能强大的PC，而不是使用少量DSP芯片，成本要高得多，无论是硬件还是软件开发成本。本文探讨了这种方法及其价值。

 

 

 

架构选择：CPU与DSP

 

任何处理器的原始计算能力都以每秒千兆浮点运算（GFLOP）来衡量（1 GFLOP等于每秒十亿次浮点运算）。浮点运算用于复杂运算所需的精确数学计算。

 

在我们研究Trinnov如何使用这种原始能力之前，我们将探讨基于芯片和基于CPU的处理能力之间的显著差异。大多数AV处理器使用少于3 GFLOP的DSP芯片，而最强大的DSP芯片可以达到近20 GFLOP。

 

相比之下，Altitude32中当前使用的CPU提供240 GFLOP（使用英特尔的turbo boost睿频加速技术可提供多达422 GFLOP）。Altitude16的声道数较少，但仍保留了约211 GFLOP（使用turbo boost时为275 GFLOP）。为了进行比较，我们将在这里使用较低的数字（这仍然是最强大竞争系统计算能力的10倍以上）。

 

 

任何环绕声处理器都必须实时执行大量复杂数学运算。尽管原始计算能力至关重要，但 GFLOP并不能说明全部情况。

 

只有当处理器不等待数据和程序指令执行时，才能使用处理能力。不幸的是，外部存储器太慢，无法由处理器直接获取，无论是CPU还是DSP芯片。

 

这个问题可以通过直接在处理器芯片上使用内部或“缓存”内存来解决。这个高速存储层暂时保存经常访问的数据和指令。缓存内存在实时音频处理中至关重要，可确保信号处理顺畅无阻。如果内部内存不足，处理器将浪费许多处理周期来等待从外部内存中获取丢失的数据。等待关键信息会浪费系统的可用处理能力。

 

例如，高分辨率FIR滤波器占用大量内存。然而，它们也是用于校正音频中频率响应和时间误差的独特、强大工具，对于有效的房间校正至关重要。我们将在下一节中介绍此类滤波器的可听结果。不过，您可以在下图中看到，Altitude先进CPU的可用缓存内存甚至比最强大的DSP芯片中的任何东西都多。

 

 

最后，在一个地方完成所有必需的处理具有显著的优势。Altitude的单处理器架构在所有内部处理核心之间共享内部内存，因此每块数据都可以立即供所有核心使用，从而消除了任何延迟和处理的开销。

 

相比之下，许多环绕声处理器必须使用两个或四个芯片阵列中的多个DSP芯片。虽然这比将所有功能集中在一个CPU上要便宜得多，但它带来了几个重大的限制。正如您可能想象的那样，执行不同任务的芯片之间的互连非常复杂，并会在芯片之间引入重大的同步问题。这反过来又经常造成延迟和处理开销，从而影响阵列的实时处理性能。

 

此外，编写和优化并行处理系统的软件更加复杂。将高级音频算法分解为在单独处理器上运行的独立部分并非易事。

 

由于所有这些原因，在大多数实际应用中，具有相同理论处理能力的单个处理器的性能优于处理器阵列。

 

音频性能及应用

 

理想情况下，高性能处理器必须同时支持高分辨率音频（本地处理96k甚至192k的信号）、高声道数渲染和上混（最多34个独立声道）以及高级房间校正，包括主动声学。

 

同时满足所有这些要求需要极高的处理能力。使用基于CPU的架构而非最先进的DSP引擎可以减少妥协。

 

基于芯片的DSP设计中，将受到下文提及的各类限制/妥协。

 

空间分辨率受限：限制了渲染的沉浸式声道数量。

 

FIR滤波器精度不足：将FIR滤波器长度限制为512或3000 taps（这又将FIR频率分辨率分别限制为 94 Hz或16Hz）会导致低频分辨率不足。相比之下，Altitude在处理所有声道时以48kHz运行多达32768个taps的声学优化滤波器。这提供了11倍的频率分辨率（1.46Hz），并允许在11倍长的声学路径上进行时域控制（680毫秒而不是62毫秒）。

 

高解析音频降频处理：放弃以原生96kHz或192kHz处理高分辨率音频。所有可用的、基于DSP的平台都被迫将任何传入音频的采样率降低到48kHz，从而减少了可用带宽（这消除了发烧友珍视的高分辨率音频文件的好处）。只有Altitude处理器拥有实现原生高分辨率音频处理所需的资源，其FIR滤波器在192kHz下最多有131,072个taps。

 

单精度32bit浮点运算芯片的局限：满足于单精度32bit浮点运算，而不是提供保证无伪影音频处理所需的、毫不妥协的64bit浮点运算。双精度处理需要双倍的处理能力。

 

扬声器校正覆盖不全：部分扬声器被排除在数字房间校正范围之外。

 

虽然单独使用这些节省处理能力的技巧，对听觉的影响很小，但是将它们结合起来使用时，对整体体验的影响就会很大。只有Altitude处理器拥有足够的处理资源，来避免所有这些妥协并确保信号路径充分优化。

 

未来的处理空间

 

由于当今技术需要如此多的处理技巧，基于芯片的DSP设计几乎没有空间容纳新技术。毕竟，这些新技术可能需要更强的处理能力，就像过去几十年来一直做的那样。

 

Altitude平台及其基于CPU架构的优势显而易见：它避免了这些节省内存/GFLOP的技巧（以及相关的妥协）。它保留了大量的处理空间来处理未来更苛刻的处理算法。

这使得Altitude处理器成为长期、可持续、高性能安装的明智选择。举个具体的例子：即使是2014年制造的第一批Altitude32处理器，也有足够的处理空间来运行Trinnov的 WaveForming技术，尽管该技术是在它们设计和制造很久之后开发的。这些已有10年历史的处理器，处理能力仍然是当今最佳芯片设计的5倍。

 

这种卓越的可持续性，在环绕声处理器领域是前所未闻的。非Trinnov处理器实际上是多声道系统中的“消耗品”，因为它们必须每隔几年更换一次，才能跟上技术的发展和创新。

 

得益于Altitude平台无与伦比的强大功能和独特架构，大多数新技术都是通过简单软件更新而不是产品更换来实现的。

 

CEDIA在其享有盛誉的“名人堂奖/Hall of Fame Award”中认可了Altitude平台的持久性和长期价值，并于2023年将该奖项授予了Altitude32。

 

 

 

那么，为什么只有Trinnov一家使用基于CPU的处理呢？

 

Trinnov设计先进音频处理器的方法有诸多优势，人们不禁要问，为什么没有更多公司效仿这种方法。

 

Trinnov的处理器与运行音频软件的“普通”电脑截然不同。它们源自公司创始人开发的研究平台，该平台用于进行高级研究，研究如何捕捉和再现复杂的三维声场，他们正是为此创建了这家公司。Trinnov的处理器远非“家庭影院电脑”，而是依靠20多年发展中完善的三种先进方法。

 

Trinnov-OS是一款独特的操作系统：Altitude处理器依靠定制的准实时操作系统，该操作系统具有经过专门调整的超反应调度程序，可实现极快的上下文切换；

 

内核级处理：音频处理链的关键部分在内核级实现，因此它们具有最高优先级，与操作系统的基本功能相同，在同一CPU上运行的其他进程不会干扰此音频处理；

 

多线程：音频处理软件专为并行处理而设计，充分利用现代CPU的多核功能。

 

其他公司没有投入数年时间开发这种先进的技术，而是依靠现成的零件组装产品。这种方法可能更简单、成本更低，但它迫使Trinnov创始人做出妥协，而Trinnov的创始人不会接受这种妥协。

 

与之形成鲜明对比的是，Trinnov工程师完全在内部编写音频软件，包括先进的Trinnov OS（基于Linux，但已发展成为定制的实时音频处理强大系统）。这项投资使我们能够完全控制处理，并保证端到端的音频质量和效率。

 

 

 

概括

 

我们都知道Altitude平台需要的初始投资比大多数竞争对手更高。然而，这是一项持久价值投资，而不是每隔几年就要再次花钱购买家庭影院器材。

 

这项初始投资通过定期（免费）软件更新提供持久价值，确保有足够的处理空间来应对随着时间推移必然出现的新技术。它还实现了多DSP设计无法比拟的复杂功能，同时让Trinnov完全控制其信号处理和路径。

 

Trinnov的工程师无需依赖大众市场芯片公司的DSP工程师来确定哪些功能“足够好”，而是完全掌控产品的功能。即使需要新硬件（例如随着HDMI标准的演变），Altitude的模块化设计也可以轻松且相对便宜地更换主板而不是整个处理器。

 

Altitude平台在其他“一次性”环绕处理器中提供了独特的价值。

 

※    本文原载自Trinnov官方博客。

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