基于FPGA逻辑对电吉他多重音效处理系统的实现

这一项目作品来自以色列特拉维夫大学的两名大四学生，基于Digilent与Avnet联合出品的Xilinx Zynq一代名板：ZedBoard实现。本质上，项目通过在FPGA器件上设计和部署音频处理算法，为电吉他实现了一套音频效果处理系统，并且实现了包括：失真音和过载音、八度音+颤音、颤音、延迟音四种音效。在音乐界，这样一套东西俗称为“综合效果器/踏板效果器”，嗯，大致是介个样子：
 

相比于商业界传统的基于DSP/CPU技术的“电吉他综合效果器”，这一作品完全基于FPGA逻辑实现，借助FPGA天生并行的优势，将多个音频信道一起处理，从而提高实时性能——对标一些业界领先的商用踏板效果器所宣传的“几毫秒”延时，该作品的最大延时仅仅约为1ms。

系统原理功能

作品的简易框图如下：
 

上图黄色部分为作品实际用到的Zedboard板载硬件：系统通过Line-in端口与电吉他连接以接收音频，并通过Line-out端口将处理音效传送到放大器。板载的Zynq器件与音频解码器是整个系统的核心，其中Zynq的PL端的主要用来进行音频处理，以及产生不同的时钟并实现用户界面；ARM部分（PS端）则主要用来做一下辅助的框架搭建与支持工作。所有的编程通过JTAG USB端口实现；同时，作者利用了板载的按键与LED灯设计了一个简易的物理用户界面。
软件部分，作者使用Vivado 2016.2，全部手动基于VHDL硬件描述语言为音频信号路径，效果，用户界面和PS-PL交互创建了所有的IP blocks；PS端，作者使用Xilinx SDK 2016.2借助C语言编程，通过AXI功能读取/写入PL音频采样，并初始化板载音频编解码器。在VHDL代码部署之前，作者还使用了MATLAB来进行仿真并测试整个系统设计。
 

图：效果链，以及每个效果的内部变化

 

图：音频信号路径

图：控制信号路径