从音频输入到输出，现有的实时数字音频系统很难实现低于 1ms 的时延。实际上，200µs 是到目前为止可实现的最佳时延。INSA（法国）的 Emeraude 研究团队正在开发 Syfala 编译器，该编译器结合了 Faust （一种用于实时音频 DSP 的领域特定语言）和 AMD Vitis™ HLS，使其为音频 DSP 用户提供非常高级的音频合成工具。
Emeraude 采用基于 AMD Zynq™ 的FPGA 板卡、低时延音频编解码器和 Syfala 编译器，在众多简单的 DSP 程序上实现了 11µs 的低时延。这项新技术适用于声音合成和主动声学控制。
01 项目挑战
实时音频数字信号处理（ DSP ）已经在广泛的计算机架构上实现：采用冯・诺依曼架构的 CPU、多核 CPU、GPU、专用电路、FPGA 等。然而，实现超低时延（即小于 1ms）的唯一方法是使用专用电路，如 ASIC 或 FPGA。
尽管如此，对于 DSP 程序员而言，使用 FPGA 几乎是不可能的事情，因为他们没有掌握硬件设计技能。
因此，该项目的主要挑战在于设计出一款工具，允许音频 DSP 程序员以极低时延（即小于 100µs）在 FPGA 上实现任意音频 DSP 算法。
02 解决方案
采用的解决方案是将音频 DSP 语言编译器（即 Faust）的输出与 HLS 工具 Vitis HLS连接起来。Faust 编译器不仅可处理软硬件分区，而且还可隔离将在 FPGA 上实施的内核 DSP 算法，如图 1 所示。
图 1：从 Faust 程序到 FPGA 的 Syfala 编译流程
Vitis HLS 用于实现该内核 DSP 的硬件，允许访问外部 DDR 内存以及使用 ARM Zynq 处理系统驱动程序的硬件控制器。
图 2：DSP 硬件控制在 Digilent Zybo 板上实现
INSA-LYON 的研究团队主管 Tanguy Risset 表示：“Vitis HLS 允许我们直接重复使用 Faust 编译器生成的 C++ 代码，因此从 Faust 高级规范直至 FPGA 比特流都无需经历手动设计流程。此外，Vitis HLS 与 AMD 的设计流程能够很好地集成在一起，方便我们进行硬件/软件的协同设计。”
03 设计成效
最终成效就是获得一个新的编译流程，可将任意音频 DSP 程序自动编译到基于 AMD Zynq 7000 的 FPGA 板卡（如 Digilent Zybo 或 Genesys）上。这样一来，从模拟输入到模拟输出，所实现的程序的时延可低至 11µs。如此短的时延是前所未有的。该编译器是开源的，目前用于实现主动声学控制算法和 3D 音频编解码流程。
Risset 补充道：“Vitis HLS 使我们能够精确控制 IP 的时延。特别是 Vitis HLS 能够生成一个有一个样本延迟时延的 IP。这对于实现我们在模拟与模拟之间实现的时延极为重要。”
Risset 表示，Vitis HLS IP 的调度视图有助于我们了解 Vitis HLS 是如何引导并行化，以及内存访问是如何对 IP 时延产生影响的。他补充道：“这促使我们在 Faust 生成的 C++ 代码中对内存访问进行优化，这是实现低时延的必要步骤。”
关于 Emeraude INSA 研究团队
Emeraude INSA 研究团队正在就嵌入式音频编程系统展开研究，同时也在为 Faust 编译器提供维护服务。
关于 Syfala 编译器
Syfala 编译器目前可用于 GitHub，而且可以与任意 I2S 音频编解码器（基于任何 Zynq 平台的板卡）配合使用。此外，它也可用于非超低时延音频的环境中，例如包括高阶环绕声等在内的多声道应用。
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