低レイテンシ音響システム設計：戦略的計画が重要な理由

低レイテンシ・リアルタイム音響処理は、音声前処理、音声認識、アクティブノイズキャンセレーション（ANC）などの組み込みアプリケーションで不可欠です。性能要求が高まる中、開発者は速度、決定性、リソース制約のバランスを取る戦略的アプローチを採用する必要があります。高性能SoCに全タスクを任せるのは便利に見えますが、レイテンシとリアルタイム保証を軽視するとシステム障害を招きます。本稿では、SoCと専用オーディオDSPの選択における主要考慮点を概説し、設計者がコストのかかる驚きを回避する手助けをします。

低レイテンシ音響システムは多岐にわたります。自動車では、パーソナルオーディオゾーン、ロードノイズキャンセレーション、車内通信などを実現し、これらはすべてサブミリ秒の応答時間に依存します。

電動化によりANCの重要性が増しています。エンジン音がなくなることで、路面から車両へのインターフェース音が露見するためです。このノイズ低減は乗り心地向上と運転者疲労軽減に寄与します。SoC上での低レイテンシANC実装には、レイテンシ、拡張性、アップグレード性、アルゴリズムサポート、ハードウェアアクセラレーション、カスタマーサポートの課題があります。以下で各要因を検証します。

レイテンシ

レイテンシはリアルタイム音響処理において極めて重要です。プロセッサがデータ移動と演算についていけなければ、オーディオドロップアウトは避けられません。

SoCは通常、小容量のオンチップSRAMを備え、ローカルメモリアクセスにキャッシュを大きく依存します。これによりコードとデータの可用性が非決定的になり、処理レイテンシが増大します。ANCのようなアプリケーションでは、わずかなジッターでも致命的になり得ます。さらに、SoCは汎用OSを実行し、重いマルチタスク負荷を管理するため、非決定性がさらに増幅され、複雑な音響アルゴリズムをマルチタスク環境でサポートすることが困難になります。

図1は、リアルタイムオーディオ負荷下での代表的なSoCを示します。メディアレンダリング、Webブラウジング、アプリ実行などの高優先度タスクがサービスされるたびにCPU使用率がスパイクします。使用率が100%を超えると、SoCはリアルタイムモードを離脱し、オーディオドロップアウトが発生します。

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図1：高オーディオメモリ処理に加えて他のタスクを実行する代表的なSoCの瞬間的CPU負荷 [1]。（出典：Analog Devices）

一方、オーディオDSPは、サンプリングされたオーディオ入力から合成出力まで、信号パス全体で低レイテンシを実現するようアーキテクチャされています。ほとんどのアルゴリズムに十分なL1命令・データSRAMと、中間データをバッファするオンチップL2メモリを備えます。リアルタイムOS（RTOS）を実行することで、着信サンプルが次のバッチ到着前に処理・配信され、バッファオーバーフローを防止します。

起動時レイテンシ（初回可聴出力までの時間）も自動車では極めて重要で、警告音は厳格な時間窓内で配信されなければなりません。SoCはフルOSを起動する長い起動シーケンスを持つことが多く、これらの期限を満たすのが困難です。独自のRTOSを持つスタンドアロンDSPは高速起動に最適化でき、time-to-audio要件を楽に満たします。

拡張性

大規模自動車システムを管理するSoCは、ローエンドからハイエンド構成への音響性能スケーリングに苦労します。リモートチューナー、インフォテインメントクラスターなど、各追加サブシステムがメモリ帯域幅、CPUサイクル、バスアービトレーションでリソース競合を生み、リアルタイムレイテンシを膨らませます。

音響サブシステム自体もスケーリングします。ANCのマイク/スピーカー数増加や3Dオーディオ機能追加には更なる処理能力が必要です。専用オーディオDSPはコプロセッサとして機能し、SoCをリアルタイム音響制約から解放し、製品ティア間でのモジュラーでコスト効率の良いスケーリングを可能にします。

図2は、別個のオーディオプロセッサ（例：ADSP-2156x DSP）が拡張性問題を解決し、モジュラー設計と最適なコスト・パフォーマンス・トレードオフを可能にすることを示しています。

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図2：高拡張性オーディオプロセッサの例。ADSP-2156x DSPのような別個のオーディオプロセッサを使用することで、拡張性問題を解決し、モジュラー設計を可能にし、コストを最適化。（出典：Analog Devices）

アップグレード性

車両でのOTAファームウェアアップデートが一般化し、重要なパッチと新機能のための堅牢なアップグレードパスが必要です。SoCでは機能追加がCPUとメモリリソースの競合を増やし、リアルタイムオーディオ性能に予測不能な影響を与えます。新機能は全動作モードでクロステストが必要となり、検証作業が指数関数的に増大します。アップグレード性はしたがって、利用可能なSoC MIPSと他サブシステムのロードマップに大きく依存します。

専用オーディオDSPは音響性能を他のSoCドメインから分離し、アップグレードサイクルをシンプルにし、相互依存リスクを低減します。

アルゴリズム開発と性能

オーディオDSPはリアルタイム音響アルゴリズム開発のために目的別設計されています。多くのDSPファミリーはグラフィカル開発環境を提供し、DSP経験の浅いエンジニアでも複雑なオーディオパイプラインを設計可能で、品質を損なうことなく開発時間を短縮します。

ADIのSigmaStudioは、直感的なGUIと信号処理ブロックライブラリを備え、高度なオーディオフローの迅速なプロトタイピングを可能にします（図3参照）。また、オーディオトランスポート用のグラフィカルA2B設定もサポートし、システム統合を加速します。

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図3：ADIのSigmaStudioのようなグラフィカルオーディオ開発環境は、直感的なGUIに統合された多様な信号処理アルゴリズムへのアクセスを提供し、複雑なオーディオ信号フローの作成を簡素化。（出典：Analog Devices）

オーディオフレンドリーなハードウェア機能

コアアーキテクチャ以外にも、オーディオDSPにはFFT、FIR/IIRフィルタリング、非同期サンプルレート変換（ASRC）用の専用マルチチャネルアクセラレーターが含まれます。これらはコアから集約的演算をオフロードし、実効性能を向上させます。また、最適化されたデータフロー管理により、柔軟でユーザーフレンドリーなプログラミングモデルを実現します。

チャネル数、フィルターストリーム、サンプリングレートの増加に伴い、最大限に設定可能なピンインターフェースが不可欠です。インラインサンプルレート変換、精密クロッキング、同期高速シリアルポートを可能にし、データを効率的にルーティングして追加レイテンシや外部インターフェースロジックを回避します。ADIのSHARCファミリーは、Digital Audio Interconnect（DAI）でこの能力を実証しています（図4参照）。

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図4：デジタルオーディオインターコネクト（DAI）は、インラインサンプルレート変換、精密クロッキング、同期高速シリアルポートを可能にする最大限に設定可能なピンインターフェースで、データを効率的にルーティングし、追加レイテンシや外部インターフェースロジックを回避。（出典：Analog Devices）

カスタマーサポート

ベンダーサポートは組み込み開発における重要因子です。SoCベンダーがオンチップDSPを謳っても、音響専門知識はしばしば限定的です。サポートは断片化しがちで、開発者は複雑なエコシステム、限定的なライブラリ、カスタムアルゴリズム移植の高いNREに直面する可能性があります。ベンダーに成熟した低レイテンシフレームワークがなければ、成功は保証されません。

対照的に、専用オーディオDSPには成熟したエコシステム（最適化済みアルゴリズムライブラリ、デバイスドライバー、RTOS、ユーザーフレンドリーなツール）が付属します。ADIのSHARCオーディオモジュールプラットフォーム（図5参照）のようなリファレンスプラットフォームは、市場投入までの時間を短縮し、SoCでは稀です。

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図5：DSPは一般的にSHARCオーディオモジュール（SAM）のようなオーディオ特化開発プラットフォームを提供。（出典：Analog Devices）

リアルタイム音響システムの設計には、リソースの慎重かつ戦略的な配分が必要です。余剰SoCヘッドルームに頼るだけでは不十分です。低レイテンシに最適化されたスタンドアロンオーディオDSPは、より高い堅牢性、短い開発サイクル、将来の製品ティアへの拡張性をもたらします。

参考文献

[1] Paul Beckmann. “Multicore SOC Processors: Performance, Analysis, and Optimization.” 2017 AES International Conference on Automotive Audio, August 2017.

David Katz氏は、アナログ、デジタル、組み込みシステム設計において30年の経験を持つ。Analog Devices, Inc.で自動車インフォテインメント担当システムアーキテクチャディレクターを務める。国際的に約100本の組み込み処理記事を発表し、同分野のカンファレンスペーパーを複数発表。以前はMotorola, Inc.でケーブルモデムと工場オートメーショングループのシニアデザインエンジニアを務めた。コーネル大学で電気工学のB.S.とM.Eng.を取得。連絡先：david.katz@analog.com.