Przetwarzanie dźwięku jest skomplikowane i dlatego w sercu prawie każdego nowoczesnego sprzętu do przetwarzania dźwięku znajdziesz procesor DSP. Chociaż zwykli konsumenci mogą nie być ich świadomi, procesory DSP integrują się ze wszystkimi rodzajami urządzeń audio, w tym telefonami komórkowymi, słuchawkami, interfejsami audio, mikserami, głośnikami i słuchawkami Bluetooth.

Procesory DSP powoli stają się podstawą każdego nowoczesnego produktu audio, więc czym właściwie jest procesor DSP? Dlaczego są ważne, jak działają i jak wpływają na Twoje wrażenia słuchowe?

Co to jest DSP?

DSP to skrót od Digital Signal Processor. Jak sama nazwa wskazuje, DSP to mikroprocesor zaprojektowany specjalnie do przetwarzania sygnału audio. DSP to w zasadzie procesor zoptymalizowany tylko do rozwiązywania problemów z przetwarzaniem dźwięku. Podobnie jak procesor, chipy DSP są niezbędnymi elementami sprzętu audio, które umożliwiają cyfrowe manipulacje dźwiękiem. Procesory DSP stały się tak ważne, że twój sprzęt audio prawdopodobnie integruje jeden lub kilka procesorów DSP w swoich obwodach.

instagram viewer

Typowe zastosowania DSP

Procesory DSP są używane we wszelkiego rodzaju codziennej elektronice audio. Aby zrozumieć, jak duży wpływ na wrażenia słuchowe mają procesory DSP, oto kilka aplikacji DSP, z których już korzystasz:

  • Korektory dźwięku (EQ): DSP są używane do wyrównywania wszystkich rodzajów muzyki. Korekcja jest wykorzystywana w studiach nagraniowych do kontrolowania głośności różnych częstotliwości dźwięku. Bez korekcji trudno byłoby słuchać muzyki, ponieważ wokal prawdopodobnie brzmiałby słabo, instrumenty brzmiałyby rozproszone, a basy obezwładniały wszystkie częstotliwości, czyniąc dźwięk niewyraźnym lub błotniste.
  • Aktywne zwrotnice audio: Te zwrotnice audio służą do oddzielania różnych częstotliwości audio i przypisywania ich do różnych głośników zaprojektowanych dla określonego zakresu częstotliwości audio. Zwrotnice audio są często używane w samochodowych zestawach stereo, systemach dźwięku przestrzennego i głośnikach, które wykorzystują przetworniki głośnikowe o różnej wielkości.
  • Słuchawki/słuchawki 3D Audio: Możesz uzyskać dźwięk 3D za pomocą zwrotnice głośnikowe wraz z różne systemy dźwięku przestrzennego. Dzięki dyskretnemu procesorowi DSP Twoje słuchawki i słuchawki mogą przetwarzać dźwięk, który umożliwia słuchanie dźwięku 3D bez głośników. Procesory DSP mogą to zrobić, symulując przestrzenną scenę dźwiękową, która naśladuje ruch dźwięku w przestrzeni 3D za pomocą słuchawek.
  • Aktywna redukcja szumów (ANC): Technologia aktywnej redukcji szumów wykorzystuje mikrofon do nagrywania szumów o niskiej częstotliwości, a następnie generuje dźwięki przeciwne do rejestrowanych częstotliwości szumów. Wygenerowany dźwięk jest następnie wykorzystywany do tłumienia hałasu otoczenia, zanim dotrze on do bębenków usznych. ANC jest możliwe tylko z chwilową szybkością przetwarzania DSP.
  • Rozpoznawanie mowy i głosu w dalekim polu: Ta technologia umożliwia Google Home, Alexa i Amazon Echo niezawodne rozpoznawanie Twojego głosu. Asystenci głosowi wykorzystują procesor, DSP i sztuczną inteligencję do przetwarzania danych i inteligentnego udzielania odpowiedzi na pytania i polecenia.

Jak działa DSP?

Źródło obrazu: Ginoweb/Wikimedia Commons

Wszystkie dane cyfrowe, w tym dźwięk cyfrowy, są reprezentowane i przechowywane jako liczby binarne (1s i 0s). Przetwarzanie dźwięku, takie jak EQ i ANC, wymaga manipulacji tymi jedynkami i zerami, aby osiągnąć pożądane rezultaty. Do manipulowania tymi liczbami binarnymi wymagany jest mikroprocesor, taki jak DSP. Chociaż możesz również użyć innych mikroprocesorów, takich jak procesor, procesor DSP jest często lepszym wyborem do zastosowań związanych z przetwarzaniem dźwięku.

Jak każdy mikroprocesor, procesor DSP wykorzystuje architekturę sprzętową i zestaw instrukcji.

Wymaga architektury sprzętowej jak działa procesor. DSP często korzystają z architektur, takich jak Von Neumann i Harvard Architecture. Te prostsze architektury sprzętowe są często używane w procesorach DSP, ponieważ są one wystarczająco zdolne do przetwarzania cyfrowego dźwięku w połączeniu z usprawnioną architekturą zestawu instrukcji (ISA).

ISA określa, jakie operacje może wykonywać mikroprocesor. Jest to w zasadzie lista instrukcji oznaczonych kodem operacji (opcode) przechowywanym w pamięci. Gdy procesor wywołuje określony kod operacji, wykonuje instrukcję, którą reprezentuje kod operacji. Wspólna instrukcja w ISA obejmuje funkcje matematyczne, takie jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie.

Typowy układ DSP wykorzystujący architekturę Harvard zawierałby następujące elementy:

  • Program Memory-Stores zestaw instrukcji i kody operacyjne (ISA)
  • Pamięć danych - przechowuje wartości do przetworzenia
  • Compute Engine – wykonuje instrukcje w ramach ISA wraz z wartościami przechowywanymi w pamięci danych
  • Dane wejściowe i wyjściowe-przekaźniki do iz procesora DSP przy użyciu protokołów komunikacji szeregowej

Teraz, gdy znasz już różne komponenty DSP, porozmawiajmy o tym, jak działa typowy DSP. Oto podstawowy przykład przetwarzania przychodzących sygnałów audio przez procesor DSP:

  • Krok 1: DSP otrzymuje polecenie przetworzenia przychodzącego sygnału audio.
  • Krok 2: Sygnały binarne z przychodzącego nagrania audio wchodzą do procesora DSP przez jego porty wejścia/wyjścia.
  • Krok 3: Sygnał binarny jest przechowywany w pamięci danych.
  • Krok 4: Procesor DSP wykonuje polecenie, zasilając procesor arytmetyczny silnika obliczeniowego odpowiednimi kodami operacyjnymi z pamięci programu i sygnałem binarnym z pamięci danych.
  • Krok 5: DSP wysyła wynik za pomocą swojego portu wejścia/wyjścia do świata rzeczywistego.

Zalety DSP nad procesorami ogólnego przeznaczenia

Procesory ogólnego przeznaczenia, takie jak CPU, mogą wykonywać kilkaset instrukcji i pakować więcej tranzystorów niż DSP. Te fakty mogą rodzić pytanie, dlaczego procesory DSP są preferowanymi mikroprocesorami audio zamiast większego i bardziej złożonego procesora.

Najważniejszym powodem, dla którego DSP jest używany w porównaniu z innymi mikroprocesorami, jest przetwarzanie dźwięku w czasie rzeczywistym. Prostota architektury DSP i ograniczone ISA pozwalają DSP na niezawodne przetwarzanie przychodzących sygnałów cyfrowych. Dzięki tej funkcji występy audio na żywo mogą mieć korekcję i filtry stosowane w czasie rzeczywistym bez buforowania.

Opłacalność DPS jest kolejnym ważnym powodem, dla którego są one używane w porównaniu z procesorami ogólnego przeznaczenia. W przeciwieństwie do innych procesorów, które wymagają złożonego sprzętu i ISA z setkami instrukcji, DSP używa prostszego sprzętu i ISA z kilkoma tuzinami instrukcji. Dzięki temu produkcja procesorów DSP jest łatwiejsza, tańsza i szybsza.

Wreszcie, procesory DSP są łatwiejsze do zintegrowania z urządzeniami elektronicznymi. Ze względu na mniejszą liczbę tranzystorów procesory DSP wymagają znacznie mniej energii i są fizycznie mniejsze i lżejsze w porównaniu z procesorem. Dzięki temu procesory DSP mogą zmieścić się w małych urządzeniach, takich jak słuchawki Bluetooth, bez martwienia się o zasilanie i zbytnie obciążanie urządzenia.

Procesory DSP są ważnymi komponentami nowoczesnych urządzeń audio

Procesory DSP są ważnymi komponentami elektroniki związanej z dźwiękiem. Jego małe, lekkie, ekonomiczne i energooszczędne właściwości umożliwiają nawet najmniejszym urządzeniom audio oferowanie funkcji aktywnej redukcji szumów. Bez procesorów DSP urządzenia audio musiałyby polegać na procesorach ogólnego przeznaczenia, a nawet nieporęcznej elektronice komponenty, które wymagają więcej pieniędzy, miejsca i mocy, a jednocześnie zapewniają wolniejszą moc obliczeniową.