Spracovanie zvuku je komplikované a ako také nájdete DSP v srdci takmer všetkých moderných zariadení na spracovanie zvuku. Hoci o nich bežní spotrebitelia nemusia vedieť, DSP sa integrujú do všetkých druhov zvukových zariadení vrátane mobilných telefónov, slúchadiel, zvukových rozhraní, mixérov, reproduktorov a slúchadiel Bluetooth.
DSP sa pomaly stávajú základom každého moderného audio produktu, takže čo to vlastne DSP je? Prečo sú dôležité, ako fungujú a ako ovplyvňujú váš zážitok z počúvania?
Čo je to DSP?
DSP je skratka pre Digital Signal Processor. Ako už názov napovedá, DSP je mikroprocesor špeciálne navrhnutý na spracovanie audio signálu. DSP je v podstate procesor optimalizovaný len na riešenie problémov so spracovaním zvuku. A rovnako ako CPU, aj čipy DSP sú základnými časťami zvukového hardvéru, ktorý umožňuje manipuláciu s digitálnym zvukom. DSP sa stali tak dôležité, že vaše audio zariadenie pravdepodobne integruje jeden alebo niekoľko DSP do svojich obvodov.
Bežné použitie DSP
DSP sa používajú vo všetkých druhoch dennej audio elektroniky. Aby ste pochopili, aký vplyv majú DSP na váš zážitok z počúvania, tu je niekoľko aplikácií DSP, ktoré už používate:
- Zvukové ekvalizéry (EQ): DSP sa používajú na vyrovnanie všetkých druhov hudby. Ekvalizácia sa používa v nahrávacích štúdiách na ovládanie hlasitosti rôznych zvukových frekvencií. Bez ekvalizácie by bolo ťažké počúvať hudbu, pretože vokály by pravdepodobne zneli slabo, nástroje by zneli rozptýlene a basy by prehlušili všetky frekvencie, čím by bol zvuk nejasný alebo zablatené.
- Aktívne zvukové výhybky: Tieto zvukové výhybky sa používajú na oddelenie rôznych zvukových frekvencií a ich priradenie rôznym reproduktorom navrhnutým pre špecifický rozsah zvukových frekvencií. Zvukové výhybky sa často používajú v autorádiách, systémoch priestorového zvuku a reproduktoroch, ktoré využívajú meniče reproduktorov rôznej veľkosti.
- 3D zvuk pre slúchadlá/slúchadlá: Pomocou 3D zvuku môžete dosiahnuť výhybky reproduktorov spolu s rôzne systémy priestorového zvuku. S diskrétnym DSP môžu vaše slúchadlá spracovať zvuk, ktorý umožňuje zážitok z počúvania 3D zvuku bez reproduktorov. DSP to dokážu simuláciou priestorového zvukového javiska, ktoré napodobňuje pohyb zvuku v 3D priestore len pomocou slúchadiel.
- Aktívne potlačenie hluku (ANC): Technológia aktívneho potláčania hluku využíva mikrofón na zaznamenávanie nízkofrekvenčného šumu a potom generuje zvuky opačné k zaznamenaným frekvenciám hluku. Takto generovaný zvuk sa potom používa na potlačenie okolitého hluku skôr, ako sa dostane k vašim ušným bubienkom. ANC je možné len s okamžitou rýchlosťou spracovania DSP.
- Rozpoznávanie reči a hlasu vo vzdialenom poli: Táto technológia umožňuje, aby váš domov Google, Alexa a Amazon Echo spoľahlivo rozpoznali váš hlas. Hlasoví asistenti využívajú CPU, DSP a AI na spracovanie údajov a inteligentné odpovedanie na vaše otázky a príkazy.
Ako funguje DSP?
Všetky digitálne dáta, vrátane digitálneho zvuku, sú reprezentované a uložené ako binárne čísla (1s a 0s). Spracovanie zvuku, ako je EQ a ANC, vyžaduje manipuláciu s týmito jednotkami a nulami, aby sa dosiahli požadované výsledky. Na manipuláciu s týmito binárnymi číslami je potrebný mikroprocesor, ako je DSP. Aj keď môžete použiť aj iné mikroprocesory, ako je CPU, DSP je často lepšou voľbou pre aplikácie na spracovanie zvuku.
Ako každý mikroprocesor, aj DSP používa hardvérovú architektúru a inštrukčnú sadu.
Hardvérová architektúra diktuje ako procesor funguje. DSP často používajú architektúry ako Von Neumann a Harvard Architecture. Tieto jednoduchšie hardvérové architektúry sa často používajú v DSP, pretože sú dostatočne schopné na spracovanie digitálneho zvuku, keď sú spárované so zjednodušenou architektúrou inštrukčných množín (ISA).
ISA určuje, aké operácie môže mikroprocesor vykonávať. V podstate ide o zoznam inštrukcií označených operačným kódom (operačným kódom) uloženým v pamäti. Keď procesor požaduje špecifický operačný kód, vykoná inštrukciu, ktorú operačný kód predstavuje. Bežné inštrukcie v rámci ISA zahŕňajú matematické funkcie ako sčítanie, odčítanie, násobenie a delenie.
Typický DSP čip využívajúci Harvardskú architektúru by obsahoval nasledujúce komponenty:
- Inštrukčná sada a operačné kódy Program Memory-Store (ISA)
- Dátová pamäť – Ukladá hodnoty, ktoré sa majú spracovať
- Compute Engine – Vykonáva inštrukcie v rámci ISA spolu s hodnotami uloženými v dátovej pamäti
- Vstupné a výstupné reléové dáta do a z DSP pomocou sériových komunikačných protokolov
Teraz, keď ste oboznámení s rôznymi komponentmi DSP, povedzme si o tom, ako funguje typický DSP. Tu je základný príklad toho, ako DSP spracováva prichádzajúce audio signály:
- Krok 1: DSP je daný príkaz na spracovanie prichádzajúceho audio signálu.
- Krok 2: Binárne signály prichádzajúceho audio záznamu vstupujú do DSP cez jeho vstupné/výstupné porty.
- Krok 3: Binárny signál je uložený v dátovej pamäti.
- Krok 4: DSP vykoná príkaz tak, že do aritmetického procesora výpočtového stroja privedie správne operačné kódy z programovej pamäte a binárny signál z dátovej pamäte.
- Krok 5: DSP prenáša výsledok so svojím vstupným/výstupným portom do skutočného sveta.
Výhody DSP oproti viacúčelovým procesorom
Univerzálne procesory, ako je CPU, môžu vykonávať niekoľko stoviek inštrukcií a zabaliť viac tranzistorov ako DSP. Tieto skutočnosti môžu vyvolať otázku, prečo sú DSP preferovanými mikroprocesormi pre audio namiesto väčších a zložitejších CPU.
Najväčší dôvod, prečo sa DSP používa oproti iným mikroprocesorom, je spracovanie zvuku v reálnom čase. Jednoduchosť architektúry DSP a obmedzené ISA umožňuje DSP spoľahlivo spracovávať prichádzajúce digitálne signály. Vďaka tejto funkcii môžu živé zvukové vystúpenia mať ekvalizáciu a filtre aplikované v reálnom čase bez ukladania do vyrovnávacej pamäte.
Nákladová efektívnosť DPS je ďalším veľkým dôvodom, prečo sa používajú v porovnaní s procesormi na všeobecné použitie. Na rozdiel od iných procesorov, ktoré vyžadujú zložitý hardvér a ISA so stovkami inštrukcií, DSP používa jednoduchší hardvér a ISA s niekoľkými desiatkami inštrukcií. Vďaka tomu je výroba DSP jednoduchšia, lacnejšia a rýchlejšia.
A nakoniec, DSP sa ľahšie integrujú s elektronickými zariadeniami. Vďaka nižšiemu počtu tranzistorov DSP vyžadujú oveľa menej energie a sú fyzicky menšie a ľahšie v porovnaní s CPU. To umožňuje, aby sa DSP zmestili do malých zariadení, ako sú slúchadlá Bluetooth, bez obáv o napájanie a pridávanie príliš veľkej hmotnosti a objemu zariadenia.
DSP sú dôležitými komponentmi moderných zvukových zariadení
DSP sú dôležitými komponentmi elektroniky súvisiacej so zvukom. Jeho malé, ľahké, nákladovo efektívne a energeticky efektívne vlastnosti umožňujú aj tým najmenším audio zariadeniam ponúkať funkcie aktívneho potlačenia hluku. Bez DSP by sa audio zariadenia museli spoliehať na univerzálne procesory alebo dokonca objemnú elektroniku komponenty, ktoré vyžadujú viac peňazí, priestoru a energie, pričom poskytujú pomalší výpočtový výkon.
