Аудио обработката е сложна и като такава ще откриете DSP в сърцето на почти цялото съвременно оборудване за аудио обработка. Въпреки че обикновените потребители може да не знаят за тях, DSP се интегрират във всички видове аудио устройства, включително мобилни телефони, слушалки, аудио интерфейси, миксери, високоговорители и Bluetooth слушалки.
DSP бавно се превръщат в основна част от всеки съвременен аудио продукт, така че какво точно е DSP? Защо са важни, как работят и как влияят на вашето слушане?
Какво е DSP?
DSP е акроним за цифров сигнален процесор. Както подсказва името, DSP е микропроцесор, специално проектиран за обработка на аудио сигнали. DSP е основно процесор, оптимизиран само за решаване на проблеми с аудио обработката. И точно като CPU, DSP чиповете са основни части от аудио хардуер, които правят цифровите аудио манипулации възможни. DSP са станали толкова важни, че вашето аудио оборудване вероятно интегрира един или няколко DSP в техните схеми.
Общи DSP употреби
DSP се използват във всички видове ежедневна аудио електроника. За да разберете колко въздействащи са DSP за вашето слушане, ето няколко DSP приложения, които вече използвате:
- Аудио еквалайзери (EQ): DSP се използват за изравняване на всички видове музика. Изравняването се използва в звукозаписните студиа за контролиране на силата на звука на различни звукови честоти. Без изравняване ще ви е трудно да слушате музика, тъй като вокалите вероятно ще звучат слабо, инструментите ще звучат разпръснато и басът ще надвие всички честоти, правейки звука неясен или кален.
- Активни аудио кросоувъри: Тези аудио кросоувъри се използват за разделяне на различни аудио честоти и присвояването им на различни високоговорители, проектирани за специфичния аудио честотен диапазон. Аудио кросоувърите често се използват в автомобилни стерео уредби, системи за съраунд звук и високоговорители, които използват драйвери за високоговорители с различен размер.
- 3D аудио за слушалки: Можете да постигнете 3D аудио с помощта на кросоувъри на високоговорители заедно с различни системи за съраунд звук. С дискретен DSP, вашите слушалки могат да обработват аудио, което позволява 3D изживяване при слушане на звук без високоговорители. DSP могат да направят това, като симулират пространствена звукова сцена, която имитира как звукът ще се движи в 3D пространството само с помощта на вашите слушалки.
- Активно шумопотискане (ANC): Технологията за активно шумопотискане използва микрофон за запис на нискочестотен шум, след което генерира звуци, противоположни на записаните шумови честоти. Този генериран звук след това се използва за премахване на шума от околната среда, преди да достигне до тъпанчетата ви. ANC е възможен само с моменталната скорост на обработка на DSP.
- Говор в далечно поле и разпознаване на глас: Тази технология прави възможно вашите Google Home, Alexa и Amazon Echo да разпознават надеждно гласа ви. Гласовите асистенти използват CPU, DSP и AI, за да обработват данни и да дават интелигентни отговори на вашите запитвания и команди.
Как работи DSP?
Всички цифрови данни, включително цифрово аудио, се представят и съхраняват като двоични числа (1s и 0s). Аудио обработката като EQ и ANC изисква манипулиране на тези 1s и 0s за постигане на желаните резултати. Необходим е микропроцесор като DSP за манипулиране на тези двоични числа. Въпреки че бихте могли да използвате и други микропроцесори като CPU, DSP често е по-добрият избор за приложения за аудио обработка.
Като всеки микропроцесор, DSP използва хардуерна архитектура и набор от инструкции.
Хардуерната архитектура диктува как работи процесорът. DSP често използват архитектури като Von Neumann и Harvard Architecture. Тези по-прости хардуерни архитектури често се използват в DSP, тъй като са достатъчно способни да извършват обработка на цифрово аудио, когато са съчетани с рационализирана архитектура на набор от инструкции (ISA).
ISA е това, което определя какви операции може да извършва микропроцесорът. Това е основно списък от инструкции, маркирани с оперативен код (opcode), съхранен в паметта. Когато процесорът извика конкретен код на операцията, той изпълнява инструкцията, която представлява кодът на операцията. Общата инструкция в рамките на ISA включва математически функции като събиране, изваждане, умножение и деление.
Типичен DSP чип, използващ Харвардска архитектура, ще съдържа следните компоненти:
- Програма Memory-Stores набор от инструкции и кодове за операции (ISA)
- Памет за данни - Съхранява стойностите за обработка
- Compute Engine – Изпълнява инструкциите в рамките на ISA заедно със стойностите, съхранени в паметта за данни
- Входни и изходни препредава данни в и извън DSP чрез серийни комуникационни протоколи
Сега, след като сте запознати с различните компоненти на DSP, нека поговорим за това как работи типичният DSP. Ето основен пример за това как DSP обработва входящи аудио сигнали:
- Етап 1: На DSP се дава команда за обработка на входящия аудио сигнал.
- Стъпка 2: Двоичните сигнали на входящия аудио запис влизат в DSP през неговите входно/изходни портове.
- Стъпка 3: Двоичният сигнал се съхранява в паметта за данни.
- Стъпка 4: DSP изпълнява командата, като захранва аритметичния процесор на изчислителната машина с правилните операционни кодове от програмната памет и двоичния сигнал от паметта за данни.
- Стъпка 5: DSP извежда резултата със своя входно/изходен порт към реалния свят.
Предимства на DSP пред процесорите с общо предназначение
Процесорите с общо предназначение като CPU могат да изпълнят няколкостотин инструкции и да опаковат повече транзистори от DSP. Тези факти може да повдигнат въпроса защо DSP са предпочитаните микропроцесори за аудио вместо по-големите и по-сложни процесори.
Най-голямата причина DSP да се използва пред други микропроцесори е аудио обработката в реално време. Простотата на архитектурата на DSP и ограничената ISA позволяват на DSP да обработва надеждно входящите цифрови сигнали. С тази функция аудио изпълненията на живо могат да имат изравняване и филтри, приложени в реално време без буфериране.
Ефективността на разходите на DPS е друга голяма причина те да се използват вместо процесори с общо предназначение. За разлика от други процесори, които изискват сложен хардуер и ISA със стотици инструкции, DSP използва по-прост хардуер и ISA с няколко дузини инструкции. Това прави DSP по-лесни, по-евтини и по-бързи за производство.
И накрая, DSP са по-лесни за интегриране с електронни устройства. Поради по-малкия си брой транзистори, DSP изискват много по-малко енергия и са физически по-малки и по-леки в сравнение с CPU. Това позволява на DSP да се поберат в малки устройства като Bluetooth слушалки, без да се притеснявате за мощността и да добавяте твърде много тегло и обем към устройството.
DSP са важни компоненти в съвременните аудио устройства
DSP са важни компоненти на свързаната с аудио електроника. Неговите малки, леки, рентабилни, енергийно ефективни свойства позволяват дори на най-малките аудио устройства да предлагат функции за активно шумопотискане. Без DSP аудио устройствата ще трябва да разчитат на процесори с общо предназначение или дори на обемна електроника компоненти, които изискват повече пари, пространство и мощност, като същевременно осигуряват по-бавна процесорна мощност.
