Audio apstrāde ir sarežģīta, un tāpēc jūs atradīsit DSP gandrīz visu mūsdienu audio apstrādes iekārtu centrā. Lai gan parastie patērētāji tos var nezināt, DSP integrējas visu veidu audio ierīcēs, tostarp mobilajos tālruņos, austiņās, audio saskarnēs, mikseros, skaļruņos un Bluetooth austiņās.
DSP pamazām kļūst par katra modernā audio produkta galveno sastāvdaļu, kas tad īsti ir DSP? Kāpēc tie ir svarīgi, kā tie darbojas un kā tie ietekmē jūsu klausīšanās pieredzi?
Kas ir DSP?
DSP ir akronīms vārdam Digital Signal Processor. Kā norāda nosaukums, DSP ir mikroprocesors, kas īpaši paredzēts audio signāla apstrādei. DSP būtībā ir CPU, kas optimizēts tikai audio apstrādes problēmu risināšanai. Un tāpat kā centrālais procesors, arī DSP mikroshēmas ir būtiskas audio aparatūras daļas, kas ļauj veikt digitālās audio manipulācijas. DSP ir kļuvuši tik svarīgi, ka jūsu audioiekārta, iespējams, integrē vienu vai dažus DSP savā shēmā.
Kopējie DSP lietojumi
DSP tiek izmantoti visa veida ikdienas audio elektronikā. Lai saprastu, cik DSP ietekmē jūsu klausīšanās pieredzi, šeit ir dažas DSP lietojumprogrammas, kuras jau izmantojat:
- Audio ekvalaizeri (EQ): DSP izmanto, lai izlīdzinātu visu veidu mūziku. Izlīdzināšanu izmanto ierakstu studijās, lai kontrolētu dažādu skaņas frekvenču skaļumu. Bez izlīdzināšanas jums būtu grūti klausīties mūziku, jo vokāls, visticamāk, skanētu vāji, instrumenti skanētu izkaisīti, un bass pārspētu visas frekvences, padarot audio neskaidru vai dubļains.
- Aktīvie audio krosoveri: šie audio krustotāji tiek izmantoti, lai atdalītu dažādas audio frekvences un piešķirtu tās dažādiem skaļruņiem, kas paredzēti konkrētam audio frekvenču diapazonam. Audio krosoverus bieži izmanto automašīnu stereosistēmās, telpiskās skaņas sistēmās un skaļruņos, kuros tiek izmantoti dažāda izmēra skaļruņu draiveri.
- Austiņas/austiņas 3D audio: varat sasniegt 3D audio, izmantojot skaļruņu krosoveri kopā ar dažādas telpiskās skaņas sistēmas. Izmantojot diskrētu DSP, jūsu austiņas un austiņas var apstrādāt audio, kas nodrošina 3D skaņas klausīšanās pieredzi bez skaļruņiem. DSP to var izdarīt, simulējot telpisku skaņas skatuvi, kas atdarina skaņas kustību 3D telpā, tikai izmantojot austiņas.
- Aktīvā trokšņu slāpēšana (ANC): Aktīvās trokšņu slāpēšanas tehnoloģija izmanto mikrofonu, lai ierakstītu zemas frekvences troksni, un pēc tam ģenerē skaņas, kas ir pretējas ierakstītajām trokšņu frekvencēm. Pēc tam šī radītā skaņa tiek izmantota, lai novērstu vides troksni, pirms tas sasniedz jūsu bungādiņas. ANC ir iespējama tikai ar tūlītēju DSP apstrādes ātrumu.
- Tāla lauka runas un balss atpazīšana: šī tehnoloģija ļauj jūsu Google Home, Alexa un Amazon Echo uzticami atpazīt jūsu balsi. Balss palīgi izmanto CPU, DSP un AI, lai apstrādātu datus un gudri sniegtu atbildes uz jūsu jautājumiem un komandām.
Kā darbojas DSP?
Visi digitālie dati, tostarp digitālais audio, tiek attēloti un saglabāti kā bināri skaitļi (1 un 0). Lai sasniegtu vēlamos rezultātus, audio apstrādei, piemēram, EQ un ANC, ir nepieciešams manipulēt ar šiem 1 un 0. Lai manipulētu ar šiem binārajiem skaitļiem, ir nepieciešams mikroprocesors, piemēram, DSP. Lai gan jūs varētu izmantot arī citus mikroprocesorus, piemēram, centrālo procesoru, DSP bieži ir labāka izvēle audio apstrādes lietojumprogrammām.
Tāpat kā jebkurš mikroprocesors, arī DSP izmanto aparatūras arhitektūru un instrukciju kopu.
Aparatūras arhitektūra nosaka kā darbojas procesors. DSP bieži izmanto tādas arhitektūras kā Von Neumann un Harvard Architecture. Šīs vienkāršās aparatūras arhitektūras bieži izmanto DSP, jo tās ir pietiekami spējīgas veikt digitālo audio apstrādi, ja tās ir savienotas pārī ar racionalizētu instrukciju kopas arhitektūru (ISA).
ISA nosaka, kādas darbības var veikt mikroprocesors. Būtībā tas ir instrukciju saraksts, kas marķētas ar operācijas kodu (opcode), kas saglabāts atmiņā. Kad procesors pieprasa noteiktu operācijas kodu, tas izpilda operētājkoda norādīto instrukciju. Kopējās instrukcijas ISA ietver matemātiskas funkcijas, piemēram, saskaitīšanu, atņemšanu, reizināšanu un dalīšanu.
Tipiskā DSP mikroshēmā, izmantojot Harvardas arhitektūru, būtu šādi komponenti:
- Programmas Memory-Stores instrukciju kopa un opkodi (ISA)
- Datu atmiņa — saglabā apstrādājamās vērtības
- Compute Engine — izpilda instrukcijas ISA kopā ar vērtībām, kas saglabātas datu atmiņā
- Ievades un izvades pārsūta datus DSP un no tā, izmantojot seriālos sakaru protokolus
Tagad, kad esat iepazinies ar dažādiem DSP komponentiem, parunāsim par to, kā darbojas tipisks DSP. Šeit ir pamata piemērs tam, kā DSP apstrādā ienākošos audio signālus:
- 1. darbība: DSP tiek dota komanda, lai apstrādātu ienākošo audio signālu.
- 2. darbība: ienākošā audio ieraksta binārie signāli nonāk DSP caur tā ieejas/izejas portiem.
- 3. darbība: Binārais signāls tiek saglabāts datu atmiņā.
- 4. darbība: DSP izpilda komandu, ievadot skaitļošanas dzinēja aritmētisko procesoru ar pareiziem opkodiem no programmas atmiņas un bināro signālu no datu atmiņas.
- 5. darbība: DSP izvada rezultātu ar savu ievades/izvades portu uz reālo pasauli.
DSP priekšrocības salīdzinājumā ar vispārējas nozīmes procesoriem
Vispārējas nozīmes procesori, piemēram, CPU, var izpildīt vairākus simtus instrukciju un iesaiņot vairāk tranzistoru nekā DSP. Šie fakti var radīt jautājumu par to, kāpēc DSP ir vēlamie audio mikroprocesori, nevis lielāks un sarežģītāks CPU.
Lielākais iemesls, kāpēc DSP tiek izmantots salīdzinājumā ar citiem mikroprocesoriem, ir reāllaika audio apstrāde. DSP arhitektūras vienkāršība un ierobežotā ISA ļauj DSP uzticami apstrādāt ienākošos digitālos signālus. Izmantojot šo funkciju, tiešraides audio priekšnesumos var tikt pielietota izlīdzināšana un filtri reāllaikā bez buferizācijas.
DPS rentabilitāte ir vēl viens liels iemesls, kāpēc tos izmanto, salīdzinot ar vispārējas nozīmes procesoriem. Atšķirībā no citiem procesoriem, kuriem nepieciešama sarežģīta aparatūra un ISA ar simtiem instrukciju, DSP izmanto vienkāršāku aparatūru un ISA ar pāris desmitiem instrukciju. Tas padara DSP vieglāku, lētāku un ātrāku ražošanu.
Visbeidzot, DSP ir vieglāk integrēt ar elektroniskām ierīcēm. Tā kā DSP ir mazāks tranzistoru skaits, tiem ir nepieciešams daudz mazāk enerģijas, un tie ir fiziski mazāki un vieglāki, salīdzinot ar centrālo procesoru. Tas ļauj DSP ietilpt mazās ierīcēs, piemēram, Bluetooth austiņās, neuztraucoties par jaudu un ierīces pārāk lielu svaru un apjomu.
DSP ir svarīgas mūsdienu audio ierīču sastāvdaļas
DSP ir svarīgas ar audio saistītās elektronikas sastāvdaļas. Tās mazās, vieglās, rentablās un energoefektīvās īpašības ļauj pat vismazākajām audio ierīcēm piedāvāt aktīvās trokšņu slāpēšanas funkcijas. Bez DSP audio ierīcēm būtu jāpaļaujas uz vispārējas nozīmes procesoriem vai pat lielgabarīta elektroniku komponenti, kuriem nepieciešams vairāk naudas, vietas un jaudas, vienlaikus nodrošinot lēnāku apstrādes jaudu.
