Heli töötlemine on keeruline ja sellisena leiate DSP-d peaaegu kõigi kaasaegsete helitöötlusseadmete keskmes. Kuigi tavatarbijad ei pruugi neist teadlikud olla, integreeruvad DSP-d igasugustesse heliseadmetesse, sealhulgas mobiiltelefonidesse, kõrvaklappidesse, heliliidestesse, mikseritesse, kõlaritesse ja Bluetooth-kõrvaklappidesse.

DSP-d on aeglaselt muutumas iga kaasaegse helitoote põhiosaks, nii et mis on DSP? Miks need on olulised, kuidas need töötavad ja kuidas need teie kuulamiskogemust mõjutavad?

Mis on DSP?

DSP on akronüüm sõnadest Digital Signal Processor. Nagu nimigi viitab, on DSP mikroprotsessor, mis on spetsiaalselt loodud helisignaali töötlemiseks. DSP on põhimõtteliselt protsessor, mis on optimeeritud ainult helitöötlusprobleemide lahendamiseks. Ja nagu protsessor, on ka DSP-kiibid olulised heliriistvara osad, mis võimaldavad digitaalse heliga manipuleerimist. DSP-d on muutunud nii oluliseks, et teie heliseadmed integreerivad tõenäoliselt ühe või paar DSP-d oma vooluringi.

Levinud DSP kasutusalad

DSP-sid kasutatakse igasuguses igapäevases helielektroonikas. Et mõista, kui palju DSP-d teie kuulamiskogemust mõjutavad, on siin mõned DSP-rakendused, mida te juba kasutate.

  • Heli ekvalaiserid (EQ): DSP-sid kasutatakse igasuguse muusika võrdsustamiseks. Ekvaliseerimist kasutatakse salvestusstuudiotes erinevate helisageduste helitugevuse reguleerimiseks. Ilma võrdsustuseta oleks teil raske muusikat kuulata, kuna vokaal kõlaks tõenäoliselt nõrgalt, instrumendid kõlaksid hajusalt ja bass ületaks kõik sagedused, muutes heli ebaselgeks või mudane.
  • Aktiivsed heliristid: neid heliriste kasutatakse erinevate helisageduste eraldamiseks ja nende määramiseks erinevatele kõlaritele, mis on mõeldud konkreetse helisagedusvahemiku jaoks. Heli ristsid kasutatakse sageli autostereodes, ruumilise heli süsteemides ja kõlarites, mis kasutavad erineva suurusega kõlarite draivereid.
  • Kõrvaklappide/kõrvaklappide 3D-heli: 3D-heli saate saavutada kasutades kõlarite ristmikud koos erinevad ruumilise heli süsteemid. Diskreetse DSP-ga saavad teie kõrvaklapid ja kõrvaklapid töödelda heli, mis võimaldab 3D-heli kuulamise kogemust ilma kõlariteta. DSP-d saavad seda teha, simuleerides ruumilist helilava, mis jäljendab heli liikumist 3D-ruumis lihtsalt teie kõrvaklappe kasutades.
  • Aktiivne mürasummutus (ANC): Aktiivse mürasummutustehnoloogia kasutab mikrofoni madala sagedusega müra salvestamiseks ja genereerib seejärel salvestatud mürasagedustele vastupidiseid helisid. Seda tekitatud heli kasutatakse seejärel keskkonnamüra summutamiseks enne, kui see teie kuulmekile jõuab. ANC on võimalik ainult DSP hetkelise töötlemiskiirusega.
  • Kaugvälja kõne ja hääletuvastus: see tehnoloogia võimaldab teie Google Home'il, Alexal ja Amazon Echol teie häält usaldusväärselt ära tunda. Hääleabilised kasutavad CPU-d, DSP-d ja tehisintellekti, et töödelda andmeid ning anda arukalt vastuseid teie päringutele ja käskudele.

Kuidas DSP töötab?

Pildi krediit: Ginoweb/Wikimedia Commons

Kõik digitaalsed andmed, sealhulgas digitaalne heli, esitatakse ja salvestatakse kahendarvudena (1-d ja 0-d). Helitöötlus, nagu EQ ja ANC, nõuab soovitud tulemuste saavutamiseks nende 1-de ja 0-de manipuleerimist. Nende kahendarvude manipuleerimiseks on vaja mikroprotsessorit, näiteks DSP-d. Kuigi võite kasutada ka muid mikroprotsessoreid, näiteks protsessorit, on DSP sageli parem valik helitöötlusrakenduste jaoks.

Nagu iga mikroprotsessor, kasutab ka DSP riistvaraarhitektuuri ja käsukomplekti.

Riistvara arhitektuur määrab kuidas protsessor töötab. DSP-d kasutavad sageli selliseid arhitektuure nagu Von Neumann ja Harvard Architecture. Neid lihtsamaid riistvaraarhitektuure kasutatakse sageli DSP-des, kuna need on piisavalt võimelised digitaalse heli töötlemiseks, kui need on ühendatud sujuva juhiste komplekti arhitektuuriga (ISA).

ISA määrab, milliseid toiminguid mikroprotsessor teha saab. Põhimõtteliselt on see mällu salvestatud operatsioonikoodiga (opcode) märgistatud juhiste loend. Kui protsessor nõuab konkreetset opkoodi, täidab see käsu, mida opkood esindab. ISA-s levinud juhised hõlmavad matemaatilisi funktsioone, nagu liitmine, lahutamine, korrutamine ja jagamine.

Harvardi arhitektuuri kasutav tüüpiline DSP-kiip sisaldaks järgmisi komponente:

  • Programm Memory-Stores käsukomplekt ja opkoodid (ISA)
  • Andmemälu – salvestab töödeldavad väärtused
  • Compute Engine – Täidab ISA-s olevad käsud koos andmemällu salvestatud väärtustega
  • Sisend ja väljund - edastab andmeid DSP-sse ja sealt välja, kasutades jadasideprotokolle

Nüüd, kui olete tuttav DSP erinevate komponentidega, räägime tüüpilise DSP tööpõhimõttest. Siin on põhinäide, kuidas DSP töötleb sissetulevaid helisignaale:

  • Samm 1: DSP-le antakse käsk sissetuleva helisignaali töötlemiseks.
  • 2. samm: sissetuleva helisalvestise binaarsignaalid sisenevad DSP-sse selle sisend-/väljundportide kaudu.
  • 3. samm: Binaarsignaal salvestatakse andmemällu.
  • 4. samm: DSP täidab käsu, varustades arvutusmootori aritmeetilise protsessori õigete opkoodidega programmimälust ja kahendsignaaliga andmemälust.
  • 5. samm: DSP väljastab tulemuse oma sisend/väljundpordiga reaalsesse maailma.

DSP eelised üldotstarbeliste protsessorite ees

Üldotstarbelised protsessorid, nagu CPU, suudavad täita mitusada käsku ja pakkida rohkem transistore kui DSP. Need faktid võivad tõstatada küsimuse, miks on DSP-d heli jaoks eelistatud mikroprotsessorid suurema ja keerukama protsessori asemel.

Suurim põhjus, miks DSP-d teiste mikroprotsessorite ees kasutatakse, on reaalajas helitöötlus. DSP arhitektuuri lihtsus ja piiratud ISA võimaldavad DSP-l sissetulevaid digitaalsignaale usaldusväärselt töödelda. Selle funktsiooni abil saab reaalajas võrdsustamist ja filtreid rakendada reaalajas ilma puhverdamiseta.

DPS-i kuluefektiivsus on veel üks suur põhjus, miks neid kasutatakse üldotstarbeliste protsessorite asemel. Erinevalt teistest protsessoritest, mis nõuavad keerulist riistvara ja sadade käskudega ISA-sid, kasutab DSP lihtsamat riistvara ja paarikümne juhisega ISA-sid. See muudab DSP-de valmistamise lihtsamaks, odavamaks ja kiiremaks.

Lõpuks on DSP-sid lihtsam elektroonikaseadmetega integreerida. Tänu oma väiksemale transistoride arvule vajavad DSP-d palju vähem energiat ning on protsessoriga võrreldes füüsiliselt väiksemad ja kergemad. See võimaldab DSP-del mahtuda väikestesse seadmetesse (nt Bluetooth-kõrvaklappidesse), ilma et peaksite muretsema toite pärast ning lisama seadmele liiga palju kaalu ja mahtu.

DSP-d on tänapäevaste heliseadmete olulised komponendid

DSP-d on heliga seotud elektroonika olulised komponendid. Selle väikesed, kerged, kulutõhusad ja energiasäästlikud omadused võimaldavad isegi kõige väiksematel heliseadmetel pakkuda aktiivseid mürasummutusfunktsioone. Ilma DSP-deta peaksid heliseadmed tuginema üldotstarbelistele protsessoritele või isegi mahukatele elektroonikaseadmetele komponendid, mis nõuavad rohkem raha, ruumi ja võimsust, pakkudes samal ajal aeglasemat töötlemisvõimsust.