Η επεξεργασία ήχου είναι περίπλοκη και ως εκ τούτου, θα βρείτε ένα DSP στην καρδιά σχεδόν όλου του σύγχρονου εξοπλισμού επεξεργασίας ήχου. Αν και οι τακτικοί καταναλωτές μπορεί να μην τα γνωρίζουν, τα DSP ενσωματώνονται σε όλα τα είδη συσκευών ήχου, όπως κινητά τηλέφωνα, ακουστικά, διεπαφές ήχου, μίκτες, ηχεία και ακουστικά Bluetooth.
Τα DSP γίνονται σιγά σιγά βασικό στοιχείο κάθε σύγχρονου προϊόντος ήχου, οπότε τι ακριβώς είναι το DSP; Γιατί είναι σημαντικά, πώς λειτουργούν και πώς επηρεάζουν την ακουστική σας εμπειρία;
Τι είναι το DSP;
Το DSP είναι ένα αρκτικόλεξο του Digital Signal Processor. Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένας DSP είναι ένας μικροεπεξεργαστής ειδικά σχεδιασμένος για επεξεργασία σήματος ήχου. Ένα DSP είναι βασικά μια CPU βελτιστοποιημένη μόνο για την επίλυση προβλημάτων επεξεργασίας ήχου. Και ακριβώς όπως μια CPU, τα τσιπ DSP είναι απαραίτητα κομμάτια υλικού ήχου που καθιστούν δυνατούς χειρισμούς ψηφιακού ήχου. Τα DSP έχουν γίνει τόσο σημαντικά που ο ηχητικός εξοπλισμός σας είναι πιθανό να ενσωματώνει ένα ή μερικά DSP στο κύκλωμά του.
Συνήθεις χρήσεις DSP
Τα DSP χρησιμοποιούνται σε όλα τα είδη καθημερινών ηλεκτρονικών ήχου. Για να κατανοήσετε πόσο επηρεάζουν τα DSP στην εμπειρία ακρόασης, ακολουθούν μερικές εφαρμογές DSP που χρησιμοποιείτε ήδη:
- Ισοσταθμιστές ήχου (EQ): Τα DSP χρησιμοποιούνται για την εξίσωση όλων των ειδών μουσικής. Η εξίσωση χρησιμοποιείται σε στούντιο ηχογράφησης για τον έλεγχο της έντασης των διαφορετικών συχνοτήτων ήχου. Χωρίς ισοστάθμιση, θα ήταν δύσκολο να ακούσετε μουσική καθώς τα φωνητικά θα ακούγονταν πιθανότατα αδύναμα, τα όργανα θα ακούγονταν διάσπαρτα και τα μπάσα θα υπερίσχυαν όλες τις συχνότητες κάνοντας τον ήχο ασαφή ή λασπωμένος.
- Active Audio Crossovers: Αυτά τα crossover ήχου χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό διαφορετικών συχνοτήτων ήχου και την αντιστοίχιση τους σε διαφορετικά ηχεία σχεδιασμένα για το συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων ήχου. Τα crossover ήχου χρησιμοποιούνται συχνά σε στερεοφωνικά αυτοκινήτων, συστήματα ήχου surround και ηχεία που χρησιμοποιούν προγράμματα οδήγησης ηχείων διαφορετικού μεγέθους.
- Ακουστικά/Ακουστικά 3D Ήχος: Μπορείτε να επιτύχετε ήχο 3D χρησιμοποιώντας crossover ηχείων μαζί με διάφορα συστήματα ήχου surround. Με ένα διακριτικό DSP, τα ακουστικά και τα ακουστικά σας μπορούν να επεξεργάζονται ήχο που επιτρέπει μια εμπειρία ακρόασης τρισδιάστατου ήχου χωρίς ηχεία. Οι DSP μπορούν να το κάνουν αυτό προσομοιώνοντας ένα στάδιο χωρικού ήχου που μιμείται τον τρόπο με τον οποίο θα κινούνταν ο ήχος στον τρισδιάστατο χώρο χρησιμοποιώντας απλώς τα ακουστικά σας.
- Ενεργή ακύρωση θορύβου (ANC): Η τεχνολογία ενεργού ακύρωσης θορύβου χρησιμοποιεί ένα μικρόφωνο για την εγγραφή θορύβου χαμηλής συχνότητας και, στη συνέχεια, παράγει ήχους αντίθετους από τις εγγεγραμμένες συχνότητες θορύβου. Αυτός ο παραγόμενος ήχος χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να ακυρώσει τον περιβαλλοντικό θόρυβο πριν φτάσει στα τύμπανα των αυτιών σας. Το ANC είναι δυνατό μόνο με τη στιγμιαία ταχύτητα επεξεργασίας ενός DSP.
- Αναγνώριση ομιλίας και φωνής Μακρινού Πεδίου: Αυτή η τεχνολογία δίνει τη δυνατότητα στο Google Home, την Alexa και το Amazon Echo να αναγνωρίζουν αξιόπιστα τη φωνή σας. Οι βοηθοί φωνής χρησιμοποιούν CPU, DSP και AI για να επεξεργάζονται δεδομένα και να δίνουν έξυπνα απαντήσεις στα ερωτήματα και τις εντολές σας.
Πώς λειτουργεί ένα DSP;
Όλα τα ψηφιακά δεδομένα, συμπεριλαμβανομένου του ψηφιακού ήχου, αντιπροσωπεύονται και αποθηκεύονται ως δυαδικοί αριθμοί (1 και 0). Η επεξεργασία ήχου όπως το EQ και το ANC απαιτεί τον χειρισμό αυτών των 1 και 0 για να επιτευχθούν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Ένας μικροεπεξεργαστής όπως ένας DSP απαιτείται για να χειριστεί αυτούς τους δυαδικούς αριθμούς. Παρόλο που θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε και άλλους μικροεπεξεργαστές όπως μια CPU, ένα DSP είναι συχνά η καλύτερη επιλογή για εφαρμογές επεξεργασίας ήχου.
Όπως κάθε μικροεπεξεργαστής, ένας DSP χρησιμοποιεί μια αρχιτεκτονική υλικού και ένα σύνολο εντολών.
Η αρχιτεκτονική υλικού υπαγορεύει πώς λειτουργεί ένας επεξεργαστής. Τα DSP χρησιμοποιούν συχνά αρχιτεκτονικές όπως το Von Neumann και το Harvard Architecture. Αυτές οι απλούστερες αρχιτεκτονικές υλικού χρησιμοποιούνται συχνά σε DSP, καθώς είναι αρκετά ικανές να κάνουν ψηφιακή επεξεργασία ήχου όταν συνδυάζονται με μια βελτιωμένη αρχιτεκτονική συνόλου εντολών (ISA).
Το ISA είναι αυτό που καθορίζει ποιες λειτουργίες μπορεί να κάνει ένας μικροεπεξεργαστής. Είναι βασικά μια λίστα οδηγιών που επισημαίνονται από έναν κωδικό λειτουργίας (opcode) που είναι αποθηκευμένος στη μνήμη. Όταν ο επεξεργαστής καλεί έναν συγκεκριμένο κωδικό λειτουργίας, εκτελεί την εντολή που αντιπροσωπεύει ο κωδικός λειτουργίας. Η κοινή οδηγία στο ISA περιλαμβάνει μαθηματικές συναρτήσεις όπως πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμό και διαίρεση.
Ένα τυπικό τσιπ DSP που χρησιμοποιεί το Harvard Architecture θα περιέχει τα ακόλουθα στοιχεία:
- Program Memory-Stores instruction set and opcodes (ISA)
- Μνήμη δεδομένων-Αποθηκεύει τις προς επεξεργασία τιμές
- Compute Engine-Εκτελεί τις εντολές εντός του ISA μαζί με τις τιμές που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη δεδομένων
- Εισαγωγή και έξοδος-Μεταδίδει δεδομένα μέσα και έξω από το DSP χρησιμοποιώντας σειριακά πρωτόκολλα επικοινωνίας
Τώρα που είστε εξοικειωμένοι με τα διάφορα στοιχεία ενός DSP, ας μιλήσουμε για το πώς λειτουργεί ένα τυπικό DSP. Ακολουθεί ένα βασικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο ένα DSP επεξεργάζεται τα εισερχόμενα σήματα ήχου:
- Βήμα 1: Δίνεται εντολή στο DSP να επεξεργαστεί το εισερχόμενο ηχητικό σήμα.
- Βήμα 2: Τα δυαδικά σήματα της εισερχόμενης εγγραφής ήχου εισέρχονται στο DSP μέσω των θυρών εισόδου/εξόδου του.
- Βήμα 3: Το δυαδικό σήμα αποθηκεύεται στη μνήμη δεδομένων.
- Βήμα 4: Το DSP εκτελεί την εντολή τροφοδοτώντας τον αριθμητικό επεξεργαστή της υπολογιστικής μηχανής με τους κατάλληλους κωδικούς από τη μνήμη προγράμματος και το δυαδικό σήμα από τη μνήμη δεδομένων.
- Βήμα 5: Το DSP εξάγει το αποτέλεσμα με τη θύρα εισόδου/εξόδου του στον πραγματικό κόσμο.
Πλεονεκτήματα του DSP έναντι των επεξεργαστών γενικής χρήσης
Οι επεξεργαστές γενικής χρήσης όπως η CPU μπορούν να εκτελέσουν αρκετές εκατοντάδες εντολές και να συσκευάσουν περισσότερα τρανζίστορ από ένα DSP. Αυτά τα γεγονότα μπορεί να εγείρουν το ερώτημα γιατί οι DSP είναι οι προτιμώμενοι μικροεπεξεργαστές για ήχο αντί για τη μεγαλύτερη και πιο περίπλοκη CPU.
Ο μεγαλύτερος λόγος που το DSP χρησιμοποιείται έναντι άλλων μικροεπεξεργαστών είναι η επεξεργασία ήχου σε πραγματικό χρόνο. Η απλότητα της αρχιτεκτονικής ενός DSP και ο περιορισμένος ISA επιτρέπουν σε ένα DSP να επεξεργάζεται τα εισερχόμενα ψηφιακά σήματα αξιόπιστα. Με αυτήν τη δυνατότητα, οι ζωντανές ηχητικές παραστάσεις μπορούν να έχουν εξισορρόπηση και εφαρμογή φίλτρων σε πραγματικό χρόνο χωρίς αποθήκευση στην προσωρινή μνήμη.
Η σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας ενός DPS είναι ένας άλλος μεγάλος λόγος που χρησιμοποιούνται σε επεξεργαστές γενικής χρήσης. Σε αντίθεση με άλλους επεξεργαστές που απαιτούν πολύπλοκο υλικό και ISA με εκατοντάδες οδηγίες, ένα DSP χρησιμοποιεί απλούστερο υλικό και ISA με μερικές ντουζίνες οδηγίες. Αυτό καθιστά τα DSP ευκολότερα, φθηνότερα και ταχύτερα στην κατασκευή.
Τέλος, τα DSP ενσωματώνονται ευκολότερα με ηλεκτρονικές συσκευές. Λόγω του χαμηλότερου αριθμού τρανζίστορ τους, τα DSP απαιτούν πολύ λιγότερη ισχύ και είναι φυσικά μικρότερα και ελαφρύτερα σε σύγκριση με μια CPU. Αυτό επιτρέπει στα DSP να χωρούν μέσα σε μικρές συσκευές, όπως ακουστικά Bluetooth, χωρίς να ανησυχείτε για την τροφοδοσία και προσθέτοντας υπερβολικό βάρος και όγκο στη συσκευή.
Τα DSP είναι σημαντικά στοιχεία στις σύγχρονες συσκευές ήχου
Τα DSP είναι σημαντικά συστατικά των ηλεκτρονικών που σχετίζονται με τον ήχο. Οι μικρές, ελαφριές, οικονομικές, ενεργειακά αποδοτικές ιδιότητές του επιτρέπουν ακόμη και στις μικρότερες συσκευές ήχου να προσφέρουν λειτουργίες ενεργούς ακύρωσης θορύβου. Χωρίς DSP, οι συσκευές ήχου θα έπρεπε να βασίζονται σε επεξεργαστές γενικής χρήσης ή ακόμα και σε ογκώδεις ηλεκτρονικούς εξαρτήματα που απαιτούν περισσότερα χρήματα, χώρο και ισχύ, παρέχοντας ταυτόχρονα πιο αργή ισχύ επεξεργασίας.