Zpracování zvuku je složité a jako takové najdete DSP v srdci téměř všech moderních zařízení pro zpracování zvuku. Ačkoli si o nich běžní spotřebitelé nemusí být vědomi, DSP se integrují do všech druhů audio zařízení, včetně mobilních telefonů, sluchátek, audio rozhraní, mixážních pultů, reproduktorů a Bluetooth sluchátek.

DSP se pomalu stávají základem každého moderního audio produktu, takže co to vlastně DSP je? Proč jsou důležité, jak fungují a jak ovlivňují váš zážitek z poslechu?

Co je DSP?

DSP je zkratka pro Digital Signal Processor. Jak název napovídá, DSP je mikroprocesor speciálně navržený pro zpracování audio signálu. DSP je v podstatě procesor optimalizovaný pouze pro řešení problémů se zpracováním zvuku. A stejně jako CPU jsou čipy DSP nezbytnými součástmi zvukového hardwaru, které umožňují manipulaci s digitálním zvukem. DSP se staly tak důležitými, že vaše audio zařízení pravděpodobně integruje jeden nebo několik DSP do svých obvodů.

Běžná použití DSP

DSP se používají ve všech druzích každodenní audio elektroniky. Abyste pochopili, jaký vliv mají DSP na váš zážitek z poslechu, zde je několik aplikací DSP, které již používáte:

  • Zvukové ekvalizéry (EQ): DSP se používají k vyrovnání všech druhů hudby. Ekvalizace se používá v nahrávacích studiích k ovládání hlasitosti různých zvukových frekvencí. Bez ekvalizace by bylo těžké poslouchat hudbu, protože vokály by pravděpodobně zněly slabě, nástroje by zněly rozptýleně a basy by přehlušily všechny frekvence, čímž by byl zvuk nejasný nebo blátivé.
  • Aktivní zvukové výhybky: Tyto zvukové výhybky se používají k oddělení různých zvukových frekvencí a jejich přiřazení k různým reproduktorům navrženým pro konkrétní rozsah zvukových frekvencí. Zvukové výhybky se často používají v autorádií, systémech prostorového zvuku a reproduktorech, které využívají reproduktory různých velikostí.
  • 3D zvuk pro sluchátka/sluchátka: Pomocí 3D zvuku můžete dosáhnout výhybky reproduktorů spolu s různé systémy prostorového zvuku. S diskrétním DSP mohou vaše sluchátka zpracovávat zvuk, který umožňuje poslech 3D zvuku bez reproduktorů. DSP to dokážou simulací prostorového zvukového jeviště, které napodobuje pohyb zvuku ve 3D prostoru pouze pomocí sluchátek.
  • Aktivní potlačení hluku (ANC): Technologie aktivního potlačení hluku používá mikrofon k záznamu nízkofrekvenčního šumu a poté generuje zvuky opačné k zaznamenaným frekvencím hluku. Takto generovaný zvuk se pak používá k potlačení okolního hluku předtím, než se dostane k vašim ušním bubínkům. ANC je možné pouze s okamžitou rychlostí zpracování DSP.
  • Rozpoznávání řeči a hlasu ve vzdáleném poli: Tato technologie umožňuje zařízení Google Home, Alexa a Amazon Echo spolehlivě rozpoznat váš hlas. Hlasoví asistenti využívají CPU, DSP a AI ke zpracování dat a inteligentně odpovídají na vaše dotazy a příkazy.

Jak funguje DSP?

Obrazový kredit: Ginoweb/Wikimedia Commons

Všechna digitální data, včetně digitálního zvuku, jsou reprezentována a uložena jako binární čísla (1s a 0s). Zpracování zvuku, jako je EQ a ANC, vyžaduje manipulaci s těmito jedničkami a nulami, aby bylo dosaženo požadovaných výsledků. K manipulaci s těmito binárními čísly je zapotřebí mikroprocesor, jako je DSP. Ačkoli můžete použít i jiné mikroprocesory, jako je CPU, DSP je často lepší volbou pro aplikace zpracování zvuku.

Jako každý mikroprocesor používá DSP hardwarovou architekturu a instrukční sadu.

Hardwarová architektura diktuje jak procesor funguje. DSP často používají architektury jako Von Neumann a Harvard Architecture. Tyto jednodušší hardwarové architektury se často používají v DSP, protože jsou dostatečně schopné provádět digitální zpracování zvuku, když jsou spárovány se zjednodušenou architekturou Instruction Set Architecture (ISA).

ISA je to, co určuje, jaké operace může mikroprocesor provádět. Jde v podstatě o seznam instrukcí označených operačním kódem (operačním kódem) uloženým v paměti. Když procesor zavolá konkrétní operační kód, provede instrukci, kterou operační kód představuje. Běžná instrukce v rámci ISA zahrnuje matematické funkce jako sčítání, odčítání, násobení a dělení.

Typický DSP čip využívající Harvard Architecture by obsahoval následující komponenty:

  • Instrukční sada a operační kódy Program Memory-Store (ISA)
  • Datová paměť – Uchovává hodnoty, které mají být zpracovány
  • Compute Engine - Provádí instrukce v rámci ISA spolu s hodnotami uloženými v datové paměti
  • Vstupní a výstupní reléová data do az DSP pomocí sériových komunikačních protokolů

Nyní, když jste obeznámeni s různými součástmi DSP, pojďme si promluvit o tom, jak funguje typický DSP. Zde je základní příklad toho, jak DSP zpracovává příchozí audio signály:

  • Krok 1: DSP je dán příkaz ke zpracování příchozího audio signálu.
  • Krok 2: Binární signály příchozího audio záznamu vstupují do DSP přes jeho vstupní/výstupní porty.
  • Krok 3: Binární signál je uložen v paměti dat.
  • Krok 4: DSP vykonává příkaz tím, že dodává do aritmetického procesoru výpočetního stroje správné operační kódy z programové paměti a binární signál z datové paměti.
  • Krok 5: DSP přenáší výsledek pomocí svého Input/Output portu do skutečného světa.

Výhody DSP oproti univerzálním procesorům

Univerzální procesory, jako je CPU, mohou provádět několik stovek instrukcí a zabalit více tranzistorů než DSP. Tato fakta mohou vyvolat otázku, proč jsou DSP preferovanými mikroprocesory pro audio namísto většího a složitějšího CPU.

Největší důvod, proč se DSP používá oproti jiným mikroprocesorům, je zpracování zvuku v reálném čase. Jednoduchost architektury DSP a omezené ISA umožňuje DSP zpracovávat příchozí digitální signály spolehlivě. Díky této funkci může mít živé audio vystoupení ekvalizaci a filtry aplikované v reálném čase bez ukládání do vyrovnávací paměti.

Cenová efektivita DPS je dalším velkým důvodem, proč se používají oproti procesorům pro všeobecné použití. Na rozdíl od jiných procesorů, které vyžadují složitý hardware a ISA se stovkami instrukcí, DSP používá jednodušší hardware a ISA s několika desítkami instrukcí. Díky tomu je výroba DSP jednodušší, levnější a rychlejší.

A konečně, DSP se snadněji integrují s elektronickými zařízeními. Kvůli jejich nižšímu počtu tranzistorů vyžadují DSP mnohem méně energie a jsou fyzicky menší a lehčí ve srovnání s CPU. To umožňuje, aby se DSP vešly do malých zařízení, jako jsou sluchátka Bluetooth, aniž by se museli starat o napájení a přidávat příliš velkou váhu a objem zařízení.

DSP jsou důležité součásti moderních audio zařízení

DSP jsou důležité součásti elektroniky související se zvukem. Jeho malé, lehké, cenově výhodné a energeticky účinné vlastnosti umožňují i ​​těm nejmenším audio zařízením nabízet funkce aktivního potlačení hluku. Bez DSP by se audio zařízení musela spoléhat na univerzální procesory nebo dokonce objemnou elektroniku komponenty, které vyžadují více peněz, prostoru a energie, a přitom poskytují pomalejší výpočetní výkon.