Obrada zvuka je komplicirana i kao takva, naći ćete DSP u srcu gotovo sve moderne opreme za obradu zvuka. Iako ih obični potrošači možda nisu svjesni, DSP-ovi se integriraju u sve vrste audio uređaja, uključujući mobilne telefone, slušalice, audio sučelja, miksete, zvučnike i Bluetooth slušalice.
DSP-ovi polako postaju sastavni dio svakog modernog audio proizvoda, pa što je zapravo DSP? Zašto su važni, kako funkcioniraju i kako utječu na vaše iskustvo slušanja?
Što je DSP?
DSP je akronim za digitalni procesor signala. Kao što naziv implicira, DSP je mikroprocesor posebno dizajniran za obradu audio signala. DSP je u osnovi CPU optimiziran samo za rješavanje problema obrade zvuka. I baš poput CPU-a, DSP čipovi su bitni dijelovi audio hardvera koji omogućuju digitalne audio manipulacije. DSP-ovi su postali toliko važni da vaša audio oprema vjerojatno integrira jedan ili nekoliko DSP-ova unutar svojih sklopova.
Uobičajene upotrebe DSP-a
DSP se koriste u svim vrstama svakodnevne audio elektronike. Da biste razumjeli koliko DSP-ovi utječu na vaše iskustvo slušanja, evo nekoliko DSP aplikacija koje već koristite:
- Audio ekvilajzeri (EQ): DSP se koriste za izjednačavanje svih vrsta glazbe. Izjednačavanje se koristi u studijima za snimanje za kontrolu glasnoće različitih zvučnih frekvencija. Bez ekvilizacije bilo bi vam teško slušati glazbu jer bi vokali vjerojatno zvučali slabo, instrumenti bi zvučali raspršeno, a bas bi nadjačao sve frekvencije čineći zvuk nejasnim ili blatna.
- Aktivne audio skretnice: Ove audio skretnice koriste se za odvajanje različitih audio frekvencija i njihovo dodjeljivanje različitim zvučnicima dizajniranim za određeni audio frekvencijski raspon. Audio skretnice često se koriste u stereo uređajima za automobile, sustavima surround zvuka i zvučnicima koji koriste zvučnike različitih veličina.
- 3D audio za slušalice/slušalice: Možete postići 3D zvuk koristeći skretnice zvučnika zajedno s razni sustavi surround zvuka. S diskretnim DSP-om, vaše slušalice mogu obraditi zvuk koji omogućuje iskustvo slušanja 3D zvuka bez zvučnika. DSP-ovi to mogu učiniti simuliranjem prostorne zvučne pozornice koja oponaša kako bi se zvuk kretao u 3D prostoru samo pomoću vaših slušalica.
- Aktivno uklanjanje buke (ANC): Tehnologija aktivnog poništavanja buke koristi mikrofon za snimanje niskofrekventne buke, a zatim generira zvukove suprotne frekvencijama snimljene buke. Ovaj generirani zvuk se zatim koristi za poništavanje buke iz okoliša prije nego što dopre do vaših bubnjića. ANC je moguć samo s trenutnom brzinom obrade DSP-a.
- Daleko polje govora i prepoznavanje glasa: Ova tehnologija omogućuje da vaš Google Home, Alexa i Amazon Echo pouzdano prepoznaju vaš glas. Glasovni pomoćnici koriste CPU, DSP i AI za obradu podataka i inteligentno davanje odgovora na vaše upite i naredbe.
Kako radi DSP?
Svi digitalni podaci, uključujući digitalni audio, predstavljaju se i pohranjuju kao binarni brojevi (1s i 0s). Obrada zvuka kao što su EQ i ANC zahtijeva manipulaciju ovih 1 i 0 da bi se postigli željeni rezultati. Mikroprocesor kao što je DSP je potreban za manipulaciju ovim binarnim brojevima. Iako možete koristiti i druge mikroprocesore poput CPU-a, DSP je često bolji izbor za aplikacije za obradu zvuka.
Kao i svaki mikroprocesor, DSP koristi hardversku arhitekturu i skup instrukcija.
Arhitektura hardvera diktira kako radi procesor. DSP-ovi često koriste arhitekture kao što su Von Neumann i Harvard Architecture. Ove jednostavnije hardverske arhitekture često se koriste u DSP-ovima jer su dovoljno sposobne za obradu digitalnog zvuka kada su uparene s pojednostavljenom arhitekturom skupa instrukcija (ISA).
ISA je ono što određuje koje operacije mikroprocesor može raditi. To je u osnovi popis uputa označenih kodom operacije (opcode) pohranjenim u memoriji. Kada procesor pozove određeni operativni kod, on izvršava instrukciju koju operativni kod predstavlja. Uobičajene upute unutar ISA-e uključuju matematičke funkcije poput zbrajanja, oduzimanja, množenja i dijeljenja.
Tipični DSP čip koji koristi Harvardsku arhitekturu sadržavao bi sljedeće komponente:
- Programska memorija pohranjuje skup instrukcija i operativne kodove (ISA)
- Memorija podataka - pohranjuje vrijednosti za obradu
- Compute Engine - Izvršava upute unutar ISA-e zajedno s vrijednostima pohranjenima u podatkovnoj memoriji
- Ulazni i izlazni prijenos podataka u i iz DSP-a korištenjem serijskih komunikacijskih protokola
Sada kada ste upoznati s različitim komponentama DSP-a, razgovarajmo o tome kako tipični DSP radi. Evo osnovnog primjera kako DSP obrađuje dolazne audio signale:
- Korak 1: DSP-u se daje naredba za obradu dolaznog audio signala.
- Korak 2: Binarni signali dolazne audio snimke ulaze u DSP kroz njegove ulazno/izlazne priključke.
- Korak 3: Binarni signal pohranjuje se u podatkovnu memoriju.
- Korak 4: DSP izvršava naredbu tako što aritmetičkom procesoru stroja za računanje daje odgovarajuće operativne kodove iz programske memorije i binarnog signala iz podatkovne memorije.
- Korak 5: DSP šalje rezultat svojim ulazno/izlaznim portom u stvarni svijet.
Prednosti DSP-a u odnosu na procesore opće namjene
Procesori opće namjene poput CPU-a mogu izvršiti nekoliko stotina instrukcija i spakirati više tranzistora od DSP-a. Ove činjenice mogu postaviti pitanje zašto su DSP-ovi preferirani mikroprocesori za audio umjesto većih i složenijih CPU-a.
Najveći razlog zašto se DSP koristi u odnosu na druge mikroprocesore je obrada zvuka u stvarnom vremenu. Jednostavnost arhitekture DSP-a i ograničeni ISA omogućuju DSP-u pouzdanu obradu dolaznih digitalnih signala. Uz ovu značajku, audio izvedbe uživo mogu imati ekvilizaciju i filtre primijenjene u stvarnom vremenu bez spremanja u međuspremnik.
Troškovna učinkovitost DPS-a još je jedan veliki razlog zašto se koriste umjesto procesora opće namjene. Za razliku od drugih procesora koji zahtijevaju složeni hardver i ISA sa stotinama instrukcija, DSP koristi jednostavniji hardver i ISA s nekoliko desetaka instrukcija. To čini DSP lakšim, jeftinijim i bržim za proizvodnju.
Na kraju, DSP-ove je lakše integrirati s elektroničkim uređajima. Zbog manjeg broja tranzistora, DSP-ovi zahtijevaju mnogo manje energije i fizički su manji i lakši u usporedbi s CPU-om. To omogućuje DSP-ovima da stanu u male uređaje kao što su Bluetooth slušalice bez brige o napajanju i dodavanju prevelike težine i mase uređaju.
DSP su važne komponente u modernim audio uređajima
DSP su važne komponente audio-elektronike. Njegova mala, lagana, ekonomična, energetski učinkovita svojstva omogućuju čak i najmanjim audio uređajima da ponude značajke aktivnog uklanjanja buke. Bez DSP-a, audio uređaji bi se morali oslanjati na procesore opće namjene ili čak glomaznu elektroniku komponente koje zahtijevaju više novca, prostora i snage, a istodobno pružaju sporiju procesorsku snagu.
