Audioverwerking is ingewikkeld en als zodanig vindt u een DSP in het hart van bijna alle moderne audioverwerkingsapparatuur. Hoewel gewone consumenten ze misschien niet kennen, kunnen DSP's worden geïntegreerd in allerlei soorten audioapparaten, waaronder mobiele telefoons, hoofdtelefoons, audio-interfaces, mixers, luidsprekers en Bluetooth-oortelefoons.
DSP's worden langzaam een hoofdbestanddeel van elk modern audioproduct, dus wat is een DSP precies? Waarom zijn ze belangrijk, hoe werken ze en hoe beïnvloeden ze uw luisterervaring?
Wat is een DSP?
DSP is een acroniem voor Digital Signal Processor. Zoals de naam al aangeeft, is een DSP een microprocessor die speciaal is ontworpen voor de verwerking van audiosignalen. Een DSP is in feite een CPU die alleen is geoptimaliseerd om audioverwerkingsproblemen op te lossen. En net als een CPU zijn DSP-chips essentiële stukjes audiohardware die digitale audiomanipulaties mogelijk maken. DSP's zijn zo belangrijk geworden dat uw audioapparatuur waarschijnlijk een of enkele DSP's in hun circuits integreert.
Veelvoorkomend DSP-gebruik
DSP's worden gebruikt in allerlei dagelijkse audio-elektronica. Om te begrijpen hoe belangrijk DSP's zijn voor uw luisterervaring, volgen hier een paar DSP-toepassingen die u al gebruikt:
- Audio-equalizers (EQ): DSP's worden gebruikt om alle soorten muziek gelijk te maken. Equalization wordt gebruikt in opnamestudio's om het volume van verschillende geluidsfrequenties te regelen. Zonder egalisatie zou je het moeilijk vinden om naar muziek te luisteren, omdat de zang waarschijnlijk zwak zou klinken, instrumenten zouden verstrooid klinken en bas zou alle frequenties overweldigen, waardoor de audio onduidelijk wordt of modderig.
- Actieve audio-crossovers: Deze audio-crossovers worden gebruikt om verschillende audiofrequenties te scheiden en toe te wijzen aan verschillende luidsprekers die zijn ontworpen voor het specifieke audiofrequentiebereik. Audio-crossovers worden vaak gebruikt in autoradio's, surround sound-systemen en luidsprekers die gebruik maken van luidsprekerdrivers van verschillende afmetingen.
- Hoofdtelefoon/oortelefoon 3D-audio: U kunt 3D-audio bereiken met luidspreker crossovers samen met verschillende surround sound-systemen. Met een discrete DSP kunnen uw hoofdtelefoons en oortelefoons audio verwerken die een luisterervaring met 3D-geluid mogelijk maakt zonder luidsprekers. DSP's kunnen dit doen door een ruimtelijk geluidsbeeld te simuleren dat nabootst hoe geluid in de 3D-ruimte zou bewegen, gewoon door uw hoofdtelefoon te gebruiken.
- Actieve ruisonderdrukking (ANC): Actieve ruisonderdrukkingstechnologie gebruikt een microfoon om laagfrequente ruis op te nemen en genereert vervolgens geluiden die tegengesteld zijn aan de opgenomen ruisfrequenties. Dit gegenereerde geluid wordt vervolgens gebruikt om omgevingsgeluid te onderdrukken voordat het uw trommelvliezen bereikt. ANC is alleen mogelijk met de onmiddellijke verwerkingssnelheid van een DSP.
- Far Field-spraak- en spraakherkenning: Deze technologie maakt het voor je Google Home, Alexa en Amazon Echo mogelijk om je stem betrouwbaar te herkennen. Spraakassistenten maken gebruik van CPU, DSP en AI om gegevens te verwerken en intelligent antwoord te geven op uw vragen en opdrachten.
Hoe werkt een DSP?
Alle digitale gegevens, inclusief digitale audio, worden weergegeven en opgeslagen als binaire getallen (1s en 0s). Audioverwerking zoals EQ en ANC vereist de manipulatie van deze enen en nullen om de gewenste resultaten te bereiken. Een microprocessor zoals een DSP is nodig om deze binaire getallen te manipuleren. Hoewel je ook andere microprocessors zoals een CPU zou kunnen gebruiken, is een DSP vaak de betere keuze voor audioverwerkingstoepassingen.
Zoals elke microprocessor gebruikt een DSP een hardware-architectuur en een instructieset.
Hardware-architectuur dicteert hoe een processor werkt. DSP's gebruiken vaak architecturen zoals Von Neumann en Harvard Architecture. Deze eenvoudigere hardware-architecturen worden vaak gebruikt in DSP's omdat ze in staat zijn om digitale audioverwerking uit te voeren wanneer ze worden gecombineerd met een gestroomlijnde Instruction Set Architecture (ISA).
Een ISA bepaalt welke bewerkingen een microprocessor kan uitvoeren. Het is in feite een lijst met instructies die zijn getagd door een bewerkingscode (opcode) die in het geheugen is opgeslagen. Wanneer de processor om een specifieke opcode vraagt, voert deze de instructie uit die de opcode vertegenwoordigt. Gemeenschappelijke instructie binnen de ISA omvat wiskundige functies zoals optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen.
Een typische DSP-chip die gebruikmaakt van Harvard Architecture zou de volgende componenten bevatten:
- Program Memory-Stores instructieset en opcodes (ISA)
- Gegevensgeheugen - Slaat de waarden op die moeten worden verwerkt
- Compute Engine: voert de instructies binnen de ISA uit samen met de waarden die zijn opgeslagen in het gegevensgeheugen
- Input en output-relais data in en uit de DSP met behulp van seriële communicatieprotocollen
Nu u bekend bent met de verschillende componenten van een DSP, gaan we het hebben over hoe een typische DSP werkt. Hier is een eenvoudig voorbeeld van hoe een DSP inkomende audiosignalen verwerkt:
- Stap 1: Aan de DSP wordt een opdracht gegeven om het binnenkomende audiosignaal te verwerken.
- Stap 2: De binaire signalen van de binnenkomende audio-opname komen de DSP binnen via de invoer-/uitvoerpoorten.
- Stap 3: Het binaire signaal wordt opgeslagen in het datageheugen.
- Stap 4: De DSP voert de opdracht uit door de rekenkundige processor van de rekenmachine te voeden met de juiste opcodes uit het programmageheugen en het binaire signaal uit het datageheugen.
- Stap 5: De DSP voert het resultaat uit met zijn Input/Output-poort naar de echte wereld.
Voordelen van DSP ten opzichte van processors voor algemene doeleinden
Processors voor algemene doeleinden, zoals de CPU, kunnen honderden instructies uitvoeren en meer transistors verpakken dan een DSP. Deze feiten kunnen de vraag doen rijzen waarom DSP's de voorkeursmicroprocessors voor audio zijn in plaats van de grotere en complexere CPU.
De belangrijkste reden waarom DSP wordt gebruikt in plaats van andere microprocessors, is realtime audioverwerking. Door de eenvoud van de architectuur van een DSP en de beperkte ISA kan een DSP inkomende digitale signalen betrouwbaar verwerken. Met deze functie kunnen live audio-optredens egalisatie en filters in realtime toepassen zonder buffering.
De kosteneffectiviteit van een DPS is een andere belangrijke reden dat ze worden gebruikt in plaats van processors voor algemene doeleinden. In tegenstelling tot andere processors die complexe hardware en ISA's met honderden instructies nodig hebben, gebruikt een DSP eenvoudiger hardware en ISA's met een paar dozijn instructies. Dit maakt DSP's eenvoudiger, goedkoper en sneller te produceren.
Ten slotte zijn DSP's gemakkelijker te integreren met elektronische apparaten. Vanwege hun lagere aantal transistors hebben DSP's veel minder stroom nodig en zijn ze fysiek kleiner en lichter in vergelijking met een CPU. Hierdoor passen DSP's in kleine apparaten zoals Bluetooth-oortelefoons zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over stroom en te veel gewicht en massa aan het apparaat toevoegt.
DSP's zijn belangrijke componenten in moderne audioapparaten
DSP's zijn belangrijke componenten van audiogerelateerde elektronica. Dankzij de kleine, lichtgewicht, kosteneffectieve en energiezuinige eigenschappen kunnen zelfs de kleinste audioapparaten actieve ruisonderdrukkingsfuncties bieden. Zonder DSP's zouden audioapparaten moeten vertrouwen op processors voor algemene doeleinden of zelfs omvangrijke elektronische apparaten componenten die meer geld, ruimte en kracht nodig hebben, terwijl ze tegelijkertijd langzamere verwerkingskracht bieden.
