L'elaborazione audio è complicata e, in quanto tale, troverai un DSP al centro di quasi tutte le moderne apparecchiature di elaborazione audio. Sebbene i consumatori normali potrebbero non esserne a conoscenza, i DSP si integrano in tutti i tipi di dispositivi audio, inclusi telefoni cellulari, cuffie, interfacce audio, mixer, altoparlanti e auricolari Bluetooth.
I DSP stanno lentamente diventando un punto fermo di ogni prodotto audio moderno, quindi cos'è esattamente un DSP? Perché sono importanti, come funzionano e come influiscono sulla tua esperienza di ascolto?
Che cos'è un DSP?
DSP è l'acronimo di Digital Signal Processor. Come suggerisce il nome, un DSP è un microprocessore progettato specificamente per l'elaborazione del segnale audio. Un DSP è fondamentalmente una CPU ottimizzata solo per risolvere problemi di elaborazione audio. E proprio come una CPU, i chip DSP sono componenti essenziali dell'hardware audio che rendono possibili le manipolazioni dell'audio digitale. I DSP sono diventati così importanti che è probabile che la tua attrezzatura audio integri uno o più DSP all'interno dei loro circuiti.
Usi comuni del DSP
I DSP sono utilizzati in tutti i tipi di elettronica audio quotidiana. Per capire l'impatto dei DSP sulla tua esperienza di ascolto, ecco alcune applicazioni DSP che stai già utilizzando:
- Equalizzatori audio (EQ): I DSP vengono utilizzati per equalizzare tutti i tipi di musica. L'equalizzazione viene utilizzata negli studi di registrazione per controllare il volume di diverse frequenze sonore. Senza equalizzazione, sarebbe difficile ascoltare la musica poiché la voce probabilmente suonerebbe debole, gli strumenti suonerebbero dispersi e i bassi avrebbero la meglio su tutte le frequenze rendendo l'audio poco chiaro o fangoso.
- Crossover audio attivi: Questi crossover audio vengono utilizzati per separare diverse frequenze audio e assegnarle a diversi altoparlanti progettati per la specifica gamma di frequenze audio. I crossover audio sono spesso utilizzati negli impianti stereo delle auto, nei sistemi audio surround e negli altoparlanti che utilizzano driver per altoparlanti di dimensioni diverse.
- Audio 3D per cuffie/auricolari: È possibile ottenere l'audio 3D utilizzando crossover degli altoparlanti insieme a vari sistemi audio surround. Con un DSP discreto, le cuffie e gli auricolari possono elaborare l'audio che consente un'esperienza di ascolto del suono 3D senza altoparlanti. I DSP possono farlo simulando un palcoscenico sonoro spaziale che imita il modo in cui il suono si muoverebbe nello spazio 3D semplicemente usando le cuffie.
- Cancellazione attiva del rumore (ANC): La tecnologia di cancellazione attiva del rumore utilizza un microfono per registrare il rumore a bassa frequenza, quindi genera suoni opposti alle frequenze del rumore registrate. Questo suono generato viene quindi utilizzato per annullare il rumore ambientale prima che raggiunga i timpani. L'ANC è possibile solo con la velocità di elaborazione istantanea di un DSP.
- Discorso in campo lontano e riconoscimento vocale: questa tecnologia consente a Google Home, Alexa e Amazon Echo di riconoscere la tua voce in modo affidabile. Gli assistenti vocali utilizzano CPU, DSP e AI per elaborare i dati e fornire risposte intelligenti alle tue domande e ai tuoi comandi.
Come funziona un DSP?
Tutti i dati digitali, compreso l'audio digitale, sono rappresentati e archiviati come numeri binari (1s e 0s). L'elaborazione audio come EQ e ANC richiede la manipolazione di questi 1 e 0 per ottenere i risultati desiderati. Per manipolare questi numeri binari è necessario un microprocessore come un DSP. Sebbene sia possibile utilizzare anche altri microprocessori come una CPU, un DSP è spesso la scelta migliore per le applicazioni di elaborazione audio.
Come ogni microprocessore, un DSP utilizza un'architettura hardware e un set di istruzioni.
L'architettura hardware lo impone come funziona un processore. I DSP utilizzano spesso architetture come Von Neumann e Harvard Architecture. Queste architetture hardware più semplici sono spesso utilizzate nei DSP in quanto sono sufficientemente in grado di eseguire l'elaborazione dell'audio digitale se abbinate a un'architettura del set di istruzioni (ISA) semplificata.
Un ISA è ciò che determina quali operazioni può eseguire un microprocessore. È fondamentalmente un elenco di istruzioni contrassegnate da un codice operativo (codice operativo) memorizzato. Quando il processore richiede un codice operativo specifico, esegue l'istruzione rappresentata dal codice operativo. L'istruzione comune all'interno dell'ISA include funzioni matematiche come addizione, sottrazione, moltiplicazione e divisione.
Un tipico chip DSP che utilizza l'architettura di Harvard conterrebbe i seguenti componenti:
- Program Memory-Stores set di istruzioni e codici operativi (ISA)
- Memoria dati-Memorizza i valori da elaborare
- Compute Engine: esegue le istruzioni all'interno dell'ISA insieme ai valori archiviati nella memoria dati
- Input e Output-Relè dati in entrata e in uscita dal DSP utilizzando protocolli di comunicazione seriale
Ora che hai familiarità con i diversi componenti di un DSP, parliamo di come funziona un tipico DSP. Ecco un esempio di base di come un DSP elabora i segnali audio in ingresso:
- Passo 1: Viene dato un comando al DSP per elaborare il segnale audio in ingresso.
- Passo 2: I segnali binari della registrazione audio in ingresso entrano nel DSP attraverso le sue porte di ingresso/uscita.
- Passaggio 3: Il segnale binario è memorizzato nella memoria dati.
- Passaggio 4: Il DSP esegue il comando alimentando il processore aritmetico del motore di calcolo con i codici operativi appropriati dalla memoria del programma e il segnale binario dalla memoria dei dati.
- Passaggio 5: Il DSP trasmette il risultato con la sua porta Input/Output al mondo reale.
Vantaggi del DSP rispetto ai processori generici
I processori generici come la CPU possono eseguire diverse centinaia di istruzioni e impacchettare più transistor di un DSP. Questi fatti possono sollevare la questione del perché i DSP siano i microprocessori preferiti per l'audio invece delle CPU più grandi e complesse.
Il motivo principale per cui il DSP viene utilizzato su altri microprocessori è l'elaborazione audio in tempo reale. La semplicità dell'architettura di un DSP e l'ISA limitato consentono a un DSP di elaborare i segnali digitali in ingresso in modo affidabile. Con questa funzione, le performance audio dal vivo possono avere equalizzazione e filtri applicati in tempo reale senza buffering.
L'economicità di un DPS è un altro grande motivo per cui vengono utilizzati rispetto a processori generici. A differenza di altri processori che richiedono hardware complesso e ISA con centinaia di istruzioni, un DSP utilizza hardware e ISA più semplici con un paio di dozzine di istruzioni. Ciò rende i DSP più facili, economici e veloci da produrre.
Infine, i DSP sono più facili da integrare con i dispositivi elettronici. A causa del minor numero di transistor, i DSP richiedono molta meno energia e sono fisicamente più piccoli e leggeri rispetto a una CPU. Ciò consente ai DSP di adattarsi all'interno di piccoli dispositivi come gli auricolari Bluetooth senza preoccuparsi dell'alimentazione e aggiungere troppo peso e ingombro al dispositivo.
I DSP sono componenti importanti nei moderni dispositivi audio
I DSP sono componenti importanti dell'elettronica relativa all'audio. Le sue proprietà piccole, leggere, economiche ed efficienti dal punto di vista energetico consentono anche ai più piccoli dispositivi audio di offrire funzionalità di cancellazione attiva del rumore. Senza DSP, i dispositivi audio dovrebbero fare affidamento su processori generici o persino su dispositivi elettronici ingombranti componenti che richiedono più denaro, spazio e potenza, fornendo al contempo una potenza di elaborazione più lenta.
