معالجة الصوت معقدة ، وعلى هذا النحو ، ستجد DSP في قلب كل معدات معالجة الصوت الحديثة تقريبًا. على الرغم من أن المستهلكين العاديين قد لا يكونوا على دراية بها ، إلا أن مزودي خدمة الإشارة الرقمية يندمجون في جميع أنواع الأجهزة الصوتية ، بما في ذلك الهواتف المحمولة وسماعات الرأس وواجهات الصوت والخلاطات ومكبرات الصوت وسماعات Bluetooth.
أصبحت DSPs ببطء عنصرًا أساسيًا في كل منتج صوتي حديث ، فما هو بالضبط DSP؟ ما سبب أهميتها ، وكيف تعمل ، وكيف تؤثر على تجربة الاستماع لديك؟
ما هو DSP؟
DSP هو اختصار لمعالج الإشارة الرقمية. كما يوحي الاسم ، فإن DSP هو معالج دقيق مصمم خصيصًا لمعالجة الإشارات الصوتية. DSP هو في الأساس وحدة معالجة مركزية مُحسّنة فقط لحل مشاكل معالجة الصوت. ومثل وحدة المعالجة المركزية ، تعد رقائق DSP أجزاء أساسية من أجهزة الصوت التي تجعل التلاعب بالصوت الرقمي ممكنًا. أصبح DSPs مهمًا جدًا لدرجة أن جهاز الصوت الخاص بك من المحتمل أن يقوم بدمج واحد أو عدد قليل من DSPs داخل دوائرهم.
استخدامات DSP الشائعة
تُستخدم DSP في جميع أنواع الإلكترونيات الصوتية اليومية. لفهم مدى تأثير DSPs على تجربة الاستماع لديك ، إليك بعض تطبيقات DSP التي تستخدمها بالفعل:
- معادلات الصوت (EQ): يتم استخدام DSPs لمعادلة جميع أنواع الموسيقى. تستخدم المعادلة في استوديوهات التسجيل للتحكم في حجم ترددات الصوت المختلفة. بدون معادلة ، ستجد صعوبة في الاستماع إلى الموسيقى حيث من المحتمل أن تبدو الأصوات ضعيفة ، ستبدو الأدوات مبعثرة ، وسيتغلب الجهير على جميع الترددات مما يجعل الصوت غير واضح أو موحلة.
- عمليات نقل الصوت النشطة: تُستخدم عمليات الانتقال الصوتية هذه لفصل ترددات الصوت المختلفة وتخصيصها لمكبرات صوت مختلفة مصممة لنطاق تردد الصوت المحدد. غالبًا ما يتم استخدام عمليات الانتقال الصوتي في أجهزة ستريو السيارة وأنظمة الصوت المحيطي ومكبرات الصوت التي تستخدم برامج تشغيل مكبرات صوت مختلفة الحجم.
- سماعة رأس / سماعة أذن ثلاثية الأبعاد: يمكنك تحقيق الصوت ثلاثي الأبعاد باستخدام عمليات الانتقال المتكلم جنبا إلى جنب مع مختلف أنظمة الصوت المحيطي. باستخدام DSP غير ظاهر ، يمكن لسماعات الرأس وسماعات الأذن معالجة الصوت الذي يسمح بتجربة استماع صوت ثلاثي الأبعاد بدون مكبرات صوت. يمكن لمزودي الإشارة الرقمية القيام بذلك عن طريق محاكاة مرحلة الصوت المكاني التي تحاكي كيفية تحرك الصوت في مساحة ثلاثية الأبعاد فقط باستخدام سماعة الرأس الخاصة بك.
- إلغاء الضوضاء النشط (ANC): تستخدم تقنية إلغاء الضوضاء النشطة ميكروفونًا لتسجيل ضوضاء منخفضة التردد ، ثم تولد أصواتًا معاكسة لترددات الضوضاء المسجلة. ثم يتم استخدام هذا الصوت الناتج لإلغاء الضوضاء البيئية قبل أن تصل إلى طبلة الأذن. ANC ممكن فقط مع سرعة المعالجة اللحظية لـ DSP.
- الكلام بعيد المجال والتعرف على الصوت: تتيح هذه التقنية لـ Google Home و Alexa و Amazon Echo التعرف على صوتك بشكل موثوق. يستفيد المساعدون الصوتيون من وحدة المعالجة المركزية (CPU) و DSP (معالج الإشارة الرقمية) والذكاء الاصطناعي (AI) لمعالجة البيانات وتقديم إجابات ذكية على استفساراتك وأوامرك.
كيف يعمل DSP؟
يتم تمثيل جميع البيانات الرقمية ، بما في ذلك الصوت الرقمي ، وتخزينها كأرقام ثنائية (1s و 0s). تتطلب المعالجة الصوتية مثل EQ و ANC معالجة هذه 1 و 0 لتحقيق النتائج المرجوة. مطلوب معالج دقيق مثل DSP لمعالجة هذه الأرقام الثنائية. على الرغم من أنه يمكنك أيضًا استخدام المعالجات الدقيقة الأخرى مثل وحدة المعالجة المركزية ، إلا أن DSP غالبًا ما يكون الخيار الأفضل لتطبيقات معالجة الصوت.
مثل أي معالج دقيق ، يستخدم DSP بنية الأجهزة ومجموعة التعليمات.
تملي هندسة الأجهزة كيف يعمل المعالج. غالبًا ما يستخدم DSPs معماريات مثل Von Neumann و Harvard Architecture. غالبًا ما تُستخدم هياكل الأجهزة الأبسط هذه في DSPs لأنها قادرة بشكل كافٍ على القيام بمعالجة الصوت الرقمي عند إقرانها ببنية مجموعة التعليمات المبسطة (ISA).
ISA هو ما يحدد العمليات التي يمكن للمعالج الدقيق القيام بها. إنها في الأساس قائمة من الإرشادات التي تم وضع علامة عليها بواسطة رمز التشغيل (كود التشغيل) المخزن في الذاكرة. عندما يستدعي المعالج كود تشغيل معين ، فإنه ينفذ التعليمات التي يمثلها كود التشغيل. تتضمن التعليمات الشائعة داخل ISA وظائف رياضية مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة.
تحتوي شريحة DSP النموذجية التي تستخدم Harvard Architecture على المكونات التالية:
- مجموعة تعليمات مخازن ذاكرة البرنامج وأكواد التشغيل (ISA)
- ذاكرة البيانات - تخزن القيم المراد معالجتها
- Compute Engine- ينفذ التعليمات داخل ISA مع القيم المخزنة في ذاكرة البيانات
- المدخلات والمخرجات - مرحلات البيانات داخل وخارج DSP باستخدام بروتوكولات الاتصال التسلسلي
الآن بعد أن أصبحت على دراية بالمكونات المختلفة لـ DSP ، دعنا نتحدث عن كيفية عمل DSP النموذجي. فيما يلي مثال أساسي لكيفية معالجة DSP للإشارات الصوتية الواردة:
- الخطوة 1: يتم إعطاء أمر إلى DSP لمعالجة الإشارة الصوتية الواردة.
- الخطوة 2: تدخل الإشارات الثنائية لتسجيل الصوت الوارد إلى DSP من خلال منافذ الإدخال / الإخراج الخاصة به.
- الخطوه 3: يتم تخزين الإشارة الثنائية في ذاكرة البيانات.
- الخطوة الرابعة: ينفذ DSP الأمر عن طريق تغذية المعالج الحسابي لمحرك الحوسبة برموز التشغيل المناسبة من ذاكرة البرنامج والإشارة الثنائية من ذاكرة البيانات.
- الخطوة الخامسة: يقوم DSP بإخراج النتيجة من خلال منفذ الإدخال / الإخراج الخاص به إلى العالم الحقيقي.
مزايا DSP على معالجات الأغراض العامة
يمكن لمعالجات الأغراض العامة مثل وحدة المعالجة المركزية تنفيذ عدة مئات من التعليمات وتحزم المزيد من الترانزستورات أكثر من DSP. قد تثير هذه الحقائق التساؤل عن سبب كون DSPs هي المعالجات الدقيقة المفضلة للصوت بدلاً من وحدة المعالجة المركزية الأكبر والأكثر تعقيدًا.
السبب الأكبر لاستخدام DSP على المعالجات الدقيقة الأخرى هو معالجة الصوت في الوقت الفعلي. تسمح بساطة بنية DSP و ISA المحدود لـ DSP بمعالجة الإشارات الرقمية الواردة بشكل موثوق. باستخدام هذه الميزة ، يمكن أن يكون الأداء الصوتي المباشر معادلًا ومرشحات مطبقة في الوقت الفعلي دون تخزين مؤقت.
تعد فعالية تكلفة DPS سببًا كبيرًا آخر لاستخدامها على معالجات الأغراض العامة. على عكس المعالجات الأخرى التي تتطلب أجهزة معقدة ومعايير خدمات دولية مع مئات التعليمات ، يستخدم معالج الإشارة الرقمية أجهزة أبسط ومعايير خدمات دولية مع بضع عشرات من التعليمات. هذا يجعل تصنيع DSPs أسهل وأرخص وأسرع.
أخيرًا ، من الأسهل دمج DSP مع الأجهزة الإلكترونية. نظرًا لانخفاض عدد الترانزستور ، تتطلب DSPs طاقة أقل بكثير وتكون أصغر حجمًا وأخف وزنًا عند مقارنتها بوحدة المعالجة المركزية. يتيح ذلك لمزودي الإشارة الرقمية أن يتلاءم مع الأجهزة الصغيرة مثل سماعات الأذن التي تعمل بتقنية البلوتوث دون القلق بشأن الطاقة وإضافة الكثير من الوزن والحجم إلى الجهاز.
DSP هي مكونات مهمة في أجهزة الصوت الحديثة
DSP هي مكونات مهمة للإلكترونيات ذات الصلة بالصوت. تسمح خصائصه الصغيرة وخفيفة الوزن والفعالة من حيث التكلفة والموفرة للطاقة حتى لأصغر أجهزة الصوت بتقديم ميزات إلغاء الضوضاء النشطة. بدون DSP ، يجب أن تعتمد الأجهزة الصوتية على معالجات للأغراض العامة أو حتى إلكترونية ضخمة المكونات التي تتطلب المزيد من المال ، والمساحة ، والطاقة ، وكل ذلك مع توفير طاقة معالجة أبطأ.
