Die Audioverarbeitung ist kompliziert, und als solche finden Sie einen DSP im Herzen fast aller modernen Audioverarbeitungsgeräte. Obwohl normale Verbraucher sich dessen vielleicht nicht bewusst sind, integrieren sich DSPs in alle Arten von Audiogeräten, einschließlich Mobiltelefonen, Kopfhörern, Audioschnittstellen, Mischpulten, Lautsprechern und Bluetooth-Ohrhörern.

DSPs werden langsam zu einem festen Bestandteil jedes modernen Audioprodukts. Was genau ist also ein DSP? Warum sind sie wichtig, wie funktionieren sie und wie wirken sie sich auf Ihr Hörerlebnis aus?

Was ist ein DSP?

DSP ist ein Akronym für Digital Signal Processor. Wie der Name schon sagt, ist ein DSP ein Mikroprozessor, der speziell für die Audiosignalverarbeitung entwickelt wurde. Ein DSP ist im Grunde eine CPU, die nur zur Lösung von Audioverarbeitungsproblemen optimiert ist. Und genau wie eine CPU sind DSP-Chips wesentliche Teile der Audiohardware, die digitale Audiomanipulationen ermöglichen. DSPs sind so wichtig geworden, dass Ihre Audiogeräte wahrscheinlich einen oder mehrere DSPs in ihre Schaltkreise integrieren.

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Allgemeine DSP-Anwendungen

DSPs werden in allen Arten der täglichen Audioelektronik verwendet. Um zu verstehen, wie wirkungsvoll DSPs auf Ihr Hörerlebnis sind, finden Sie hier einige DSP-Anwendungen, die Sie bereits verwenden:

  • Audio-Equalizer (EQ): DSPs werden verwendet, um alle Arten von Musik auszugleichen. Die Entzerrung wird in Aufnahmestudios verwendet, um die Lautstärke verschiedener Tonfrequenzen zu steuern. Ohne Entzerrung fällt es Ihnen schwer, Musik zu hören, da Gesang wahrscheinlich schwach klingen würde, Instrumente würden verstreut klingen, und Bässe würden alle Frequenzen überwältigen, wodurch der Ton unklar würde oder matschig.
  • Aktive Audio-Frequenzweichen: Diese Audio-Frequenzweichen werden verwendet, um verschiedene Audiofrequenzen zu trennen und sie verschiedenen Lautsprechern zuzuweisen, die für den spezifischen Audiofrequenzbereich ausgelegt sind. Audio-Frequenzweichen werden häufig in Autoradios, Surround-Sound-Systemen und Lautsprechern verwendet, die Lautsprechertreiber unterschiedlicher Größe verwenden.
  • Kopfhörer/Kopfhörer 3D-Audio: Sie können 3D-Audio mit erreichen Lautsprecher-Frequenzweichen zusammen mit verschiedene Surround-Sound-Systeme. Mit einem diskreten DSP können Ihre Kopf- und Ohrhörer Audio verarbeiten, das ein 3D-Sound-Hörerlebnis ohne Lautsprecher ermöglicht. DSPs können dies tun, indem sie eine räumliche Klangbühne simulieren, die nachahmt, wie sich der Klang im 3D-Raum bewegen würde, einfach durch die Verwendung Ihres Kopfhörers.
  • Aktive Geräuschunterdrückung (ANC): Die aktive Geräuschunterdrückungstechnologie verwendet ein Mikrofon, um niederfrequente Geräusche aufzuzeichnen, und erzeugt dann Geräusche, die den aufgezeichneten Geräuschfrequenzen entgegengesetzt sind. Dieser erzeugte Ton wird dann verwendet, um Umgebungsgeräusche zu unterdrücken, bevor sie Ihr Trommelfell erreichen. ANC ist nur mit der momentanen Verarbeitungsgeschwindigkeit eines DSP möglich.
  • Far Field Speech und Spracherkennung: Diese Technologie ermöglicht es Google Home, Alexa und Amazon Echo, Ihre Stimme zuverlässig zu erkennen. Sprachassistenten nutzen CPU, DSP und KI, um Daten zu verarbeiten und intelligente Antworten auf Ihre Fragen und Befehle zu geben.

Wie funktioniert ein DSP?

Bildnachweis: Ginoweb/Wikimedia Commons

Alle digitalen Daten, einschließlich digitales Audio, werden als Binärzahlen (1 und 0) dargestellt und gespeichert. Audioverarbeitung wie EQ und ANC erfordert die Manipulation dieser Einsen und Nullen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Ein Mikroprozessor wie ein DSP ist erforderlich, um diese Binärzahlen zu manipulieren. Obwohl Sie auch andere Mikroprozessoren wie eine CPU verwenden könnten, ist ein DSP oft die bessere Wahl für Audioverarbeitungsanwendungen.

Wie jeder Mikroprozessor verwendet ein DSP eine Hardwarearchitektur und einen Befehlssatz.

Hardware-Architektur diktiert wie ein Prozessor arbeitet. DSPs verwenden häufig Architekturen wie Von Neumann und Harvard Architecture. Diese einfacheren Hardwarearchitekturen werden häufig in DSPs verwendet, da sie in Kombination mit einer optimierten Instruction Set Architecture (ISA) in der Lage sind, digitale Audioverarbeitung durchzuführen.

Eine ISA bestimmt, welche Operationen ein Mikroprozessor ausführen kann. Es ist im Grunde eine Liste von Anweisungen, die durch einen im Speicher gespeicherten Operationscode (Opcode) gekennzeichnet sind. Wenn der Prozessor einen bestimmten Opcode aufruft, führt er die Anweisung aus, die der Opcode darstellt. Übliche Anweisungen innerhalb der ISA umfassen mathematische Funktionen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division.

Ein typischer DSP-Chip mit Harvard-Architektur würde die folgenden Komponenten enthalten:

  • Program Memory-Stores Befehlssatz und Opcodes (ISA)
  • Datenspeicher – Speichert die zu verarbeitenden Werte
  • Compute Engine – Führt die Anweisungen innerhalb der ISA zusammen mit den im Datenspeicher gespeicherten Werten aus
  • Eingabe- und Ausgabe-Relaisdaten in und aus dem DSP unter Verwendung serieller Kommunikationsprotokolle

Nachdem Sie nun mit den verschiedenen Komponenten eines DSP vertraut sind, lassen Sie uns darüber sprechen, wie ein typischer DSP arbeitet. Hier ist ein einfaches Beispiel dafür, wie ein DSP eingehende Audiosignale verarbeitet:

  • Schritt 1: Dem DSP wird ein Befehl gegeben, das eingehende Audiosignal zu verarbeiten.
  • Schritt 2: Die binären Signale der eingehenden Audioaufnahme gelangen über seine Ein-/Ausgangsports in den DSP.
  • Schritt 3: Das Binärsignal wird im Datenspeicher abgelegt.
  • Schritt 4: Der DSP führt den Befehl aus, indem er den arithmetischen Prozessor der Rechenmaschine mit den richtigen Opcodes aus dem Programmspeicher und dem binären Signal aus dem Datenspeicher versorgt.
  • Schritt 5: Der DSP gibt das Ergebnis mit seinem Input/Output-Port an die reale Welt aus.

Vorteile von DSP gegenüber Allzweckprozessoren

Allzweckprozessoren wie die CPU können mehrere hundert Befehle ausführen und mehr Transistoren packen als ein DSP. Diese Tatsachen können die Frage aufwerfen, warum DSPs die bevorzugten Mikroprozessoren für Audio anstelle der größeren und komplexeren CPU sind.

Der wichtigste Grund, warum DSP gegenüber anderen Mikroprozessoren verwendet wird, ist die Audioverarbeitung in Echtzeit. Die Einfachheit der Architektur eines DSP und die begrenzte ISA ermöglichen es einem DSP, eingehende digitale Signale zuverlässig zu verarbeiten. Mit dieser Funktion können bei Live-Audio-Auftritten Entzerrung und Filter in Echtzeit ohne Pufferung angewendet werden.

Die Kosteneffizienz eines DPS ist ein weiterer wichtiger Grund, warum es gegenüber Mehrzweckprozessoren verwendet wird. Im Gegensatz zu anderen Prozessoren, die komplexe Hardware und ISAs mit Hunderten von Anweisungen erfordern, verwendet ein DSP einfachere Hardware und ISAs mit ein paar Dutzend Anweisungen. Dies macht die Herstellung von DSPs einfacher, billiger und schneller.

Schließlich lassen sich DSPs einfacher in elektronische Geräte integrieren. Aufgrund ihrer geringeren Transistoranzahl benötigen DSPs viel weniger Strom und sind im Vergleich zu einer CPU physisch kleiner und leichter. Dadurch können DSPs in kleine Geräte wie Bluetooth-Kopfhörer passen, ohne sich Gedanken über die Stromversorgung machen zu müssen und dem Gerät zu viel Gewicht und Masse hinzuzufügen.

DSPs sind wichtige Komponenten in modernen Audiogeräten

DSPs sind wichtige Komponenten der audiobezogenen Elektronik. Seine kleinen, leichten, kostengünstigen und energieeffizienten Eigenschaften ermöglichen es selbst den kleinsten Audiogeräten, Funktionen zur aktiven Geräuschunterdrückung anzubieten. Ohne DSPs müssten sich Audiogeräte auf Allzweckprozessoren oder sogar sperrige Elektronik verlassen Komponenten, die mehr Geld, Platz und Leistung benötigen und gleichzeitig eine langsamere Verarbeitungsleistung bieten.