Что такое dsp процессор
Как DSP-процессор улучшает звук
Необходима некоторая пост-обработка, которая полирует и совершенствует каждый отдельный сигнал микрофона, а затем объединяет их в сбалансированный, гармоничный микс. В старые времена для этого требовался рэк, полная коробок с ручками, лампами и счётчиками, которые должны были тщательно настраиваться опытным звукорежиссером для одновременной работы.
К счастью, больше не нужно погружаться в тёмное искусство звуковой инженерии, чтобы выполнить свою работу; теперь все важные процессы могут быть выполнены одним устройством, называемым процессором цифровой обработки сигналов (англ. DSP – Digital Signal Processing). DSP-процессор может быть автономным аппаратным устройством или частью приложения, работающего на ПК, но не каждый DSP-процессор подходит для рабочих мест или университетов. DSP-процессор для видеоконференций имеет дело с видео, управлением вызовами и другими задачами; аудио – это только один из пунктов в списке дел.
В недавнем опросе 80% специалистов назвали проблемы со звуком главными источниками разочарования при проведении виртуальных встреч. Большинство видеоконференций страдают от одного и того же набора хронических проблем. Каждый из инструментов или «блоков обработки» в вашем DSP-процессоре имеет определённую цель и решает одну из следующих проблем:
Проблема №1: Слишком громко или слишком тихо
Одной из самых распространённых проблем со звуком во время видеоконференций является обычное рассогласование по уровням. Иногда люди на одной стороне звонка недостаточно громкие, а иногда они слишком громкие. Решением является автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая регулирует уровень каждого канала микрофона (или входного сигнала с удалённой стороны) для обеспечения постоянной громкости. Как хороший звукорежиссер, АРУ немного усиливает голоса тихих спикеров и немного понижает громких. Это идеальный подход для конференц-залов, где расстояние между говорящим и микрофоном различается, поскольку в помещении выступают разные люди.
Проблема №2: Звук как из бочки
Проблема №3: Эхо, эхо, эхо.
Во время видеоконференции звук, выходящий из динамика, может быть захвачен микрофоном и повторно передан обратно на дальнюю сторону, что вызывает раздражающее эхо. Акустическое эхоподавление (англ. AEC – Acoustic Echo Canceller) в цифровом виде удаляет входной сигнал удалённой стороны из выходного сигнала, чтобы предотвратить это. Большинство приложений для проведения видеоконференций (например, Microsoft Teams, Zoom или Skype for Business) имеют одноканальный встроенный AEC, который лучше всего подходит, когда вы присоединяетесь к одному из этих собраний с ноутбука. Но для больших переговорных комнат и аудиторий с несколькими участниками и микрофонами для хорошего качества звука требуется внешний DSP-процессор, который выделяет отдельный блок AEC для каждого канала микрофона.
Проблема №4: Отвлекающий шум
В большинстве переговорных комнат присутствует некоторый фоновый шум, вызванный проекторами или компьютерами, системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, гулом в здании или окружающим шумом, проникающим извне. Люди в комнате могут не заметить этого, но микрофоны их улавливают. Эквализация может отрегулировать большую часть гула и шипения на низких и высоких частотах, но электронное шумоподавление в цифровом виде удаляет шум, который перекрывает речевой диапазон, поэтому он не слышен участникам собрания. Эффективность DSP-процессора с хорошим шумоподавлением может быть просто удивительной.
Проблема №5: А сейчас слышно?
Чем больше шума и реверберации в аудиосигнале, тем сложнее кодеку видео-конференц-связи (будь то приложение на ПК или отдельное устройство) обеспечить естественную интерактивность. Если проблемы со звуком не будут решены до того, как сигнал достигнет кодека, вам может быть затруднительно прервать другую сторону или им прервать вас. Это замедляет общение и вызывает раздражающие помехи.
Проблема №6: Звук не синхронизирован с видео
Видео обрабатывается немного дольше чем аудио при передаче по обычному Интернет-соединению. Аудиосигнал поступает на дальнюю сторону раньше, чем видео, поэтому вы слышите, как кто-то говорит, прежде чем его губы начнут двигаться. Регулируемая задержка в DSP-процессорах позволяет синхронизировать подачу звука с изображением во время онлайн-конференции.
DSP-процессор для аудио-конференц-связи должен быть расположен там, где это наиболее целесообразно для вашего использования. В малых помещениях микрофон со встроенным DSP-процессором (например, Microflex Advance MXA710 или MXA910) исключает необходимость использования внешнего оборудования и упрощает настройку. В комнатах среднего и большого размера с несколькими микрофонами и другими источниками сигнала DSP-процессор в виде отдельного устройства (например, IntelliMix P300) обеспечивает большую мощность, гибкость и возможности подключения как к аппаратным, так и программным кодекам. Кроме того, Shure также предлагает программное решение DSP, IntelliMix Room, которое может работать на ПК в помещении или на устройстве для проведения видеоконференций, что упрощает развёртывание и обеспечивает централизованное обслуживание сотрудниками IT-службы. Независимо от форм-фактора, высокопроизводительный DSP-процессор обеспечивает естественный звук, который облегчает общение без лишних усилий и максимизирует отдачу от ваших инвестиций в оборудование и технологии.
Подробнее о цифровой обработке сигнала читайте здесь.
Использование цифрового аудиопроцессора (DSP)
В свете этого заинтересовала возможность использовать такие DSP как:
1. Активный кроссовер для АС.
2. Инструмент рум-корекции.
Ответы
Ну вот я в процессе решения этого вопроса пришел к тому, что в отдельном устройстве для стерео нет решительно никакого смысла. Mac Mini + Dirac Live лучшее решение в DSP для дома на сегодняшний день. Для многоканального кино можно взять miniDSP или ресивер дружественной компании.
P.S. По моему мнению ключевую роль здесь играет программное обеспечение.
Хотя да, тут скрей инфо для размышления.
Я не совсем это имел в виду.
И в помянутой выше ветке и в случае с Dirac Live имеется в виду обработка средствами софта, установленного на стандартный PC или Mac. Тут вопросов нет, благо можно легко найти «народную версию» ARC System от IK Multimedia, недорогой измерительный микрофон Behringer ecm8000 и софтовый плеер с поддержкой vst-плагинов. Эта связка рабочая, проверенная (в т.ч. мной) и показала очень неплохие результаты.
И вообще все это касаемо только рум-коррекции, а я упомянул еще об использовании в качестве кроссовера с гибкой настройкой и минимальным влиянием на фазу. На основе этого возможно изготовление активной АС например такого типа.
хотелось избавиться от ПК в любом виде
miniDSP DDRC-22D, DSPeaker Anti-Mode 2.0, Emotiva XMC-1?
На основе этого возможно изготовление активной АС
Я думал над активным кроссовером некоторое время, но это надо с головой прыгать и все делать самому. Или как вариант можно использовать автомобильные решения, там как раз это вариант по умолчанию. Например, как с активным кроссовером предварительное усиление планируете делать? Для коррекции в цифровом виде без преобразования АЦП-ЦАП (тут можно воспользоваться моделью с парой выходов) я для себя ответов не нашел.
miniDSP DDRC-22D, DSPeaker Anti-Mode 2.0, Emotiva XMC-1 и т.д.
Да, но 800$, 1400$, 2500$ и т.д.
spdif-входом и 8 аналоговыми выходами
Выбор и реализация ЦАП’ля на таких платах обычно оставляет желать лучшего. Не вижу смысла пытаться лезть в бескомпромиссный звук за счет активной фильтрации и сразу же загонять себя в тупик копеечным ЦАП’лем. Тут уж если идти, то ва-банк.
Выбор и реализация ЦАП’ля на таких платах обычно оставляет желать лучшего
Соглашусь, вот это больше всего и напрягает. Но вроде как есть полностью цифровые варианты.
В общем спасибо, есть о чем подумать.
ДСП, которые умеют делать обработку звука на приходящей частоте и имеют процессор на 64 бита с плавающей запятой (как тот же Trinnov например) уже значительно дороже
Только авторизованные пользователи могут отвечать на вопросы, пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь.
Процессор цифровой обработки сигналов
Определение
Процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor — DSP) — это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных. DSP-процессоры широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.
Любой современный компьютер оснащен центральным процессором и только немногие — процессором цифровой обработки сигналов (DSP — digital signal processor). Центральный процессор, очевидно, представляет собой цифровую систему и обрабатывает цифровые данные, поэтому на первый взгляд неясна разница между цифровыми данными и цифровыми сигналами, то есть теми сигналами, которые обрабатывает DSP-процессор.
К цифровым сигналам, в общем случае, естественно отнести все потоки цифровой информации, которые формируются в процессе телекоммуникаций. Главное, что отличает эту информацию, — она не обязательно заносится в память (и поэтому может оказаться недоступной в будущем), следовательно, обрабатывать ее нужно в режиме реального времени.
Число источников цифровой информации практически неограниченно. Так, например, загружаемые файлы в формате MP3 содержат цифровые сигналы, собственно и представляющие звукозапись. В некоторых камкодерах выполняется оцифровка видеосигналов и их запись в цифровом формате. В дорогих моделях беспроводных и сотовых телефонов перед передачей также производится преобразование голоса в цифровой сигнал.
Вариации на тему
DSP-процессоры принципиально отличаются от микропроцессоров, образующих центральный процессор настольного компьютера. По роду своей деятельности центральному процессору приходится выполнять объединяющие функции. Он должен управлять работой различных компонентов аппаратного обеспечения компьютера, таких как дисководы, графические дисплеи и сетевой интерфейс, с тем чтобы обеспечить их согласованную работу.
Это означает, что центральные процессоры настольных компьютеров имеют сложную архитектуру, поскольку должны поддерживать такие базовые функции, как защита памяти, целочисленная арифметика, операции с плавающей запятой и обработка векторной графики.
В итоге типичный современный центральный процессор поддерживает несколько сот команд, которые обеспечивают выполнение всех этих функций. Следовательно, нужен модуль декодирования команд, который позволял бы реализовывать сложный словарь команд, а также множество интегральных схем. Они, собственно, и должны выполнять действия, определяемые командами. Иными словами, типичный процессор в настольном компьютере содержит десятки миллионов транзисторов.
DSP-процессор, напротив, должен быть «узким специалистом». Его единственная задача — изменять поток цифровых сигналов, и делать это быстро. DSP-процессор состоит главным образом из высокоскоростных аппаратных схем, выполняющих арифметические функции и манипулирующих битами, оптимизированных с тем, чтобы быстро изменять большие объемы данных.
В силу этого набор команд у DSP куда меньше, чем у центрального процессора настольного компьютера; их число не превышает 80. Это значит, что для DSP требуется облегченный декодер команд и гораздо меньшее число исполнительных устройств. Кроме того, все исполнительные устройства в конечном итоге должны поддерживать высокопроизводительные арифметические операции. Таким образом, типичный DSP-процессор состоит не более чем из нескольких сот тысяч транзисторов.
Являясь узкоспециализированным, DSP-процессор отлично справляется со своей работой. Его математические функции позволяют непрерывно принимать и изменять цифровой сигнал (такой, как звукозаписи в MP3 или запись разговора по сотовому телефону), не тормозя передачу информации и не теряя ее. Для повышения пропускной способности DSP-процессор оснащается дополнительными внутренними шинами данных, которые обеспечивают более быстрый перенос данных между арифметическими модулями и интерфейсами процессора.
Зачем нужны DSP-процессоры?
Специфические возможности DSP-процессора в части обработки информации делают его идеальным средством для многих приложений. Используя алгоритмы, основанные на соответствующем математическом аппарате, DSP-процессор может воспринимать цифровой сигнал и выполнять операции свертки для усиления или подавления тех или иных свойств сигнала.
В силу того что в DSP-процессорах значительно меньше транзисторов, чем в центральных процессорах, они потребляют меньше энергии, что позволяет использовать их в продуктах, работающих от батарей. Крайне упрощается и их производство, поэтому они находят себе применение в недорогих устройствах. Сочетание низкого энергопотребления и невысокая стоимость обусловливает применение DSP-процессоров в сотовых телефонах и в роботах-игрушках.
Впрочем, спектр их применения этим далеко не ограничивается. В силу большого числа арифметических модулей, наличия интегрированной на кристалле памяти и дополнительных шин данных часть DSP-процессоров могут использоваться для поддержки многопроцессорной обработки. Они могут выполнять сжатие/распаковку «живого видео» при передаче по Internet. Подобные высокопроизводительные DSP-процессоры часто применяются в оборудовании для организации видеоконференций.
Внутри DSP
Приведенная здесь диаграмма иллюстрирует строение ядра процессора Motorola DSP 5680x. Раздельные внутренние шины команд, данных и адресов способствуют резкому повышению пропускной способности вычислительной системы. Наличие вторичной шины данных позволяет арифметическому устройству считать два значения, перемножить их и выполнить операцию накопления результата за один такт процессора.
Поделитесь материалом с коллегами и друзьями
DSP-процессоры: назначение и особенности
DSP-процессоры: назначение и особенности
Большинство из нас в повседневной жизни постоянно сталкивается с различными компьютерными системами: процессорами общего назначения (general-purpose, в основном x86) в ноутбуках и рабочих станциях, их мощными многоядерными версиями в датацентрах, мобильными процессорами в телефонах, многочисленными контроллерами в бытовой технике и на транспорте. Но помимо всех упомянутых вариантов есть ещё одно важное, хотя и редко упоминаемое семейство: цифровые сигнальные процессоры, чаще именуемые Digital Signal Processors или просто DSP.
Именно DSP решают задачи обработки больших объёмов информации в реальном времени, возникающие при передаче данных (звонков и мобильного Интернета) в мобильных сетях, обработке фотографий и восстановлению звука. Даже в топовых телефонах вся эта работа выполняется не на мощных ARM-ядрах, а на специализированных DSP.
В этой статье будет кратко изложена история DSP, их отличие от процессоров общего назначения, особенности их архитектуры, а также будет подробно рассказано о способах оптимизации кода.
История
Первые DSP появились в 1970-х годах. Эти процессоры стали логичным развитием специализированных аналогово-цифровых устройств, предназначенных для обработки речи, прежде всего её кодирования и фильтрации (прорыв в соответствующих научно-технических отраслях стал возможен благодаря спросу на эти технологии в годы Второй Мировой войны). Трудоемкость и сложность разработки устройств под каждую возникающую задачу, а также успехи в развитии электронной базы (широкое распространение технологии MOSFET) и математических алгоритмов (БПФ, цифровая фильтрация) привели к возможности создания универсальных, т.е. программируемых, цифровых процессоров, которые могли быть с помощью программ адаптированы для широкого класса задач. Адаптируемость на практике означала снижение стоимости разработок, сокращение времени выхода на рынок (time-to-market), возможность послепродажного обновления алгоритма для устранения ошибок, возможность поддержки новых требований пользователей. Во многих случаях эти возможности с лихвой компенсировали ухудшение производительности по сравнению со специальными ускорителями.
Рис. 1 Первый крупный успех DSP: планшет Speak&Spell (Texas Instruments, 1978) Рис. 2 С момента появления стандарта GSM DSP являются обязательным компонентом мобильных сетей Рис. 3 Обработка изображений в камерах (дебайеризация, удаление шумов, фильтрация) также выполняются на DSP (источник: https://snapshot.canon-asia.com/india/article/en/5-things-made-possible-with-digic-image-processor)
Из-за необходимости обработки в реальном времени и экономии электроэнергии DSP сильно отличались от процессоров общего назначения. В каком-то смысле они были первым примером программируемых вычислительных ускорителей, т.е. процессоров, максимально эффективно решающих определённый класс задач.
Преимущества DSP
Чем же именно отличаются DSP от обычных мощных процессоров общего назначения, особенно таких мощных как Intel Xeon или Cortex-A, и почему процессоры общего назначения не используют для обработки сигналов? Чтобы ответить на этот вопрос посмотрим на топологию современного процессора от Intel.
Рис. 4 Intel Skylake (источник: https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/skylake_(client) )
Из рисунка мы видим, что значительная часть площади кристалла отводится не под вычислительные ресурсы, а под сложную логику определения зависимостей, спекулятивного исполнения (out-of-order speculative execution) и составления расписания (scheduling). В сумме накладные расходы приводят к тому, что “КПД” процессора, т.е. энергия, затрачиваемая на выполнение реальных вычислений, составляет менее 1%:
While a simple arithmetic operation requires around 0.5–20 pJ, modern cores spend about 2000 pJ to schedule it.
Conventional multicore processors consume 157–707 times more energy than customized hardware designs.
(из статьи “Rise and Fall of Dark Silicon”, приведённой в списке литературы).
Чтобы сделать сравнение более конкретным, возьмём мощный процессор общего назначения от Intel и мощный DSP фирмы Texas Instruments (например Skylake Xeon Platinum 8180M и TMS320C6713BZDP300):
Руководство новичка по цифровой обработке сигналов (DSP)
Этот документ описывает основные концепции цифровой обработки сигналов (DSP), а также содержит разнообразные ссылки на источники более детальной информации.
Что такое DSP?
Цифровые сигнальные процессоры (DSP, Digital Signal Processors) принимают на вход предварительно оцифрованные физические сигналы, например, звук, видеоизображение, показания температуры, давления и положения, и производят над ними математические манипуляции. Внутренняя структура цифровых сигнальных процессоров специально разрабатывается таким образом, чтобы они могли очень быстро выполнять такие математические функции, как “сложение”, “вычитание”, “умножение” и “деление”.
Сигналы необходимо обработать так, чтобы информация, которую они содержат, могла быть отображена графически, проанализирована или преобразована в полезный сигнал иного типа. В реальном мире обнаружение сигналов, соответствующих физическим явлениям, таким как звук, свет, температура или давление, и манипуляции ими осуществляется аналоговыми компонентами. Затем, аналого-цифровой преобразователь берет реальный сигнал и преобразовывает его в цифровой формат в виде последовательности нулей и единиц. На данном этапе в процесс вступает цифровой сигнальный процессор, который осуществляет сбор оцифрованной информации и ее обработку. Далее он выдает оцифрованную информацию обратно в реальный мир для дальнейшего использования. Выдача информации осуществляется одним из двух способов – в цифровом или в аналоговом формате. Во втором случае оцифрованный сигнал пропускается через цифро-аналоговый преобразователь. Все эти действия выполняются на очень высокой скорости.
Для иллюстрации этой концепции рассмотрим приведенную ниже блок-схему, на которой показано, как цифровой сигнальный процессор используется в составе MP3 аудиоплеера. В фазе записи аналоговый звуковой сигнал поступает в систему от приемника или иного источника. Этот аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой сигнал при помощи аналого-цифрового преобразователя и передается в цифровой сигнальный процессор. Цифровой сигнальный процессор выполняет кодирование в формат MP3 и сохраняет файл в память. В фазе воспроизведения файл извлекается из памяти, декодируется цифровым сигнальным процессором и преобразовывается при помощи цифро-аналогового преобразователя обратно в аналоговый сигнал, который может быть воспроизведен в акустической системе. В более сложном примере цифровой сигнальный процессор может выполнять дополнительные функции, например, регулировку громкости, частотную компенсацию и обеспечение интерфейса пользователя.
Информация, формируемая цифровым сигнальным процессором, может быть использована компьютером, например, для управления системами безопасности, телефонами, домашними кинотеатрами или сжатием видеоизображений. Сигналы могут подвергаться сжатию (компрессии) для более быстрой и эффективной передачи из одного места в другое (например, в системах телеконференций для передачи речи и видеоизображений по телефонным линиям). Сигналы также могут подвергаться дополнительной обработке для повышения их качества или предоставления информации, которая изначально недоступна для восприятия человеком (например, в задачах эхокомпенсации в мобильных телефонах или компьютерного улучшения качества изображений). Физические сигналы могут обрабатываться и в аналоговой форме, однако цифровая обработка обеспечивает повышенное качество и быстродействие.
Поскольку цифровой сигнальный процессор является программируемым, он может быть использован в самых разнообразных задачах. При создании проекта вы можете написать собственное программное обеспечение или использовать программное обеспечение, обеспечиваемое компанией Analog Devices или сторонними компаниями.
Более подробную информацию о преимуществах применения цифровых сигнальных процессоров при обработке сигналов реального мира вы можете найти, прочитав первую часть статьи Цифровая обработка сигналов 101 – Вводный курс в проектирование систем цифровой обработки сигналов, которая называется “Зачем нужен цифровой сигнальный процессор?”
Что находится внутри цифрового сигнального процессора (DSP)?
Цифровой сигнальный процессор включает в себя следующие ключевые компоненты:
Рекомендуемая литература
Для получения подробной информации о процессорах и прецизионных аналоговых микроконтроллерах компании Analog Devices мы предлагаем вам ознакомиться со следующими ресурсами:
Цифровая обработка сигналов – это сложный предмет, и он способен ошеломить даже наиболее опытных профессионалов в области цифровых сигнальных процессоров. Здесь мы дали лишь краткий обзор, но компания Analog Devices также предлагает дополнительные ресурсы, содержащие более подробную информацию о цифровой обработке сигналов:
Практические занятия по цифровым сигнальным процессорам являются быстрым и эффективным способом ознакомиться с применением цифровых сигнальных процессоров компании Analog Devices. Они позволят вам овладеть уверенными практическими навыками работы с цифровыми сигнальными процессорами Analog Devices через курс лекций и практических упражнений. Расписание и информацию о регистрации вы можете найти на странице Обучение и разработка.
Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, в то время как другие являются дополнительными и нужны лишь для функциональных действий. Мы собираем данные для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную функциональность, которую может предоставить наш сайт. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть подробные сведения о файлах cookie. Узнайте больше о политике конфиденциальности.
Используемые нами файлы cookie можно классифицировать следующим образом: