O processamento de áudio é complicado e, como tal, você encontrará um DSP no centro de quase todos os equipamentos modernos de processamento de áudio. Embora os consumidores comuns possam não estar cientes deles, os DSPs se integram a todos os tipos de dispositivos de áudio, incluindo telefones celulares, fones de ouvido, interfaces de áudio, mixers, alto-falantes e fones de ouvido Bluetooth.
Os DSPs estão lentamente se tornando um elemento básico de todos os produtos de áudio modernos, então o que exatamente é um DSP? Por que eles são importantes, como funcionam e como afetam sua experiência auditiva?
O que é um DSP?
DSP é um acrônimo para Processador de Sinal Digital. Como o nome indica, um DSP é um microprocessador projetado especificamente para processamento de sinal de áudio. Um DSP é basicamente uma CPU otimizada apenas para resolver problemas de processamento de áudio. E assim como uma CPU, os chips DSP são peças essenciais de hardware de áudio que possibilitam as manipulações de áudio digital. Os DSPs se tornaram tão importantes que seu equipamento de áudio provavelmente está integrando um ou alguns DSPs em seus circuitos.
Usos comuns de DSP
Os DSPs são usados em todos os tipos de eletrônicos de áudio diários. Para entender o impacto dos DSPs na sua experiência de audição, veja alguns aplicativos DSP que você já está usando:
- Equalizadores de áudio (EQ): DSPs são usados para equalizar todos os tipos de música. A equalização é usada em estúdios de gravação para controlar o volume de diferentes frequências de som. Sem equalização, você acharia difícil ouvir música, pois os vocais provavelmente soariam fracos, os instrumentos soariam dispersos e os graves dominariam todas as frequências, tornando o áudio pouco claro ou lamacento.
- Crossovers de áudio ativos: Esses cruzamentos de áudio são usados para separar diferentes frequências de áudio e atribuí-las a diferentes alto-falantes projetados para a faixa de frequência de áudio específica. Os crossovers de áudio são frequentemente usados em aparelhos de som automotivos, sistemas de som surround e alto-falantes que utilizam drivers de alto-falante de tamanhos diferentes.
- Áudio 3D para fone de ouvido/fone de ouvido: Você pode obter áudio 3D usando crossovers de alto-falante juntamente com vários sistemas de som surround. Com um DSP discreto, seus fones de ouvido podem processar áudio que permite uma experiência de audição de som 3D sem alto-falantes. Os DSPs podem fazer isso simulando um palco de som espacial que imita como o som se moveria no espaço 3D apenas usando seu fone de ouvido.
- Cancelamento de ruído ativo (ANC): A tecnologia de cancelamento de ruído ativo usa um microfone para gravar ruído de baixa frequência e, em seguida, gera sons opostos às frequências de ruído gravadas. Este som gerado é então usado para cancelar o ruído ambiente antes que ele atinja seus tímpanos. O ANC só é possível com a velocidade de processamento instantânea de um DSP.
- Discurso de campo distante e reconhecimento de voz: essa tecnologia possibilita que seu Google Home, Alexa e Amazon Echo reconheçam sua voz de forma confiável. Os assistentes de voz usam CPU, DSP e IA para processar dados e dar respostas inteligentes às suas consultas e comandos.
Como funciona um DSP?
Todos os dados digitais, incluindo áudio digital, são representados e armazenados como números binários (1s e 0s). Processamento de áudio como EQ e ANC requer a manipulação desses 1s e 0s para alcançar os resultados desejados. Um microprocessador como um DSP é necessário para manipular esses números binários. Embora você também possa usar outros microprocessadores como uma CPU, um DSP geralmente é a melhor escolha para aplicativos de processamento de áudio.
Como qualquer microprocessador, um DSP usa uma arquitetura de hardware e um conjunto de instruções.
A arquitetura de hardware determina como funciona um processador. Os DSPs costumam usar arquiteturas como Von Neumann e Harvard Architecture. Essas arquiteturas de hardware mais simples são frequentemente usadas em DSPs, pois são capazes o suficiente para fazer processamento de áudio digital quando combinadas com uma arquitetura de conjunto de instruções (ISA) simplificada.
Um ISA é o que determina quais operações um microprocessador pode fazer. É basicamente uma lista de instruções marcadas por um código de operação (opcode) armazenado na memória. Quando o processador solicita um opcode específico, ele executa a instrução que o opcode representa. A instrução comum dentro do ISA inclui funções matemáticas como adição, subtração, multiplicação e divisão.
Um chip DSP típico usando Harvard Architecture conteria os seguintes componentes:
- Memória de Programa - Armazena o conjunto de instruções e opcodes (ISA)
- Memória de dados - Armazena os valores a serem processados
- Compute Engine-Executa as instruções dentro do ISA junto com os valores armazenados na memória de dados
- Dados de entrada e saída de relés dentro e fora do DSP usando protocolos de comunicação serial
Agora que você está familiarizado com os diferentes componentes de um DSP, vamos falar sobre como um DSP típico opera. Aqui está um exemplo básico de como um DSP processa sinais de áudio de entrada:
- Passo 1: Um comando é dado ao DSP para processar o sinal de áudio de entrada.
- Passo 2: Os sinais binários da gravação de áudio de entrada entram no DSP através de suas portas de entrada/saída.
- Etapa 3: O sinal binário é armazenado na memória de dados.
- Passo 4: O DSP executa o comando alimentando o processador aritmético do mecanismo de computação com os opcodes apropriados da memória do programa e o sinal binário da memória de dados.
- Etapa 5: O DSP emite o resultado com sua porta de entrada/saída para o mundo real.
Vantagens do DSP sobre os processadores de uso geral
Processadores de uso geral, como a CPU, podem executar várias centenas de instruções e empacotar mais transistores do que um DSP. Esses fatos podem levantar a questão de por que os DSPs são os microprocessadores preferidos para áudio em vez da CPU maior e mais complexa.
A maior razão pela qual o DSP é usado sobre outros microprocessadores é o processamento de áudio em tempo real. A simplicidade da arquitetura de um DSP e o ISA limitado permitem que um DSP processe os sinais digitais recebidos de forma confiável. Com este recurso, performances de áudio ao vivo podem ter equalização e filtros aplicados em tempo real sem buffering.
O custo-benefício de um DPS é outro grande motivo pelo qual eles são usados em processadores de uso geral. Ao contrário de outros processadores que exigem hardware complexo e ISAs com centenas de instruções, um DSP usa hardware e ISAs mais simples com algumas dúzias de instruções. Isso torna os DSPs mais fáceis, baratos e rápidos de fabricar.
Por fim, os DSPs são mais fáceis de integrar com dispositivos eletrônicos. Devido à menor contagem de transistores, os DSPs requerem muito menos energia e são fisicamente menores e mais leves quando comparados a uma CPU. Isso permite que os DSPs caibam em dispositivos pequenos, como fones de ouvido Bluetooth, sem se preocupar com a energia e adicionar muito peso e volume ao dispositivo.
DSPs são componentes importantes em dispositivos de áudio modernos
Os DSPs são componentes importantes da eletrônica relacionada ao áudio. Suas propriedades pequenas, leves, econômicas e energeticamente eficientes permitem que até mesmo os menores dispositivos de áudio ofereçam recursos de cancelamento de ruído ativo. Sem DSPs, os dispositivos de áudio teriam que depender de processadores de uso geral ou até mesmo eletrônicos volumosos. componentes que exigem mais dinheiro, espaço e energia, ao mesmo tempo em que fornecem um poder de processamento mais lento.
