Czym jest DSP? (Cyfrowy procesor sygnałowy)

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, w jaki sposób mikrofon może poprawiać brzmienie Twojego głosu podczas mówienia, bez konieczności zmiany jakichkolwiek ustawień, odpowiedź zazwyczaj wiąże się z wykorzystaniem procesora DSP. Skrót ten oznacza „Digital Signal Processor” (cyfrowy procesor sygnałowy) – jest to niewielki, wyspecjalizowany układ scalony, który przetwarza sygnał audio w czasie rzeczywistym i w dużej mierze odpowiada za to, że nowoczesne mikrofony brzmią tak dobrze już zaraz po wyjęciu z opakowania.

W niniejszym przewodniku wyjaśniono, czym właściwie jest procesor sygnałów cyfrowych (DSP), dlaczego istnieje i gdzie można się z nim spotkać na co dzień.

Przed pojawieniem się przetwarzania cyfrowego kształtowanie dźwięku wymagało użycia fizycznego sprzętu analogowego. Kompresor był urządzeniem montowanym w szafie rackowej. Korektor to było osobne urządzenie z pokrętłami i regulatorami. Każdy efekt wymagał osobnego urządzenia, połączonych ze sobą w łańcuch, a łańcuch ten nie ulegał zmianie, chyba że fizycznie wymieniono sprzęt.

Zmieniło to cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Zamiast kształtować ciągłą falę analogową za pomocą fizycznych obwodów, procesor DSP przekształca dźwięk na dane liczbowe, wykonuje na nich obliczenia, a wynik ponownie przekształca w dźwięk. Gdy dźwięk istnieje już w postaci danych, można zastosować niemal każdy efekt (filtrowanie, kompresję, redukcję szumów) za pomocą obliczeń, a nie fizycznych elementów. Otworzyło to drogę do przetwarzania, które jest mniejsze, bardziej elastyczne i często lepsze, bez konieczności posiadania szafy pełnej sprzętu.

Procesor DSP realizuje trzy podstawowe etapy, a wszystkie przebiegają na tyle szybko, że opóźnienia są niezauważalne:

• Próbkowanie. Przetwornik analogowo-cyfrowy pobiera przychodzącą falę dźwiękową i mierzy ją 44 100 lub 48 000 razy na sekundę, przekształcając ją w strumień liczb.
• Przetwarzanie. Układ DSP wykonuje obliczenia na tym strumieniu liczb. To właśnie tam powstają efekty. W zależności od zastosowanych operacji matematycznych uzyskuje się filtrowanie, kompresję, redukcję szumów lub wiele innych zmian.
• Konwersja zwrotna. Przetwornik cyfrowo-analogowy przekształca przetworzone dane liczbowe z powrotem w falę dźwiękową, którą można faktycznie usłyszeć – czy to przez słuchawki, głośnik, czy też w formie nagrania.

W tym przypadku liczy się to, gdzie odbywa się przetwarzanie. Wbudowany w urządzenie procesor DSP realizuje wszystkie trzy etapy na miejscu, więc nie ma potrzeby wysyłania sygnału audio do komputera, przetwarzania go tam i wysyłania z powrotem. To właśnie ta droga tam i z powrotem powoduje zauważalne opóźnienie w przypadku efektów programowych i dlatego przetwarzanie wbudowane sprawia wrażenie natychmiastowego podczas odsłuchiwania własnego głosu.

Mikrofony to jedno z najczęstszych miejsc, w których można spotkać się z technologią DSP, zwłaszcza teraz, gdy wiele mikrofonów samodzielnie przetwarza sygnał audio, zamiast polegać wyłącznie na komputerze:

• Mikrofony USB do transmisji strumieniowej często mają wbudowany procesor DSP, który oczyszcza głos, zanim trafi on do oprogramowania do nagrywania.
• Interfejsy audio XLR wykorzystują procesory DSP do stosowania w czasie rzeczywistym efektów, takich jak kompresja i korekcja, na sygnał z mikrofonu, bez konieczności stosowania oddzielnego miksera.
• Zestawy słuchawkowe i mikrofony do gier wykorzystują procesor DSP do redukcji szumów tła, dzięki czemu Twój głos jest wyraźnie słyszalny podczas rozmów lub rozgrywek.
• Mikrofony konferencyjne i internetowe wykorzystują procesor DSP do wyodrębniania głosu użytkownika z hałasów otoczenia podczas rozmów wideo.

W każdym przypadku zaleta jest ta sama: przetwarzanie odbywa się bezpośrednio na urządzeniu, więc Twój głos jest już oczyszczony, zanim dotrze do komputera.

Obliczenia wykonywane na układzie DSP zazwyczaj należą do kilku znanych kategorii:

• Korygowanie (EQ) służy do wzmacniania lub tłumienia określonych zakresów częstotliwości, co jest przydatne do nadania głosowi ciepła lub zmniejszenia jego zamglenia.
• Kompresja wyrównuje różnice w głośności, dzięki czemu ciche fragmenty są wyraźnie słyszalne, a głośne pozostają pod kontrolą.
• Funkcja redukcji szumów wykrywa i tłumi stałe dźwięki tła, takie jak odgłos wentylatora lub klimatyzatora, nie wpływając przy tym na sygnał pożądany.
• Ogranicznik poziomu sygnału ogranicza jego natężenie do maksymalnej wartości, aby zapobiec zniekształceniom w przypadku nieoczekiwanego wzrostu głośności.

Każde urządzenie może wykorzystywać jedno z tych rozwiązań, kilka z nich jednocześnie lub ich sekwencyjny łańcuch. Konkretna kombinacja zależy od przeznaczenia danego urządzenia.

Firma Elgato wbudowuje układ DSP bezpośrednio w niektóre urządzenia z serii Wave za pomocą Wave FX Processor — wbudowanego układu opracowanego we współpracy z firmą LEWITT Audio. Urządzenia takie jak Wave:3 MK.2, Wave XLR MK.2, XLR Dock MK.2 i Wave XLR Pro uruchamiają efekty, takie jak filtr dolnoprzepustowy, ekspander, kompresor, korektor i Voice Tune, bezpośrednio na poziomie sprzętowym, dzięki czemu Twój głos jest przetwarzany, zanim jeszcze dotrze do komputera.

Ponieważ przetwarzanie odbywa się bezpośrednio na urządzeniu, przetworzony głos słyszysz w słuchawkach w czasie rzeczywistym, a efekty są automatycznie stosowane we wszystkich aplikacjach, w których używasz mikrofonu. Procesor Wave FX obsługuje również funkcję Clipguard 2.0, która zapobiega zniekształceniom na poziomie sprzętowym, zamiast korygować je po fakcie.

Jeśli chcesz poznać szczegółowe wyjaśnienie, w jaki sposób te efekty współdziałają ze sobą, zapoznaj się z naszym przewodnikiem „Wave FX: Dźwięk studyjnej jakości z Twojego mikrofonu”. A jeśli zastanawiasz się, czym różni się procesor DSP od wtyczek programowych, w naszym przewodniku „Czym jest VST?” omówiono tę różnicę bardziej szczegółowo.