Полное руководство по DSP-аудио

Наше понятное для начинающих объяснение звука DSP и его эффектов в мире аудиофилов.

Цифровая обработка сигналов (DSP) используется в технологической индустрии уже несколько десятилетий, но наши повседневные аудиоустройства все еще находятся в процессе адаптации к ней. Интеллектуальные устройства, такие как Google Home, Amazon Echo и Apple AirPods, в значительной степени полагаются на DSP для улучшения взаимодействия с пользователем.

Но что такое DSP? Действительно ли это так важно и полезно для прослушивания?

В этой статье мы углубимся в DSP и то, как это влияет на наше прослушивание.

Что такое ДСП?

DSP, или “цифровая обработка сигналов” — это процесс извлечения аналоговых сигналов из реального мира (например, голосов и изображений), преобразования их в цифровую информацию, внесения необходимых изменений и последующего воспроизведения их в информацию, которую мы можем понять и использовать.

Но процессоры цифровых сигналов — это компьютеры, которые не понимают аналоговые сигналы, поступающие от таких входов, как микрофоны или камеры. Им требуется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для перевода входных данных на понятный им двоичный язык.

Затем процессоры цифровых сигналов могут различными способами манипулировать преобразованным сигналом, чтобы сделать конечный результат более удобным для пользователей. В камерах манипуляции могут заключаться в увеличении резкости, удалении размытия при движении и многом другом.

Однако процессоры цифровых сигналов выполняют все манипуляции в двоичном формате — языке, который люди обычно не понимают. Чтобы сделать сигнал пригодным для использования людьми, процессорам цифровых сигналов необходим цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) для преобразования его во что-то, что мы понимаем, например изображения на наших мониторах или звуки в наших динамиках.

В аудиоиндустрии DSP могут делать многое, что значительно улучшает наше общее впечатление от аудиоустройств. Технологические прорывы, такие как усиление басов, активное шумоподавление, адаптивный эквалайзер и голосовой ввод, — все это результаты передовой цифровой обработки сигналов.

Как DSP влияет на качество звука

Есть много способов, которыми DSP помогает улучшить качество звука. Ведь это краеугольный камень современных аудиоустройств. Вот пять наиболее важных областей, которые DSP улучшает, когда речь идет о качестве звука:

Улучшить динамический и частотный диапазон

В большинстве случаев динамический или частотный диапазон цифровых сигналов может превышать диапазон аналогового сигнала.

Например, у среднего потребителя аналоговые кассеты имеют динамический диапазон от 50 до 70 дБ. Когда вы пропускаете тот же аналоговый сигнал через 16-битный аналого-цифровой преобразователь, динамический диапазон увеличивается до 90–95 дБ.

Типичный частотный диапазон наушников разделен на басы, средние и высокие частоты.

Помимо улучшения динамического диапазона звука, DSP также имеет возможность улучшить частотный диапазон. Другими словами, вы можете слышать более высокие частоты и более низкие частоты.

Частоты измеряются в герцах в спектре звуковых частот. Полный спектр представляет аудио по шкале от 0 до 20 кГц.

Избавьтесь от нежелательного эха

Эхоподавление является одним из главных достижений, за которые DSP могут поставить себе в заслугу. Благодаря цифровой обработке сигналов такие устройства, как ваш телефон или ноутбук, могут обнаруживать «копию» только что переданного сигнала в виде звуков, которые они получают через короткий промежуток времени. Процессор цифровых сигналов удалит эту копию из следующего сигнала, который он отправляет на ЦАП.

В то время как тот же процесс возможен и в аналоговых устройствах, DSP может делать это намного быстрее, будучи более энергоэффективным, что желательно для компактных устройств, таких как IEM и беспроводные наушники.

Минимальная задержка для любого заметного эха составляет 25 мс — любая более короткая задержка между исходной и копирующей волной, скорее всего, останется незамеченной для человеческого уха.

Помощь в конвертации

Когда артист записывает звук, он передает аналоговые сигналы, которые улавливает микрофон. Микрофон подает этот сигнал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Как только он преобразует аналоговый сигнал в цифровой, он доставляет его на DSP.

DSP закодирует и сохранит выходной файл (например, MP3, WAV, FLAC и т. д.) в памяти. В расширенной настройке DSP он также будет выполнять другие манипуляции, такие как контроль шума, подавление эха, настраиваемый эквалайзер и другие.

Когда вы воспроизводите запись, DSP извлекает файл из памяти, декодирует его и передает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Затем ЦАП преобразует сигнал обратно в аналоговый и передает его на динамики.

Взять под контроль

Вы можете думать об управлении усилением как о регулировке громкости телефона во время разговора. Когда громкость вашего телефона слишком низкая, вы не сможете услышать человека на другом конце провода. И наоборот, они будут звучать искаженно, если вы слишком сильно увеличите громкость.

Между самой низкой и самой высокой громкостью есть сладкое место, где вы можете правильно слышать голос человека, независимо от того, говорит ли он нормально или кричит изо всех сил.

Нахождение этой «наилучшей точки» является одной из основных задач цифровых сигнальных процессоров. DSP определяет эту «зону наилучшего восприятия», сопоставляя мощность входного сигнала с напряжением, с которым выход (динамики или наушники) может комфортно работать без потери громкости или искажений.

DSP может взять эту постоянно меняющуюся золотую середину и выровнять динамику таким образом, чтобы радикально улучшить качество прослушивания.

Контроль шума или «Гейтирование»

Электронные компоненты подслушивающих устройств регулярно изменяют напряжение на этапе обработки сигнала, что приводит к воспроизведению звука. Однако нежелательные шумы, которые вы слышите, такие как гудение или шипение, также являются частью результатов обработки сигнала, которых вы не можете избежать.

Вы можете представить контроль шума в аудиоустройствах как гейт (отсюда ‘стробирование‘). Если ты прошепчешь «впусти меня», ворота не сдвинутся с места. Но когда вы кричите с гораздо большей громкостью, ворота откроются. Этот принцип заключается в том, как DSP может помочь уменьшить нежелательные шумы в вашем аудиооборудовании.

DSP может установить минимальный порог частоты звука, который должен передаваться на ЦАП и динамики. Такие шумы, как шипение и гудение, часто имеют низкую частоту, что позволяет процессорам обработки цифровых сигналов отфильтровывать их.

Автоматическая настройка звука

Быстрое улучшение цифровой обработки сигналов также оказывает огромное влияние не только на качество звука, но и на впечатления от прослушивания в целом. За последнее десятилетие или около того DSP стал краеугольным камнем современных аудиоустройств.

Например, адаптивный эквалайзер AirPods Pro и функция персонализированного звука Nuraphone используют форму ваших ушных раковин, чтобы найти наилучшие настройки эквалайзера, что обеспечивает более насыщенное и захватывающее прослушивание для пользователей.

Как работает DSP-аудио

Основные элементы цифровой обработки сигналов (DSP)

Процессоры цифровых сигналов не могут работать сами по себе. DSP требует помощи как АЦП, так и ЦАП для преобразования сигнала из аналогового в цифровой и наоборот.

Когда вы говорите или поете в микрофон, ваш голос воспринимается как аналоговый сигнал, который затем обрабатывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП). АЦП преобразует звуки и голоса, улавливаемые микрофоном (или другим входом), в 0 и 1 — двоичный язык, который понимают такие компьютеры, как DSP.

Как только АЦП успешно преобразует сигнал, он передаст его на DSP. Достигнув DSP, сигнал будет проходить такие процессы, как шумоподавление, настраиваемый эквалайзер, усиление басов, эхоподавление, кодирование и другие.

Внутри DSP есть несколько ключевых компонентов для выполнения описанных выше процессов:

• Память программ: содержит программу/программное обеспечение, которое DSP будет использовать для обработки данных.
• Память данных: хранит данные, которые необходимо обработать.
• Compute Engine: доступ к информации из памяти программ и данных и обработка сигнала.
• Ввод/вывод: то, что DSP использует для сбора/распределения информации из/в реальный мир.

Звуки, по своей сути, представляют собой движущиеся частицы воздуха, которые могут быть воспроизведены в виде аналоговых сигналов с использованием электрического переменного тока (AC). Когда этот электронный сигнал преобразуется в двоичный, вычислительная машина DSP может изменить информацию в нем, чтобы улучшить звук.

Наиболее простой формой цифровой обработки сигналов является подавление шума и эха. В наушниках ANC DSP использует шумы, улавливаемые микрофонами, а затем создает контрчастоты, которые сводят их на нет.

Цифровые сигнальные процессоры также подавляют эхо, «прослушивая» копию только что созданного сигнала. Когда они замечают копию сигнала, они удаляют ее и передают «очищенный» цифровой выходной сигнал на ЦАП. Затем ЦАП преобразует его в аналоговый выход, который можно использовать в реальном мире.

Почему некоторые аудиофилы не любят DSP Audio

DSP обеспечивает множество преимуществ при прослушивании аудио. Тем не менее, у него есть несколько недостатков, которые отвратили некоторых аудиофилов от использования устройств с цифровыми сигнальными процессорами.

Проблемы с точностью звука

Многие аудиофилы стремятся к чистоте. Однако в процессе аналого-цифрового преобразования имеет место потеря точности звучания. Он берет сложную цветную звуковую волну и упрощает ее до двоичного языка нулей и единиц, и многие меломаны говорят, что могут услышать разницу.

Хотя цифровое преобразование технически представляет собой преобразование аналоговой волны в двоичный код, большинство продюсеров и музыкантов сегодня не жалуются на доцифровой век. Реальность такова, что подавляющее большинство зрителей не смогут услышать разницу между аналоговым и цифровым звуком, и большинство продюсеров, музыкантов и инженеров осознают эту реальность.

Основное использование DSP заключается в настройке звука для устранения любых дефектов. Например, если в исходной записи отсутствуют басы, DSP может проделать технологическое волшебство, чтобы добавить к ней немного низких частот. То же самое относится и к вокалу, средним и высоким частотам любой песни — DSP может просто сделать их относительно «лучше».

Однако, хотя ни одна песня или музыкальная запись не являются идеальными, это не так уж и плохо. На самом деле, многие меломаны предпочитают, чтобы в их музыке была идиосинкразия. Музыка, дисторшн, глюки и «атмосфера» — одинаково важные части звука, которого они хотят.

Вот почему некоторые аудиофилы держатся подальше от DSP, чтобы их звуковые дорожки оставались аутентичными и верными тому, что задумано.

Но опять же, не всем слушателям музыки нужен этот сырой и аутентичный звук. Миллионы слушателей, не являющихся энтузиастами, просто хотят песни, которыми они могут наслаждаться в самолетах, поездах и поездках на работу.

Вы заядлый меломан, который клянется жить своим музыкальным вкусом? Ознакомьтесь с нашими вдохновляющими музыкальными татуировками, чтобы найти те, которые достойны того, чтобы нарисовать их на вашей коже.

ЦАП против DSP

Есть некоторые распространенные заблуждения про ЦАП и DSP. Некоторые люди либо не могут различить их, в то время как другие не знают, стоит ли использовать обычный ЦАП или что-то со встроенным DSP.

Если вы один из тех, кто остается в замешательстве, не волнуйтесь. Ниже мы ответим на часто задаваемые вопросы:

В чем разница между ЦАП и DSP?

Как следует из названия, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — это устройство, которое строго преобразует цифровой сигнал в аналоговый выходной сигнал. Если он выполняет какую-либо обработку принимаемого сигнала, это не чистый ЦАП.

Объяснение выше совпадает с ответом u/ruinevil на Ветка Reddit который спрашивает: «Есть ли разница между DSP и ЦАП?»

Взгляд пользователя на разницу DAC и DSP. (От: reddit.com)

Многих может смутить то, что DSP часто появляются в той же системе, что и ЦАП, и АЦП.

Причина этого в том, что DSP имеют дело только с двоичной или цифровой информацией, а мир вокруг нас аналоговый. Другими словами, DSP требуют, чтобы АЦП понимал информацию, а ЦАП — для того, чтобы сделать информацию пригодной для использования в реальном мире.

Стоит ли выбирать ЦАП со встроенным DSP?

Прямой ответ будет: да, вам следует выбрать ЦАП со встроенным DSP. Наличие DSP внутри вашего ЦАП потенциально может значительно улучшить качество звука независимо от того, что вы слушаете.

Hifiberry DAC + DSP (с сайта Hifiberry.com)

Например, ЦАП Hifiberry + DSP сочетает в себе цифровой сигнальный процессор и возможности аналогового преобразования без необходимости использования двух отдельных устройств.

Но что уникально в этом продукте, так это то, что вы также получаете чистый лист. В Hifiberry DAC + DSP нет встроенного программного обеспечения или приложений. Учитывая компактный размер, есть ограничения на то, чего вы можете достичь. Тем не менее, простая эквализация комнаты, понижение или повышение частоты дискретизации не должны быть проблемой.

Если вы не очень хорошо разбираетесь в аудиотехнике или разработке собственных функций, но вам все же нужна компактная комбинация ЦАП + DSP, МиниDSP 2×4 HD может быть отличной альтернативой с удобным интерфейсом.

Заключение

Цифровой сигнальный процессор — это технологический прорыв, который позволяет быстро и точно вносить различные улучшения и изменения в цифровой сигнал. В аудиоустройствах DSP могут волшебным образом улучшать качество звука, не воздействуя на напряжение, как в аналоговом оборудовании.

Но хотя наличие DSP имеет свои преимущества, ведутся некоторые споры о том, обязательно ли это улучшение для прослушивания в целом. Прочитав объяснение выше, как вы относитесь к DSP? Дайте нам знать!