المعالجة الرقمية للإشارات - DSP في شبكات الحاسوب

ما هي المعالجة الرقمية للإشارات_DSP؟

يمتلئ عالم العلوم والهندسة بالإشارات، صور من مسابر فضائية بعيدة، الفولتية التي يولدها القلب والدماغ، أصداء الرادار والسونار، الاهتزازات الزلزالية وتطبيقات أخرى لا حصر لها ومعالجة الإشارات الرقمية.

(Digital Signal Processor (DSP: هو علم استخدام أجهزة الحاسوب لفهم هذه الأنواع من البيانات ويتضمن ذلك مجموعة متنوعة من الأهداف: التصفية والتعرف على الكلام وتحسين الصور وضغط البيانات والشبكات العصبية وغير ذلك الكثير، فإن (DSP) هي واحدة من أقوى التقنيات التي ستشكل العلوم والهندسة في القرن الحادي والعشرين، لنفترض أننا قمنا بتوصيل محول من تناظري إلى رقمي بجهاز حاسوب، ثم استخدمناه للحصول على جزء كبير من بيانات العالم الحقيقي.

(DSP) تعني معالج الإشارات الرقمية والذي يبدو بديهيًا إلى حد ما وتوجد التكنولوجيا داخل سماعات الرأس والهواتف الذكية ومكبرات الصوت الذكية ومعدات صوت الاستوديو وأنظمة الترفيه في السيارة وغير ذلك الكثير، كأنها في الواقع حجر الزاوية في المنتجات الصوتية الحديثة وربما تكون على دراية بفكرة المعالج من وحدة المعالجة المركزية للحاسوب والتي تم تصميمها كمعالجات متعددة الأغراض.

المعالجة الرقمية للإشارات هو معالج مخصص لعدد من الإشارات الرقمية مثل الصوت، لقد تم تصميمها لأداء وظائف رياضية مثل الجمع والطرح بسرعة عالية مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة وإذا كان الجهاز يقوم بمعالجة الصوت، فمن المؤكد أنه يحتوي على (DSP) مدمج.

تظهر رقائق (DSP) بمجموعة متنوعة من الأحجام والأسعار ونقاط الأداء والارتقاء إلى المعالجات متعددة القنوات في السيارات ومعدات الاستوديو الاحترافية، وصولاً إلى شرائح صغيرة منخفضة الطاقة للتعرف على صوت مكبر الصوت الذكي، فيتم استخدامها لتسريع تنفيذ الخوارزميات المتعلقة بالصوت مع استهلاك طاقة أقل من وحدة المعالجة المركزية النموذجية.

على سبيل المثال، هناك المعالجة الرقمية للإشارات داخل هاتفك الذكي لفك تشفير ملفات MP3، وتعزيز جهير الموسيقى الخاصة بك وتشغيل الرياضيات لإلغاء الضوضاء النشط والتعرف على صوتك عندما تقول “مرحبًا، Google!” وتم العثور على وحدات المعالجة الرقمية للإشارات أيضًا داخل سماعات الرأس اللاسلكية لتحويل برامج ترميز Bluetooth مرة أخرى إلى إشارات تمثيلية، ومكبرات صوت للسينما المنزلية لفك تشفير تدفقات البيانات إلى تجربة صوت محيط وإذا كان يعالج الصوت، فمن شبه المؤكد أنه يحتوي على (DSP).

كيف ستغير المعالجة الرقمية للإشارات_DSP الموسيقى الخاصة بك:

تعتبر (DSPs) مهمة؛ لأنها جزء أساسي من معدات الصوت الحديثة، من سماعات الرأس إلى (DAC) ومكبرات الصوت للسيارات والمعدات الاحترافية، أيضاً يمنحك المعالجة الرقمية للإشارات عالي الجودة قوة معالجة للتأثيرات عالية الجودة التي تتراوح من (EQs) على الجهاز إلى التعرف على الصوت وإلغاء الضوضاء النشط وقدرات الصوت المحيطة وتتطلب (DSPs) المتميزة أيضًا القليل جدًا من الطاقة، مما يطيل عمر بطارية أجهزتك للاستماع لفترة أطول.

ومع ذلك، فإنّ إمكانات المعالجة الرقمية للإشارات ليست شيئًا ستجده في العديد من أوراق المواصفات، إن وجدت ومع سماعات الرأس، يتم تجميع (DSPs) مع إمكانيات شريحة (Bluetooth)، بينما توفر الأجهزة الأخرى غالبًا قدرات قيادة (ADC) و (DAC) ومكبرات الصوت، جنبًا إلى جنب مع المعالجة الرقمية للإشارات، على شريحة واحدة وبدلاً من البحث عن مواصفات المعالجة، تظهر إمكانيات معالج الإشارة الرقمية في إمكانات المنتج الأخرى، مثل تلك المذكورة أعلاه.

على سبيل المثال، تستخدم (Apple AirPods Pro) شكلاً من أشكال المعالجة الرقمية للإشارات لقياس قناة أذنك، ثم ضبط أداء سماعات الأذن لتحسين جودة الصوت وبالإضافة إلى ذلك، تحتاج تقنية (360 Reality Audio) من سوني إلى تعيين أذنك وتعديل إشارته لتحقيق سحرها وحتى المهووسين بالموسيقى مثل الموظفين الذين يستخدمون صناديق (DSP) عند الذهاب إلى السوق للقيام بأشياء مثل الأداء الصحيح لمكبرات الصوت في رف الكتب وسماعات الرأس.

وحتى معايرة أنظمة الصوت المحيطي الافتراضية المضمنة في منتجات مثل (Sennheiser Ambeo Soundbar)، باستخدام وحدة المعالجة الرقمية للاشارات مع ميكروفون مناسب، يمكنك قياس خرج معدات الصوت الخاصة بك في أي بيئة وتصحيح الإخراج ليبدو بالطريقة التي تريدها تلقائيًا.

كيف تختلف المعالجة الرقمية للإشارات_DSP عن وحدة المعالجة المركزية؟

هذا هو الجزء الفني، لذا اربط حزام الأمان ولتغطية الأساسيات بسرعة، يتم بناء أي معالج على بعض المبادئ الأساسية وهي: أجهزة فك التشفير التي تحول الكود إلى عمليات تخبر المعالج بما يجب فعله وسجلات وذاكرة لتخزين العمليات والبيانات، أيضاً وحدات التنفيذ لحل الرياضيات ونقل البيانات، فهذا هو ما يُعرف ببنية المعالج باستخدام (DSP) حديث، لم تعد بحاجة إلى الأمل في أن تبدو معداتك الصوتية جيدة، يمكنك إجبارها على ذلك في أي وقت من خلال جعل الأجهزة الإلكترونية تعوض أوجه القصور.

الشيء الأساسي الذي يجب فهمه هو أنه يمكنك إنشاء وحدة تنفيذ لتشغيل واحدة أو أكثر من مجموعة واسعة من العمليات الحسابية الموجودة هناك، فإنها مسألة حالة الاستخدام المطلوبة وميزانية الطاقة فيما يتعلق بما ستفعله هذه الوحدات وإن مجرد التعبئة في كل خيار ممكن سيكون هدرًا للغاية من حيث الحجم واستهلاك الطاقة وتتضمن وحدات المعالجة المركزية العامة وحدات تنفيذ للأشياء الأساسية مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة، لكنها لن تسرع العمليات النادرة والأكثر تعقيدًا في الأجهزة.

باختصار، تم تحسين (DSP) للمهام الأكثر شيوعًا المستخدمة في أحمال عمل معالجة الإشارات الرقمية وتتضمن القائمة رياضيات النقطة العائمة وعملية النموذج وحساب التشبع، أيضاً عمليات الضرب المتراكم (MAC) وعمليات الجمع المضاعفة المدمجة (FMA)، فغالبًا ما تكون هذه الوظائف مطلوبة في المرشح وتحويل فورييه وتشفير الترميز وخوارزميات المعالجة الرقمية للاشارات الأخرى وتُصمم معالجات الإشارات الرقمية عادةً لتشغيل عدد من هذه العمليات بالتوازي (بنية فائقة السرعة) لمعالجة أسرع بكثير مع سرعات ساعة أقل من وحدة المعالجة المركزية النموذجية.

يستخدم المعالجة الرقمية للإشارات أيضًا أنظمة ذاكرة محسّنة للغاية نظرًا لأن عينات الصوت تعتمد على الوقت، يتم تغذيتها داخل وخارج (DSP) باستخدام مخازن مؤقتة ملتوية أو أول ما يخرج أولاً (FIFO) وتم تحسين معماريات ذاكرة المعالجة الرقمية للاشارات لتدفق البيانات عالي الترتيب هذا، على عكس وحدات المعالجة المركزية (CPU) التي تستخدم كتلًا قابلة لإعادة التخصيص من الذاكرة حيث يكون الموقع المحدد للسجل أقل أهمية في كثير من الأحيان.

وبهذا المعنى، فإن معماريات المعالجة الرقمية هي عبارة عن خط أنابيب مرتب بينما تعمل وحدات المعالجة المركزية (CPU) في كثير من الأحيان خارج النظام على هذا النحو، يعتمد (DSP) أيضًا بشكل كبير على الوصول المباشر للذاكرة (DMA)، كالذي ينقل البيانات داخل وخارج المخازن المؤقتة على فترات منتظمة دون استهلاك وقت المعالجة ولن تجد هذا كثيرًا أيضًا مستخدمًا في وحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة.

بشكل عام، تم تحسين (DSPs) في مجالين رئيسيين مقارنة بوحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة وتعمل على تسريع العمليات الحسابية الشائعة في المعالجة الرقمية للاشارات في الأجهزة وتتباهى بهياكل ذاكرة محددة مصممة لتدفقات البيانات في الوقت الفعلي، فالنتيجة الصافية هي معالجة أسرع وأكثر كفاءة للصوت وبعض أنواع البيانات الأخرى.

لماذا يجب الانتباه في المعالجة الرقمية للإشارات_DSP؟

في عام 2020، بدأت العديد من الشركات البارزة في تبني القوة التحويلية لمزود خدمة الإشارة المستخدم بشكل صحيح وبدءًا من إنشاء صوت ثلاثي الأبعاد بدقة، إلى تحسين الموسيقى تلقائيًا، إلى تمكين الجيل التالي من برامج ترميز الصوت عبر البلوتوث، فإن زيادة التطوير في مجال المعالجة الرقمية للإشارات ستغير طريقة استماعنا بطرق صارخة للغاية وفي حين أنه قد يكون بطيئًا في النسخ، وسيستغرق الأمر بضع سنوات حتى يرى معظم الأشخاص هذه التحسينات، لم يكن هناك وقت أكثر إثارة لمعرفة أين سيذهب الصوت الشخصي.