معالج الإشارات الرقمية - DSP

تأخذ معالجات الإشارات الرقمية (DSP) إشارات العالم الحقيقي مثل الصوت أو الصوت أو الفيديو أو درجة الحرارة أو الضغط أو الموضع الذي تم رقمنته ثم معالجتها رياضياً حيث تم تصميم (DSP) لأداء وظائف رياضية، مثل الجمع والطرح والضرب والقسمة بسرعة كبيرة.

ما هو معالج الإشارات الرقمية – DSP؟

معالج الإشارات الرقمية (Digital Signal Processor): هو معالج مخصص لتحليل ومعالجة عدد من الإشارات الرقمية مثل الصوت حيث تم تصميمها لأداء وظائف رياضية مثل الجمع والطرح بسرعة عالية مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة.

تحتاج الإشارات إلى المعالجة بحيث يمكن عرض المعلومات التي تحتويها أو تحليلها أو تحويلها إلى نوع آخر من الإشارات قد يكون مفيداً، أمّا في العالم الحقيقي تكتشف الأجهزة التماثلية إشارات مثل الصوت أو الضوء أو درجة الحرارة أو الضغط، وتتلاعب بها حيث تأخذ المحولات، مثل المحول التماثلي إلى الرقمي إشارة العالم الحقيقي وتحولها إلى تنسيق رقمي من (1 و0) حيث يتولى (DSP) زمام الأمور من خلال التقاط المعلومات الرقمية ومعالجتها ثم يقوم بتغذية المعلومات الرقمية مرة أخرى لاستخدامها في العالم الحقيقي.

يقوم بذلك بإحدى طريقتين، إمّا رقمياً أو بتنسيق تماثلي من خلال المرور عبر محول رقمي إلى تماثلي حيث يحدث كل هذا بسرعات عالية جداً، فمثلاً عند استخدام (DSP) في مشغل الصوت (MP3) وأثناء مرحلة التسجيل، يتم إدخال الصوت التماثلي من خلال جهاز استقبال أو مصدر آخر ثم يتم تحويل هذه الإشارة التماثلية إلى إشارة رقمية بواسطة محول تماثلي إلى رقمي وتمريرها إلى (DSP).

يقوم (DSP) بتنفيذ ترميز (MP3) ويحفظ الملف في الذاكرة وأثناء مرحلة التشغيل، يتم أخذ الملف من الذاكرة وفك تشفيره بواسطة (DSP) ثم تحويله مرة أخرى إلى إشارة تماثلية من خلال المحول الرقمي إلى التماثلي بحيث يمكن إخراجها من خلال نظام السماعات، وفي مثال أكثر تعقيداً يؤدي (DSP) وظائف أخرى مثل التحكم في مستوى الصوت والتوازن وواجهة المستخدم.

يمكن استخدام معلومات (DSP) بواسطة الكمبيوتر للتحكم في أشياء مثل الأمان والهاتف وأنظمة المسرح المنزلي وضغط الفيديو حيث يتم ضغط الإشارات بحيث يمكن إرسالها بسرعة وكفاءة أكبر من مكان إلى آخر، فعلى سبيل المثال يمكن لعقد المؤتمرات عن بعد نقل الكلام والفيديو عبر خطوط الهاتف، كما يمكن أيضاً تحسين الإشارات أو التلاعب بها لتحسين جودتها أو تقديم معلومات لا يستشعرها البشر، مثل إلغاء الصدى للهواتف المحمولة أو الصور الطبية المحسنة بالكمبيوتر، وعلى الرغم من أنّه يمكن معالجة إشارات العالم الحقيقي في شكلها التماثلي فإنّ معالجة الإشارات رقمياً توفر مزايا السرعة والدقة العالية.

ماذا يوجد داخل DSP؟

يحتوي DSP على هذه المكونات الرئيسية:

• ذاكرة البرنامج: يخزن البرامج التي سيستخدمها (DSP) لمعالجة البيانات.
  
• ذاكرة البيانات: يخزن المعلومات المراد معالجتها.
  
• محرك الحساب: يقوم بمعالجة الرياضيات والوصول إلى البرنامج من ذاكرة البرنامج والبيانات من ذاكرة البيانات.
  
• الإدخال أو الإخراج: يقدم مجموعة من الوظائف للاتصال بالعالم الخارجي.
  
• هناك عدد قليل من الأجزاء المختلفة التي تشكل نظام (DSP) ناجحاً من المدخلات والمخرجات، وهذه هي الواجهة للعالم المادي والأجهزة الأخرى حيث يتم تحويل الإشارات التماثلية إلى رقمية ومعالجتها ثم تحويلها مرة أخرى إلى المجال التماثلي للتفاعل مرة أخرى مع مستخدمين، وشريحة (DSP) أي دماغ نظام (DSP) يتم فيها إجراء جميع الحسابات والخوارزميات اللازمة هنا.
  ذاكرة (DSP) هو المكان الذي يتم فيه تخزين خوارزميات (DSP) أي ذاكرة البرنامج، مثل أي برنامج ذاكرة وتخزن ذاكرة البرنامج في (DSP) البرامج اللازمة لترجمة البيانات، ومحرك كمبيوتر هذا هو جزء من (DSP) الذي يحسب جميع الوظائف الرياضية التي تحدث أثناء الاتصال، أمّا ذاكرة البيانات هي مساحة تخزين لأية معلومات قد تحتاج إلى المعالجة.
  

لماذا تعتبر معالجة الإشارات الرقمية مهمة؟

 تعد معالجة الإشارات الرقمية مهمة لأنّها تزيد بشكل كبير من القيمة الإجمالية لحماية السمع مثلاً، على عكس الحماية السلبية حيث يمنع (DSP) الضوضاء بدون حجب إشارة الكلام، يُعد هذا جانب مهم للغاية لحماية سمع المستخدم خاصةً عندما يكون المستخدمون منغمسين في بيئات العمل الصناعية حيث تحمي أنظمة (DSP) المستخدمين من التعرض غير الصحي للضوضاء دون المساومة على الاتصال، فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل (DSP) ذو قيمة:

1. قوة معالج الإشارة:

يتم تحويل إشارات العالم الحقيقي إلى مجال يتم فيه تطبيق النماذج العلمية والرياضية المجردة والنتيجة هي نظام معالجة قوي.

2. المعلومات الناتجة:

يمكن استخدام المعلومات لتحسين أو تحسين الجوانب المرغوبة للإشارة أو حتى لتقليل الجوانب غير المرغوب فيها أي التكيف حيث يعالج (DSP) المعلومات بشكل تكيفي، ويكون هذا المفهوم ضروري في تطبيق ديناميكي مثل الصوت والكلام، خاصةً عند تطبيقه في البيئات الصناعية.

3. المرونة في جهاز المعالج:

يقوم (DSP) بخلق المرونة حيث تتوفر التغييرات والتحديثات والتخصيصات والعديد من الميزات الأخرى مع تنفيذ أنظمة (DSP).

4. كفاءة جهاز DSP:

يسمح (DSP) للمستخدمين بإنجاز المهمة بكفاءة وعملية وفعالية من حيث التكلفة.

أين تستخدم معالجة الإشارات الرقمية؟

تُستخدم معالجة الإشارات الرقمية في كل مكان حيث يستخدم (DSP) بشكل أساسي في مجالات الإشارات الصوتية ومعالجة الكلام والرادار وعلم الزلازل والصوت والسونار والتعرف على الصوت وبعض الإشارات المالية، فعلى سبيل المثال معالجة الإشارات الرقمية واستخدامها للضغط خطاب للهواتف النقالة، فضلاً عن نقل الكلام للهواتف النقالة.

يستخدم (DSP) أيضاً في معدات سماعات الرأس النخبة لحماية المستخدمين من تلف السمع حيث يكون القمع والتعزيز مهم بنفس القدر، أمّا في الصناعات الرائدة في مجال حماية السمع والاتصالات على رأس العمل مثل استخدام (Sensor) معالجة الإشارات الرقمية لخلق تجربة اتصال آمنة والجودة، كما تشمل التطبيقات الأخرى (MP3) معالجة الملف ومسح (CAT) ورسومات الحاسوب والتصوير بالرنين المغناطيسي ومكبرات الصوت حتى لبعض القيثارات الكهربائية.

الهدف من معالجة الإشارات الرقمية:

يُعد الغرض من معالجة الإشارات الرقمية هو تصفية الإشارات التماثلية من الوقت الحالي والفراغ حيث يتم استخدامه في مجموعة متنوعة من المعدات التكنولوجية، ولكنّه يمثل جانباً مهماً بشكل خاص في معدات الاتصالات الخاصة بقمع الضوضاء وتحسين الصوت.

تشير معالجة الإشارات الرقمية (DSP) إلى تقنيات مختلفة لتحسين دقة وموثوقية الاتصالات الرقمية، والنظرية الكامنة وراء (DSP) معقدة للغاية حيث يعمل (DSP) من خلال توضيح مستويات أو حالات الإشارة الرقمية أو توحيدها، أمّا دارة (ADSP) قادرة على التفريق بين الإشارات التي يصنعها الإنسان والتي تكون منظمة والضوضاء والتي هي بطبيعتها فوضوية، كما تحتوي جميع دوائر الاتصالات على بعض الضوضاء وهذا صحيح سواء كانت الإشارات تماثلية أو رقمية وبغض النظر عن نوع المعلومات المنقولة.

الضوضاء هي اللعنة الأبدية لمهندسي الاتصالات الذين يسعون دائماً لإيجاد طرق جديدة لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في أنظمة الاتصالات حيث تتضمن الطرق التقليدية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S / N) زيادة قدرة الإشارة المرسلة وزيادة حساسية المستقبل، أمّا في الأنظمة اللاسلكية يمكن أن تساعد أنظمة الهوائي المتخصصة أيضاً على التقليل من الضوضاء، كما تعمل معالجة الإشارات الرقمية على تحسين حساسية وحدة الاستقبال بشكل كبير.

يكون التأثير أكثر وضوحاً عندما مقارنة الضوضاء مع الإشارة المرغوبة حيث يمكن أن تبدو دائرة (DSP) الجيدة أحياناً كعامل معجزة إلكترونية، ولكن هناك حدود لما يمكن أن تفعل فإذا كانت الضوضاء قوية جداً بحيث يتم طمس جميع آثار الإشارة، فلن تتمكن دائرة (DSP) من العثور على أي ترتيب في الفوضى ولن يتم استقبال أي إشارة.

وإذا كانت الإشارة الواردة تناظرية، فعلى سبيل المثال محطة بث تلفزيوني قياسي حيث يتم تحويل الإشارة أولاً إلى شكل رقمي بواسطة محول تماثلي إلى رقمي (ADC)، كما تحتوي الإشارة الرقمية الناتجة على مستويين أو أكثر، أمّا من الناحية المثالية تكون هذه المستويات دائماً يمكن التنبؤ بها أو الفولتية أو التيارات الدقيقة، ومع ذلك لأنّ الإشارة الواردة تحتوي على ضوضاء، فإنّ المستويات ليست دائمًا عند القيم القياسية.

تقوم دائرة (DSP) بضبط المستويات بحيث تكون في القيم الصحيحة، وهذا عملياً يزيل الضوضاء ثم يتم تحويل الإشارة الرقمية مرة أخرى إلى التماثلية من خلال محول رقمي إلى تمثيلي (DAC)، أمّا إذا كانت الإشارة المستقبلة رقمية، فعلى سبيل المثال بيانات الكمبيوتر فإنّ (ADC وDAC) غير ضروريين حيث يعمل (DSP) مباشرةً على الإشارة الواردة، ممّا يزيل المخالفات التي تسببها الضوضاء وبالتالي يقلل من عدد الأخطاء لكل وحدة زمنية.

يمكن تعريف معالجة الإشارات الرقمية بكل بساطة على أنّها معالجة إشارة في المجال الرقمي لتحليل الإشارة المرادة وقياسها ومعالجتها باستخدام الحسابات الرياضية حيث تتضمن معالجة الإشارات الرقمية تبادل المعلومات بحيث يمكن ملاحظة المعلومات المذكورة أو تحليلها أو تحويلها إلى شكل منفصل من الإشارات، كما أنّه يحدث هذا بسرعة كبيرة والعملية برمتها لا يلاحظها المستخدم حتى، ومع ذلك فإنّ معالجة الإشارات الرقمية عنصر حاسم في سماعة رأس جيدة مثلاً.