DSP的定義_DSP在音頻信號(hào)上的各種應(yīng)用

　　在音響行業(yè)中，DSP是設(shè)備中的重要組成部分中的一員，更是數(shù)字音頻的重要標(biāo)志。我們知道，DSP本質(zhì)上并不能改變音色，但通過調(diào)音起到提高音效的作用，讓音樂悅耳動(dòng)聽。DSP不是產(chǎn)品，而是一門技術(shù)，既然是一門技術(shù)，就一定是為解決某個(gè)問題而存在的，DSP的存在就是為了處理數(shù)字音頻信號(hào)。

　　一、DSP定義

　　DSP的全稱為Digital Signal Processor，即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片。該芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的指令，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。

　　DSP的工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。

　　二、DSP芯片分類

　　基于DSP芯片構(gòu)成的控制系統(tǒng)事實(shí)上是一個(gè)單片系統(tǒng)，整個(gè)控制所需的各種功能都可由DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。因此，可以減小目標(biāo)系統(tǒng)的體積，減少外部元件的個(gè)數(shù)，增加系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于那些性能和精度要求高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、體積小的場合，基于DSP芯片來構(gòu)成控制系統(tǒng)是具有很高性能價(jià)格比的實(shí)現(xiàn)方法。DSP芯片可以按照下列三種方式進(jìn)行分類。

　　按基礎(chǔ)特性分---如果在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何時(shí)鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。如果有兩種或以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。

　　按數(shù)據(jù)格式分---數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片，不同浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，而有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式。

　　按用途分---按照DSP的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。

　　三、DSP系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　基于通用DSP芯片的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?） 精度高，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。精度僅受量化誤差即有限字長的影響，信噪比高，器件性能影響小。受溫度、環(huán)境等外部因素影響小。

　　（2） 編程方便，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法（含自適應(yīng)算法）。DSP芯片提供了高速計(jì)算平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理。

　?。?） 可程控，當(dāng)系統(tǒng)的功能和性能發(fā)生改變時(shí)，不需要重新設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試。如實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字濾波（低通、高通、帶通）；軟件無線電中不同工作模式的電臺(tái)通信；虛擬儀器中的濾波器、頻譜儀等。

　?。?） 接口簡單，系統(tǒng)的電氣特性簡單，數(shù)據(jù)流采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

　?。?） 集成方便。

　?。?） 可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等；

　?。?） 可用于頻率非常低的信號(hào)。

　　數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并且得到迅速發(fā)展。從音頻的質(zhì)量來說，數(shù)字音頻通過模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換后，越接近模擬音質(zhì)就越好，數(shù)字化技術(shù)在音頻的編輯、合成、效果處理、存儲(chǔ)、傳輸和網(wǎng)絡(luò)化及在價(jià)格等方面有極大的優(yōu)勢。

　　由于數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中，并不會(huì)像模擬信號(hào)那樣存在受到損耗和被干擾的問題，所以越來越多的音頻產(chǎn)品都采用了數(shù)字輸入接口，如CD機(jī)、DVD等。

　　四、DSP在音頻信號(hào)上的各種應(yīng)用

　　重點(diǎn)包括：主動(dòng)噪聲控制（Active Noise Cancellation），語音訊號(hào)處理（Speech Signal Processing）音樂 訊號(hào)處理（Audio Processing）。

　　主動(dòng)噪聲控制

　　傳統(tǒng)的被動(dòng)式隔音方法，單純以隔音材料阻隔噪聲，對(duì)中、低頻噪音源產(chǎn)生的噪聲幾乎無阻隔能力，因此必須以厚重的隔音材料方能產(chǎn)生效果。主動(dòng)噪聲控制是以 電子 閉回路控制的方法，產(chǎn)生和原始噪聲反相的聲音，以抵消原噪聲（如圖－1）。其優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)于抑制低頻噪聲極為有效。其應(yīng)用上的限制在于它無法控制中高頻段的噪聲（1.5K赫茲以上）

　　在通訊的各個(gè)環(huán)節(jié)，都可能產(chǎn)生惱人的噪聲，其綜合的 影響 ，便是降低通訊效率、成功率。主動(dòng)噪聲控制技術(shù)能在很多層面提高信噪比，且和傳統(tǒng)簡單的濾波器相比，它能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)各種狀況，過去濾波器所無法處理的不確定噪聲也可相當(dāng)程度地克服。

　　語音訊號(hào)處理

　　雖然目前許多資料已由數(shù)位編碼后，經(jīng)原有的語音通訊通道收發(fā)。但語音仍然穩(wěn)占所有通訊含量的第一位。對(duì)語音訊號(hào)的處理的需求，近年來呈現(xiàn)指數(shù)增長。語音技術(shù)可分為如下四項(xiàng)：語音增強(qiáng)（Speech Enhancement），語音辨識(shí)（Speech Recognition） ，語音編解碼（Speech Coding/Decoding），回聲抑制（Echo Suppression）。

　?。?） 語音增強(qiáng)

　　在語音信號(hào)的獲取手段上，各種拾音器（麥克風(fēng)）皆有其不同的頻響、方向性、穩(wěn)定性、拾取機(jī)制，多個(gè)不同特性的麥克風(fēng)組合陣列更可滿足使用者在各種頻段對(duì)訊號(hào)的多種不同要求（如圖－2），在滿足噪聲控制的任務(wù)下所取得的對(duì)電聲系統(tǒng)的有效把握，使我們能滿足各種用戶系統(tǒng)對(duì)信號(hào)拾取的要求。

　　在信號(hào)處理上，針對(duì)應(yīng)用場合、背景噪聲特性、語音清晰度對(duì)可允許的語音失真的相對(duì)要求等 ，我們可制定不同的方案，以滿足任務(wù)需求。例如，語音識(shí)別軟體對(duì)語音信號(hào)的要求，就有別于人耳對(duì)語音信號(hào)的要求，因此，在完成通訊時(shí)，和在完成語音識(shí)別任務(wù)時(shí)，需使用不同的程序。針對(duì)不同任務(wù)研發(fā)機(jī)構(gòu)若不能對(duì)語音特性具備全面的了解與把握，是無法在這上面取得真正優(yōu)化的結(jié)果。

　　此外，DSP技術(shù)在高速執(zhí)行單通道信號(hào)的檢波，多通道信號(hào)的對(duì)比，其速度可以做到讓使用者無法感到時(shí)間有延遲，在感覺上完全是實(shí)時(shí)工作的效果。

　?。?）語音辨識(shí)

　　語音識(shí)別系統(tǒng)的核心，應(yīng)具有硬件要求少，自含時(shí)間矯正，和能量矯正的特點(diǎn)。目前已實(shí)際應(yīng)用的為小辭匯量（200字）系統(tǒng)的獨(dú)立語音識(shí)別，中辭匯量（1800字）的核心亦完成。在自動(dòng)語音識(shí)別的發(fā)展方向上，將集中於發(fā)展語音控制技術(shù)，而非語音輸入技術(shù)。重點(diǎn)在于首次識(shí)別的準(zhǔn)確率，而非混合語意的輔助識(shí)別。

　?。?）語音編、解碼

　　由于在DSP具有語音處理上的強(qiáng)大功能，因此才有可能在語音編碼的設(shè)計(jì)、使用上，偏重使用壓縮比較高的“編碼激勵(lì)線性預(yù)測”（CELP）型算法。目前使用的開放標(biāo)準(zhǔn)為ITU的G.723.1，這種算法廣泛使用于IP的編解碼上，具有6.3Kbps和5.3Kbps兩種傳輸率，語音品質(zhì)高，抗噪聲能力和計(jì)算負(fù)荷適中。可提供用戶使用於各種平臺(tái)上。同時(shí)，專屬的2.4Kbps的語音編碼算法也在開發(fā)中，預(yù)計(jì)該算法將在語音品質(zhì)、抗噪聲能力、語音壓縮比、計(jì)算負(fù)荷、計(jì)算延時(shí)上取得更好的平衡。因以硬體性能不斷的提升，會(huì)適配較大的計(jì)算量的編碼方式，根據(jù)信息論的原理，若在不降低確定的信號(hào)指標(biāo)的條件下，如果采用高的壓縮比方式則必然相對(duì)的應(yīng)用大運(yùn)算量的編解碼方式，以在高壓縮比的情況下取得較好的音頻性能。

　?。?）回聲抑制

　　在長距離通訊及活動(dòng)通訊中，經(jīng)常會(huì)被回聲所困擾。無論是線性回聲，或是音響回聲，當(dāng)延時(shí)超過0.5秒 ，都會(huì)在接收端清晰的收到。針對(duì)這兩種現(xiàn)象，各有適用的回聲抑制算法。基于DSP的算法穩(wěn)定、簡潔，不但抑制響應(yīng)速度快，而且對(duì)Double Talk、Near-End-Speech及靜音狀態(tài)，皆能保持降噪性能。同時(shí)因?yàn)榫€性回聲時(shí)間延遲可在1毫秒到900毫秒的大范圍內(nèi)變動(dòng)，同樣有基于DSP專屬的算法來克服這種變異性對(duì)系統(tǒng)帶來的額外負(fù)荷（在傳統(tǒng)的回聲抑制系統(tǒng)中，300毫秒的延時(shí)意味者系統(tǒng)性能價(jià)格比的急劇劣化）。而這些算法的源代碼亦能應(yīng)用在各種通訊平臺(tái)上，解決長程通訊各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的問題。

　　音樂訊號(hào)處理

　　自從數(shù)字化的音樂規(guī)范開始流行后，因數(shù)字信號(hào)處理所附帶的彈性因素，已在影音訊號(hào)的儲(chǔ)存 、傳送、播放上，產(chǎn)生了許多開放規(guī)范和專屬規(guī)范。對(duì)使用者而言，它們帶來的效果，除了更耐久更廉價(jià)的儲(chǔ)存媒介、更多元化的接收管道外，也包括更絢麗的視聽效果。但在終端獲得和原始影音信號(hào)源相當(dāng)?shù)挠耙粜Ч?，到目前為止都仍然是昂貴且不見得有效的。為了實(shí)現(xiàn)所謂的“環(huán)場音效”，目前已有諸如Dolby Surround、Dolby ProLogic、AC-3 、THX等各式開放規(guī)范，也有商品化的解碼晶片。但整個(gè)環(huán)節(jié)中最弱的一環(huán)，是在由揚(yáng)聲系統(tǒng)到人耳的這一段。這一段的傳遞函數(shù)因不同的聽音者，不同的聽音環(huán)境而隨機(jī)的改變，甚至差異極大。原始錄音工程師的心血，在這一段經(jīng)常被糟蹋無遺。而且和傳統(tǒng)音響系統(tǒng)相同，這個(gè)性能最不容易把握的環(huán)節(jié)，往往也是投資昂貴的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　針對(duì)這一環(huán)節(jié)，DSP提出的解決方案。是獨(dú)立于上述開放規(guī)范之外，來建立一個(gè)近似環(huán)場音效系統(tǒng)，在信號(hào)后期處理階段，則以更人性化的雙聲道，來模擬上述規(guī)范所要求的四加一或五加一聲道的要求，并

　　且以DSP動(dòng)態(tài)的 補(bǔ)償聲場的變異，基本上可以做到使用一個(gè)低成本基于DSP技術(shù)的系統(tǒng)去替代昂貴的非DSP的高檔系統(tǒng)，完整還原原始錄音效果。