Signaaliprotsessor

Signaaliprotsessor (ingl digital signal processor, lühend DSP) on spetsiaalne mikroprotsessor, mis töötleb signaale ja seda enamasti reaalajas (sündmuse tegeliku toimumise ajal). Tänapäeval põhinevad peaaegu kõik heli, pildi ja video salvestamise, ülekandmise ja säilitamise meetodid digitaalsel signaalitöötlusel. Töötlemiseks kulub teatav aeg, kusjuures signaal võib töötlustraktis hilistuda mikrosekundi osadest raadiotehniliste signaalide korral kuni sekunditeni tihendatud heli- ja videosignaalide korral.

Analoogsignaali töötlemiseks sisaldab signaaliprotsessor analoog-digitaalmuundurit (ADC) ja digitaal-analoogmuundurit (DAC). Digitaalse signaaliprotsessori eelis analoogsignaali otsese analoogelektroonika vahenditega töötlemise ees on signaalitöötluse algoritmi või selle parameetrite muutmise või teise vastu vahetamise hõlpsus, sest DSP puhul pole riistvaralisi muudatusi selle juures vaja teha.

Digitaalse signaaliprotsessori võimalused

DSP teeb võimalikuks signaali töötlemise operatsioonid, mida analoogkujul on raske või võimatu teha, näiteks

teostada kõrget järku sagedusfiltreerimist väikese faasiveaga (nt tämbri reguleerimiseks);
rakendada kohandatud mürasummutust ja dünaamikakompressiooni (ahendada audiosignaali dünaamikaulatust);
parandada kõne arusaadavust;
lisada algsele helile kaja efekte või siis eemaldada parasiitsignaalina lisandunud kaja;
võimaldada kõnetuvastust ja kõnesünteesi jm.

Andmetöötlus reaalaajas

Audio- ja videosignaali korral on vaja jooksvalt (reaalajas) töödelda pidevalt muutuvaid andmeid etteantud edastuskiirusel. Sellest tulenevalt on DSP arhitektuuris mitmeid iseärasusi signaalitöötluse kiirendamiseks, eriti seoses selliste toimingutega, nagu digitaalne filtreerimine, Fourier' teisendus, autokorrelatsioon jt. Matemaatiliselt taanduvad need ülesanded reaalarvude mitmekomponendiliste vektorite elementide omavahelisele korrutamisele koos sellele järgneva korrutiste summeerimisega (nt digitaalsel filtreerimisel on filtri väljundsignaal võrdne summaga korrutistest, mille teguriteks on filtri koefitsiendid ja sämplid). Seepärast ongi signaaliprotsessorid optimeeritud just nimetatud operatsioonide kiirele teostamisele, kusjuures võetakse jooksvalt arvesse andmemassiivide elementide aadressid. Selleks rakendatakse mitmesuguseid meetmeid, näiteks

MAC-funktsioon korrutamise ja liitmise samaaegseks teostamiseks ühes masinatsüklis (Y = Y + A × B);
etteantud käsustiku paljukordse kordamise riistvaraline realiseerimine;
spetsiaalsed sünkroonsed jadaliidesed digitaalsignaalide sisendis ja väljundis;
VLIW-arhitektuur, mis kasutab tõhusalt ära rööptöötlust käsutasandil.

DSP kiip videosignaali töötlemiseks mängukonsoolis Nintendo

DPS kiip elektrikitarri efektipedaalis

Signaaliprotsessorite kasutusalad

Sideseadmestik (andmetihendus edastuskanalites; audio- ja videovoogude kodeerimine)
Mikserpuldid (sagedusspektri analüüs, helinivoo seadmine jm)
Sagedusfiltrid (nt mitmeribaliste kõlarite võimendites)
Ekvalaiserid ja kõlavärvingu sead(ista)mise vahendid
Modemid
Spektrianalüsaatorid
Hüdro- (ultraheli-) ja raadiolokatsiooni süsteemid
Kõne- ja kujutisetuvastus
Kõne- ja muusikasüntesaatorid
Biomeditsiiniliste signaalide analüsaatorid
Paljud muud seadmed ja valdkonnad, kus on vaja kiiresti (peaaegu reaalajas) töödelda muutuvaid andmeid.

Ajaloost

Esimene spetsiaalne protsessor digitaalsignaalide töötlemiseks FDP (Fast Digital Processor) valmistati ettevõttes Lincoln Laboratory 1970. aastate algul ja see põhines von Neumanni arhitektuuril. Seejärel valmistati kiireks signaalitöötluseks kohasema Harvardi arhitektuuriga signaaliprotsessor LSP/2; selle koosseisu kuulus enam kui sada integraallülitust. Esimesed DSP-d ühel kiibil jõudsid saritootmisse 1980. aastate algul, tüüpilised esindajad Intel 2920, TMS32010 (Texas Instruments) ja µPD7720 (NEC).

Vaata ka

Digitaalne signaalitöötlus