DSP | คืออะไร จำเป็นไหม ทำไมผมถึงอยากได้

on .

DSP คือ อะไร มาจากไหน ทำไมคนใช้กันเยอะผมมีคำตอบครับ

ใครเคยได้ยินชื่อเสียงเรียงนามคำว่า dsp (ดีเอสพี) บ้างเปล่าครับ หรือเคยสงสัยรึเปล่าว่าเจ้าดีเอสพีที่ว่าเนี้ย มันเอาไว้ใช้ทำอะไร โดยเฉพาะช่วงหลังนี้กระแสมาแรงทั่วโลกทีเดียว หรือจะแค่ชื่ออีหรอบเดิมๆมาแล้วก็ไป มันดีจริงหรือแค่โม้หลอกตังค์ในกระเป๋าเราแบบของเล่นไฮเทคทั่วไป ผมลองพิมพ์คำว่า dsp ลงในกูเกิ้ลจะเจอแต่ทฤษฎี แต่ว่ามันคืออะไรกันแน่เจ้าอุปกรณ์เครื่องเสียงที่ชื่อว่า dsp (ดีเอสพี)

ลองค้นๆดูข้อมูล dsp เผอิญผมมีหนังสืออยู่สามสี่เล่มเกี่ยวกับเนื้อหา dsp พอปัดฝุ่นออกมาดูมันคือหนังสือเลขแคลคูลัสดีๆนี่เอง แต่เดี๋ยวผมจะเล่าให้ฟัง


หน้าตาอุปกรณ์ดีเอสพี | DSP 

 


 


ที่มาที่ไป

ครั้งหนึ่งในดินแดนอียิปท์โบราณเมื่อประมาณ 2,500 ปีก่อนคริสตกาล (ตอนนี้ก็ประมาณ 4000 กว่าปีได้) ภัยจากน้ำท่วมใหญ่เกิดเป็นประจำบริเวณแถบลุ่มน้ำไนล์ การเกิดวาตะภัยบ่อยครั้งเรียกว่าแทบจะทุกปี พอน้ำมามากก็เกิดความเดือดร้อน น้ำขาดก็เพาะปลูกอะไรไม่ได้โดยละแวกนั้นล้อมรอบไปด้วยทะเลทราย ฟาโรห์แห่งอาณาจักรอิยิปต์โบราณเกิดความคิดขึ้น ได้สั่งให้มีการบันทึกเหตุการณ์น้ำท่วมและสภาพอากาศทุกๆครั้ง ที่หินพาเลอร์โม (The Palermo stone) โดยได้บันทึกเหตุการณ์ไว้อย่างสมบูรณ์ในรูปแบบการแทนค่าสัญสักษณ์ (ถ้าเปรียบกับสมัยนี้คงเหมือนระบบดิจิตอล Digtal แต่ไม่ได้อยู่ในเลข 0,1 อย่างปัจจุบัน) และสัญลักษณ์ดังกล่าวถูกนำไปคำนวณและคาดคะเนจนได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นการบริหารจัดการบ้านเมือง ซึ่งวิธีการนี้ถูกขนานนามว่าเป็นหลักการของ Digital signal processing แรกๆของโลกที่ถูกคิดค้นขึ้น เพียงแต่ไม่ได้อยู่ในรูปชิพประมวลผลตามที่เกิดต่อมาในภายหลังอีกกว่า 4000 ปี (ซึ่งดีเอสพีเพิ่งจะเกิดจริงๆจังๆในปีค.ศ. 1973 นี้เอง)

 


 


ต่อมาในศตวรรษที่ 17

Abraham de Moivre คิดสูตรคำนวณ Generating function คล้ายสูตร z-transform ในปัจจุบัน (อะไรไม่ต้องสนใจ) แต่เป็นสูตรที่ได้พัฒนาเป็นดีเอสพี (dsp) ในเวลาต่อมา ประวัติศาสตร์เจ้าดีเอสพีนี่มันช่างยาวนานจริงๆ กว่าจะได้มาใช้กัน



แล้วมันเกี่ยวอะไรกับเครื่องเสียงเนี่ยย....งง ขอท้าวความถึงต้นกำเนิดประวัติศาสตร์นิดนึงครับ เพราะมันคือต้นกำเนิดของการนำข้อมูลมาจัดการโดยอาศัยวิชาเลขมาช่วย โดยเราจะเรียกว่ามันว่า "อัลกอริทึ่ม" อะไรทึ่มๆ งงกว่าเดิมอีก

 


Algorithm คืออะไร

"อัลกอริทึ่ม" คิดแบบบ้านๆมันก็คือสูตรเลขสูตรสำเร็จรูป เปิดปุ๊บใช้ได้ปั็บ ส่วนมากเขียนมาจากภาษาคอมพิวเตอร์ ภาษาซี (C++) และถูกบรรจุอยู่ในชิพ dsp แต่ละตัว บางตัวก็มีอัลกอริทึ่มที่พิเศษกว่าตัวอื่น เอาไปใช้ทำอะไรซักอย่างตามแต่เราต้องการ อย่างเช่นการวิเคราะห์สภาพอากาศ วิเคราะห์ดิน หิน วิเคราะห์แก้ไขความถี่เสียง กระทั่งวิเคราะห์ภาพถ่ายกลุ่มก๊าซในอวกาศ

ตัวอย่างอัลกอริทึ่มสำหรับครอสโอเวอร์ 4th ordered

 


 

พลังขับเคลื่อน | Processing power

พอเรามีหัวใจของ dsp อย่างอัลกอริทึ่มที่ว่ามาแล้วใช่ว่าเราใช้งานได้ในทันที สิ่งต่อมาเรายังต้องการพลังขับเคลื่อนเพื่อที่จะคำนวณข้อมูลจำนวนมหาศาลอีกด้วย เราถึงจะนำข้อมูลไปใช้ได้ แต่ปัญหาก็เกิดทันทีเพราะเราไม่มีใครคนไหนสามารถคำนวณข้อมูลได้ครั้งละมากๆต่อเนื่องกันตลอดเวลาโดยไม่มีการหยุดพัก ถ้าคำนวณพลาดก็จะเกิดการสำลักข้อมูลเออเร่อตามมา เราจึงต้องมีชิพระบบประมวลผลทำหน้าที่คล้าย cpu ในคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วสูงๆเพื่อทำงานคู่กันอีกด้วย

ยกตัวอย่าง นึกตามนะครับ ถ้าเราอยากปรับแต่งเสียงในรถของเรา โดยดีเอสพีทำงานที่ความละเอียด 48K sampling ซึ่งจะเท่ากับ 48000 ข้อมูลต่อหนึ่งวินาที ฉะนั้นหนึ่งวินาทีต้องทำการคำนวณสี่หมื่นแปดพันครั้งต่อวินาทีต่อหนึ่งคำสั่ง ถ้าเครื่องเสียงมี 8 แชนแนล เอาไปคูณแปดครับเดากันเอาเอง (แอบกดเครื่องคิดเลข 384,000 ครั้งต่อเสียงแค่วินาทีครับ) อันนี้เฉพาะคำสั่งเดียวนะครับ แล้วถ้าเกิดผมใส่ไปเป็นร้อยคำสั่งก็เอาไปคูณร้อย 38,400,000 (ต้องกดเครื่องคิดเลขถึงสามสิบแปดล้านครั้ง) ต่อเสียงที่เราได้ยินแค่หนึ่งวินาที

จอร์จ มันยอดมาก

ใครคิดมาเนี่ยสุดยอดมากครับเมื่อเรารู้ถึงพลังการทำงานของ dsp แล้วก็มาพูดถึงเครื่องเสียงกัน ถ้าเครื่องไหนสามารถรันข้อมูลหนักๆอย่างเช่น เราอยากจะตัดครอสโอเวอร์ที่ความลาดชันสูงๆ อย่าง 36dB/Oct หรือบางรุ่นสามารถรันได้สูงถึง 42dB/Oct ก็แสดงว่ามีความสามารถทางการประมวลผลซึ่งต้องเร็วมากๆ และต้องการชิพที่มีความเร็วสูงมากๆตามไปด้วย

บิตของข้อมูล คืออะไร

เรารู้ถึงพลังการคำนวณแล้วต่อมาก็บิตข้อมูล ก็สำคัญมากเช่นกัน ดีเอสพีเครื่องไหนที่มีการใช้ข้อมูลที่มี Bit สูงๆ ก็แสดงถึงความละเอียดของชุดข้อมูลที่สูงชึ้น เปรียบถ้า dsp ของเครื่องเสียงที่มีการใช้บิตสูงแสดงว่าสามารถปรับแต่งข้อมูลเสียงได้อย่างเที่ยงตรงถูกต้องและมีความละเอียดของเสียงมากขึ้นตามจำนวนบิตที่มากขึ้น โดยทั้งหมดจะมีผลต่อไดนามิกเรนจ์ของเสียง ที่สูงขึ้นตามจำนวนบิตที่มากขึ้นไปด้วย แต่บิตที่สูงขึ้นก็ต้องการพลังการประมวลผลที่สูงขึ้นเป็นเงาตามตัวเช่นกันครับ


แล้ว dsp ใช้ปรับอะไรได้บ้าง ?

โดยใน dsp แต่ละตัวมีเครื่องมือมาให้แตกต่างกันไปตามความสามารถของ ฮาร์ดแวร์ ความเร็ว และ อัลกอริทึ่ม ที่แตกต่างกันไปแต่ส่วนมากจะมีเครื่องมือมาให้ 3-4 อย่างดังต่อไปนี้

  • Crossover | ครอสโวเวอร์
  • EQ | อิควอไลเซอร์
  • Digital time-alignment or digital time-delay | ดีเลย์หน่วงเวลาเสียง
  • Signal I/O | ระบบเชื่อมต่อสัญญาณเข้าออก

แต่เครื่องมือทั้งหมดที่ว่ามาหมายถึงการปรับแต่งเสียงแบบครอบคลุมการแก้ไขปัญหาต่างๆในรถยนต์ได้ทั้งหมดเรียกว่าแทบจะสมบูรณ์แบบเลยทีเดียว

  1. กำหนด "สัญญาณ" เข้าออกโดยใช้เครื่องมือ Signal Input/Output
  2. ต่อมาเรากำหนดขอบเขต "ความถี่" เสียงที่จะป้อนให้กับลำโพงอย่างเหมาะสมโดยใช้เครื่องมือ Crossover
  3. ขั้นที่สามเรากำหนด "เวลา" ของแต่ละตำแหน่งลำโพงโดยใช้เครื่องมือ Digital Time-delay
  4. ในลำดับสุดท้ายเราก็จะปรับ "ปริมาณ" ของเสียงในแต่ละความถี่โดยใช้เครื่องมือ Equalizer

แล้วเราจะปรับอะไร

เรารู้จักเจ้าเครื่องมือมาตรฐานในเครื่องดีเอสพี (dsp) แล้วว่ามี 3-4 อย่างหลักด้วยกันตั้งแต่ครอสโอเวอร์ อิควอไลเซอร์ ไทม์ดีเลย์

การจัดการเสียงแบบเจาะลึกลงไปโดยดีเอสพี (dsp) โดยใช้เครื่องมือทีว่ามา แต่ยังมีคำถามตามมาที่สำคัญมาก คือ เราจะปรับอะไร สิ่งที่เราต้องรู้มีสามอย่างคือ 

  • ความถี่เสียง | Frequency
  • เวลาการเดินทางของเสียง  | Time
  • ปริมาณเสียง | Amplitude

เครื่องเสียงจำเป็นต้องการสมองสั่งงาน

เครื่องเสียงทุกชุดมี 3 ส่วนประกอบหลักๆ ที่ว่านี้คือ ความถี่ เวลา ปริมาณของเสียง แต่จะแตกกันแต่ละชุดแต่ละคัน อยู่ที่ว่ามันมีมากมีน้อยเพียงไรพอเหมาะพอดีไหม ซึ่งเจ้าเครื่อง dsp ก็จะทำหน้าที่เป็น
"สมองสั่งงาน"
ที่จะมาดูแลการปรุงเสียงให้ออกมาสมบูรณ์เท่านั้น โดยมี "ความถี่+เวลา+ปริมาณ" เป็นวัตถุดิบหลัก โดยไม่ว่าจะเป็นเครื่องเสียงชุดไหนก็ตาม มันสามารถดึงศักยภาพของเครื่องเสียงออกมาได้อย่างน่าฟัง บางครั้งถึงกับเคลิบเคลิ้มทีเดียว โดยถ้าเปรียบเป็นอาหารก็จานเด็ดถูกปากถูกใจ เพียงแค่เราปรับค่าต่างๆผ่านสมองสั่งงานอย่างเครื่องดีเอสพีที่ว่าเท่านั้นเอง

 

 


 


จะได้อะไรเมื่อมี dsp แล้ว

ดีเอสพี dsp สมองของระบบเสียง มันกำหนดการทำงานทุกหน้าที่ในระบบเครื่องเสียง ซึ่งแน่นอนว่าถ้าไม่มีดีเอสพี dsp เครื่องเสียงก็ทำงานตามยถากรรม และก็แน่นอนว่าส่วนใหญ่ "เสียงไม่ดี" ไม่ก็ "ต้องเพิ่มนู่นนี่นั่นไม่จบซักที" ถ้าดวงดีหน่อยจัดชุดได้เข้ากับสามองค์ประกอบหลัก "ความถี่ เวลา และปริมาณ" ก็จะได้เสียงดีในระดับนึง แต่คงไม่มีใครดวงดีไปหมดจึงเป็นที่มาของดีเอสพี dsp ครับ

 

ข้อดี

  • กำหนดส่วนผสมความถี่ เวลา และปริมาณได้เอง (แก้ไขปัญญาระบบเสียงแบบองค์รวม)
  • ให้เสียงที่เป็นธรรมชาติ (เสมือนจริง)
  • ปรับโทนเสียงได้ตามใจชอบ
  • มีตำแหน่งเสียง กว้าง x สูง x ลึก แยกแยะได้อย่างชัดเจน
  • เวทีเสียงสูงอยู่ด้านหน้าเหมือนฟังคอนเสิร์ตจริง
  • กำหนดตำแหน่งเสียงเบสได้ (ว่าให้มาจากด้านหน้ารถ)
  • เสียงคนร้องอยู่กลางคอนโซลตำแหน่ง 11 นาฬิกาจากคนขับ
  • ประหยัดงบประมาณเมื่อเทียบกันต้องซื้ออุปกรณ์ปรับเสียงหลายตัวแยกกันเช่น ปรีแอมป์ อีคิว ครอส ไทม์ดีเลย์ คอนเวิร์ทเตอร์ ดีทูเอ และอื่นๆ
  • ประหยัดไฟ และเนื้อที่ติดตั้ง

ข้อจำกัด

 

  • มีราคาสูงเมื่อคิดถึงแค่วัสดุที่ใช้ทำ (แต่ถูกเมื่อคิดถึงผลลัพธ์)
  • ต้องการเครื่องมือเฉพาะทางในการปรับจูนเสียง
  • ต้องการผู้ที่มีความรู้ทางด้านอคูสติกในการปรับจูนซึ่งหายาก

 

 

 

 


dsp รุ่นไหนดีล่ะ

เลือกรุ่นที่ "อัลกอริทึ่ม " มีความสามารถสูงโดยหารุ่นที่มีฟีเจอร์ดังนี้

  • สามารถตัดครอสได้ละเอียดถ้าตัดความถี่ซับควรปรับได้ทีละ 1 เฮิร์ต (Hz)
  • ปรับดีเลย์ได้ที่ความละเอียดสูงๆ ยิ่งละเอียดยิ่งดี (0.02ms prefered)
  • ปรับความถี่ของอีควอไลเซอร์ได้อิสระ
  • ปรับค่า Q ของอิควอไลเซอร์ได้
  • ปรับครอสได้หลากหลายแบบ (Butterworth, Bessel, Linkwitz-riley, Tschebyshev หรือมากกว่านี้)
  • ปรับเฟสซับแบบละเอียด (22องศา)
  • โปรเซสเซอร์กำลังสูง ยิ่งสูงยิ่งดี
  • มีจำนวนบิตข้อมูล ยิ่งสูงยิ่งดี
  • ดูความเพี้ยน (THD) ยิ่งต่ำยิ่งดี
  • ดูที่การใช้งานของเครื่องและซอฟแวร์ว่าเหมาะกับเราไหม

สรุป DSP สำหรับวันนี้

คอนเซปต์ของ dsp สำหรับเครื่องเสียงในรถยนต์ก็ไม่ได้แตกต่างกันกับยุคสมัยอียิปต์โบราณแต่อย่างใด ที่ต่างกันความสามารถของชิพประมวลผลที่มึชุดคำสั่งพิเศษที่สามารถทำการคำนวณได้หลายล้านครั้งต่อวินาทีอย่างต่อเนื่องไม่มีพัก โดยไม่ต้องมีจดบันทึกและคำนวณด้วยมือแต่อย่างใด

ดังนั้นมันนำพาซึ่งความสะดวกในการปรับเสียงดึงศักยภาพของระบบเสียงออกมาได้อย่างไม่น่าเชื่อว่ามาจากเครื่องเสียงในยุคของเราครับ

 
“ดีเอสพีเป็นเครื่องเสียงแห่งศตวรรษที่ 21 ครับ”

 

ที่มา :
http://www.stamps-auction.com
http://en.wikipedia.org/wiki/Generating_function
http://en.wikipedia.org/wiki/Palermo_stone
Book : The New Penguin History of the World
Book : Principle of Digital Audio
Book : Handbook for Sound Engineers (The new audio cyclopedia).