Цифровая обработка сигналов (DSP) — это средство, с помощью которого мы работаем с реальными сигналами, такими как звуки, изображения, температура и т. д., которые были оцифрованы. Одним из замечательных языков, которые вы можете использовать для DSP, является C++.
C++ был разработан как расширение языка программирования C. Это один из старейших языков программирования, но, как и его предок C, C++ широко используется и сегодня. И DSP является одним из его привлекательных вариантов использования!
Сегодня мы обсудим 5 причин использовать C++ для цифровой обработки сигналов.
Основы цифровой обработки сигналов
Цифровая обработка сигналов используется для измерения, обработки и анализа цифровых входных сигналов с использованием алгоритмов DSP.
Некоторые варианты использования DSP включают:
- Сонар (звуковая навигация и дальномер)
- Сжатие данных
- Цифровая обработка изображений
- Распознавание голоса
- Обработка речи
- Обработка аудиосигнала
Когда вы используете DSP для аудиосигналов, исходный аналоговый сигнал должен быть сначала преобразован в цифровой сигнал. Как только цифровой сигнал становится доступным, DSP может изменить почти каждый аспект звука, чтобы улучшить производительность и качество.
Самый распространенный ежедневный пример DSP — это когда вы пользуетесь телефоном: аудиосигнал сжимается, поэтому голоса становятся четкими и разборчивыми. Аудиопередача во время телефонного звонка анализируется и мгновенно изменяется с помощью DSP.
Поскольку DSP является неотъемлемой частью хранения и обработки звука, неудивительно, что мы находим для него множество применений в стандартной музыкальной студии. Цифровые звуковые рабочие станции, такие как ProTools HD, используют DSP. Например, DSP позволяет вам получать аналоговую гитарную ноту и записывать ее на интерфейс, где ее можно хранить, обрабатывать, редактировать и передавать. Поскольку приложения DSP являются программируемыми, вы можете настраивать сигналы и управлять ими несколькими способами.
Приложение DSP должно получать большое количество данных, идентифицировать их, а затем изменять их с помощью алгоритмов DSP, чтобы быть эффективным. Вся эта обработка происходит мгновенно, что требует высокой производительности и эффективного использования энергии.
5 причин использовать C++ для DSP
1. Кодирование ближе к оборудованию
DSP тесно связан с аппаратным обеспечением, поэтому полезно использовать язык, код которого также может быть близок к аппаратному. C++ дает нам возможность напрямую обращаться к оборудованию и оптимизировать производительность. Это отлично подходит для приложений DSP, где важны скорость и эффективность. С меньшим количеством барьеров, чем у языков более высокого уровня, C++ дает нам возможность уменьшить перегрузку процессора и задержки.
Помимо настройки алгоритмов DSP и управления ими, мы можем точно настроить способ обработки сигналов аппаратным обеспечением компьютера, чтобы оптимизировать производительность и использование ЦП. Это помогает DSP-приложениям бесперебойно работать на любом устройстве, даже если на оборудовании имеется ограниченное хранилище или минимально доступная мощность.
2. Динамическое управление памятью
Управление памятью относится к тому, как программа использует память компьютера. C++ использует динамическое управление памятью, что означает, что мы должны вручную указывать, где эта память хранится, а также как она удаляется. Когда управление памятью осуществляется автоматически, а не динамически, процесс занимает больше памяти и ресурсов процессора.
Управление памятью в C++ позволяет оптимизировать приложения еще большего масштаба. Поскольку DSP производит много данных, которые необходимо сортировать и хранить, использование C++ помогает сэкономить ценное пространство памяти и снизить нагрузку на скорость обработки.
3. Поддержка математики с фиксированной точкой
Важно иметь поддержку математики с фиксированной запятой в языке DSP, так как мы часто конвертируем числа с плавающей запятой в фиксированные при оптимизации DSP. Данные с фиксированной запятой имеют десятичную точку в одном и том же месте для каждого числа, тогда как числа с плавающей запятой могут иметь десятичную точку в разных позициях относительно числового значения.
Математика с фиксированной точкой упрощает переносимость и снижает мощность, необходимую для запуска алгоритмов. Процесс преобразования с плавающей запятой в фиксированную часто может приводить к ошибкам и отнимать много времени. Однако в C++ есть функции, позволяющие упростить процесс преобразования чисел с плавающей запятой в числа с фиксированной точкой. При этом мы по-прежнему получаем поддерживаемый код, уменьшаем количество ошибок и даже можем автоматически манипулировать положением десятичной точки.
4. Объектно-ориентированное программирование
C++ поддерживает объектно-ориентированное программирование (ООП). Парадигма объектно-ориентированного программирования позволяет нам моделировать систему как группу объектов, которыми мы можем манипулировать. Когда мы реализуем объектно-ориентированное программирование, мы можем уменьшить избыточность и, следовательно, разрабатывать приложения с меньшим количеством кода.
ООП дает нам гораздо больше возможностей для настройки и изменения кода. Приложения DSP часто объединяют несколько фильтров для обработки сигнала. Поскольку каждый фильтр может быть представлен как объект, их можно легко удалить или переставить.
5. Компилируется, а не интерпретируется
C++ — это компилируемый язык, который помогает повысить производительность приложения. Компилируемые языки обычно работают быстрее, чем интерпретируемые языки. Хотя некоторые интерпретируемые языки, такие как Python и MATLAB, также являются вариантами для DSP, их выполнение требует больше времени, чем компилируемые языки, такие как C++. Поскольку мы знаем, что скорость является важным требованием для DSP-приложений, компилируемый характер C++ служит нам на пользу.
