Les DSP (Digital Signal Processor) ou processeurs de signaux numériques, sont des circuits intégrés spécialisés dans le traitement numérique des signaux. Ils sont conçus pour analyser, transformer et améliorer rapidement des signaux provenant de capteurs, de microphones, de caméras ou d'autres systèmes électroniques.

Contrairement à un microprocesseur classique, qui exécute toutes sortes de programmes, un DSP est optimisé pour effectuer très rapidement des calculs mathématiques répétitifs. Cette spécialisation lui permet de traiter des flux de données en temps réel avec une faible consommation d'énergie.

Les DSP sont utilisés dans les téléphones mobiles, les systèmes audio, les équipements médicaux, les radars, les satellites, les appareils photo numériques, les véhicules, les systèmes de navigation et de nombreux équipements industriels.

Le principe de fonctionnement

Un DSP reçoit en permanence des données numériques provenant d'un convertisseur analogique-numérique, d'une mémoire ou d'un autre circuit électronique.

Il exécute ensuite une série de calculs afin de modifier ces données avant de les transmettre à un autre composant ou à un convertisseur numérique-analogique.

Le traitement doit souvent être effectué en quelques microsecondes afin que le résultat soit disponible immédiatement.

Par exemple, lorsqu'une personne parle dans un téléphone, le DSP traite continuellement le signal provenant du microphone afin d'améliorer la qualité de la voix avant sa transmission.

Les calculs spécialisés

Les DSP sont particulièrement performants pour réaliser des opérations de multiplication-accumulation, souvent appelées MAC (Multiply-Accumulate).

Cette opération consiste à multiplier deux nombres puis à ajouter immédiatement le résultat à une valeur précédente.

Comme ce calcul est utilisé dans la majorité des traitements numériques du signal, les DSP disposent d'unités matérielles capables de l'exécuter extrêmement rapidement.

Le traitement en temps réel

De nombreuses applications ne peuvent pas attendre la fin d'un long calcul.

Le DSP doit traiter les données au fur et à mesure de leur arrivée, sans provoquer de retard perceptible.

Cette capacité est indispensable pour les conversations téléphoniques, la visioconférence, les aides auditives, les systèmes de navigation, les commandes industrielles ou les véhicules autonomes.

Les filtres numériques

L'une des principales fonctions d'un DSP est la réalisation de filtres numériques.

Ces filtres permettent de supprimer certaines fréquences, d'atténuer le bruit ou de mettre en évidence des informations utiles.

Par exemple, lors d'un appel téléphonique, le DSP élimine une partie des bruits de fond afin d'améliorer l'intelligibilité de la voix.

Dans un appareil médical, il peut supprimer les parasites présents dans un électrocardiogramme afin de faciliter son analyse.

La transformée de Fourier

Les DSP réalisent très souvent des analyses fréquentielles grâce à la transformée de Fourier rapide, plus connue sous le nom de FFT (Fast Fourier Transform).

Cette méthode permet de décomposer un signal complexe en un ensemble de fréquences plus simples.

Elle est utilisée dans les analyseurs de spectre, la compression audio, les systèmes radar, les communications radio, la reconnaissance vocale et de nombreuses applications scientifiques.

Le traitement audio

Les DSP sont largement employés dans les équipements audio.

Ils permettent d'égaliser les différentes fréquences, de supprimer les échos, de réduire les bruits parasites, de produire des effets sonores, de compresser les fichiers audio ou encore de décoder des formats comme le MP3, l'AAC ou le Dolby Digital.

Les enceintes connectées, les barres de son, les casques audio et les aides auditives utilisent tous des DSP spécialisés.

Le traitement des images et des vidéos

Les DSP interviennent également dans le traitement des images numériques.

Ils améliorent la netteté, réduisent le bruit électronique, corrigent les couleurs, stabilisent les vidéos ou détectent automatiquement certains objets.

Dans les smartphones, ils participent au traitement des photographies avant même leur affichage à l'écran.

Les télécommunications

Les réseaux de communication utilisent de nombreux DSP.

Ils réalisent la modulation, la démodulation, la correction des erreurs, la compression des données et l'adaptation des signaux aux différents canaux de transmission.

Ils sont présents dans les modems, les routeurs, les équipements Wi-Fi, les stations de base de téléphonie mobile et les systèmes de communication par satellite.

Les systèmes embarqués

Dans de nombreux appareils, le DSP travaille en collaboration avec un microprocesseur ou un microcontrôleur.

Le processeur principal gère le fonctionnement général de l'appareil tandis que le DSP exécute les traitements mathématiques les plus exigeants.

Les SoC modernes intègrent très souvent un ou plusieurs DSP directement sur la même puce.

Les avantages des DSP

Les DSP offrent des performances très élevées pour le traitement numérique des signaux.

Ils exécutent rapidement les calculs répétitifs, consomment relativement peu d'énergie et sont capables de traiter des flux continus de données sans interruption.

Leur architecture est spécialement optimisée pour les applications temps réel.

Les limites des DSP

Les DSP sont spécialisés dans un domaine bien précis.

Pour exécuter des logiciels généraux ou gérer un système d'exploitation complet, un microprocesseur reste beaucoup plus adapté.

Dans les systèmes modernes, les DSP complètent donc généralement les CPU et les GPU plutôt que de les remplacer.

Les applications

Les DSP sont présents dans les smartphones, les enceintes intelligentes, les équipements Hi-Fi, les appareils photo, les systèmes de visioconférence, les radars, les sonars, les échographes, les appareils de radiologie, les systèmes GPS, les drones, les véhicules autonomes, les équipements de télécommunication et les instruments scientifiques.

Quelques DSP célèbres

Les familles TMS320 de Texas Instruments, SHARC d'Analog Devices, CEVA, Hexagon de Qualcomm et les DSP intégrés dans les processeurs ARM ou les SoC modernes sont parmi les plus répandus.

Aujourd'hui, la plupart des smartphones et des systèmes embarqués utilisent des DSP intégrés afin d'accélérer le traitement du son, des images, des communications radio et de nombreux autres signaux numériques.