6.2 Звуковые платы (карты)

Звуковые платы используются для создания, записи и воспроизведения различных звуковых сигналов: музыки, речи, шумовых эффектов. В режиме создания звука плата действует как музыкальный инструмент.

В режиме записи звука плата производит оцифровку звуковых сигналов для последующей их записи в память компьютера.

В режиме воспроизведения звука плата работает аналогично цифровому аудиоплейеру, преобразуя считанные из памяти цифровые сигналы в аналоговые звуковые.

Функционально плата содержит несколько модулей: записи и воспроизведения звука; синтезатора звука; интерфейсов.

На типичной звуковой карте могут находиться следующие разъемы:

Внешние:

-Игровой, или MIDI-порт. Самый большой и заметный 15-контактный разъем-гнездо, предназначен для подключения джойстика, MIDI-клавиатуры или чего-либо иного, работающего через MIDI-интерфейс, напрмер синтезатор. В последнее время Microsoft c Intel и некоторыми другими компаниями активно пытаются устранить его из современного компьютера.

-Линейный вход.

-Микрофонный вход.

-Линейный выход для подключения активных колонок или усилителя. Он может быть не один, если плата рассчитана на подключение более двух колонок.

-Аудио выход, на который подается прошедший через встроенный в карту маломощный (2-4 ватта на канал) усилитель сигнал. Так как качество этого усилителя даже на дорогих платах оставляет желать лучшего, то годится только для подключения небольших наушников. Часто этот выход не присутствует отдельно, а выбирается путем изменения режима работы линейного выхода путем соответствующего джампера на плате. В этом случае, если ничего не менять, выходному разъему по умолчанию обычно уже соответствует режим линейного выхода.

-Цифровой выход. Предназначен для подключения внешних цифровых устройств, например цифрового ресивера. Встречается только на дорогих картах.

-Цифровой вход. Встречается реже, чем цифровой выход.

Внутренние:

-Внутренний вход, обычно используется для подключения CD-ROM.

-Внутренний выход.

-Цифровой вход SPDIF. Обычно используется для цифрового подключения CD-ROM. Если такой разъем есть, то для подключения CD (DVD) нужно использовать только его, так как ЦАП привода обычно имеет самое невысокое качество и звуковая карта справится с воспроизведением звука гораздо лучше. Правда, такой разъем есть только на хороших платах.

-Дополнительные разъемы для внутреннего подключения таких устройств, как модем, плата видеомонтажа или TV-тюнер и прочего.

Если необходимо получить приличное качество воспроизведения CD на компьютере то звуковая карта должна быть оборудована цифровым входом для подключения устройства чтения CD/DVD, который и следует использовать, так как качество звуковой части приводов CD- и DVD-ROM довольно невысоко.

Обычно в комплект поставки звуковой карты входит шнур для подключения CD-ROM. Практически всегда он аналоговый, так что придется покупать цифровой кабель отдельно. Однако, можно обойтись и без кабеля и соответствующего входа, воспользовавшись возможностью некоторых CD-проигрывателей читать аудио по шине. Плохое качество звука дисководов CD/DVD хорошо подтверждается тем, что даже достаточно недорогие карты декодируют цифровой звук заметно лучше, чем сами дисководы. Но при таком способе загружается процессор и сама шина.

Рисунок 2 – шнур для подключения CD-ROM

Любая звуковая плата представляет собой плату ЦАП/АЦП. В простейшем аналоговом электрическом виде звук выглядит как переменный сигнал (синусоида). Основное отличие реального звука состоит лишь в том, что он получается в результате наложения и взаимодействия большого числа колебаний разной частоты, фазы и амплитуды. Так возникают обертона, характеризующие, например, тембр голоса. При цифровом представлении аналогового сигнала изменение его амплитуды происходит дискретно и как бы заморожено на длительность фиксированных моментов времени, в течение которых осуществляются измерения. То есть измеренные значения описывают аналоговый (непрерывный) процесс, определяя его состояние в фиксированные моменты последовательностью чисел.

В аналого-цифровом преобразователе - АЦП - после нормирования по амплитуде аналоговый сигнал квантуется по уровню и кодируется. Воспроизведение выполняется точно так же, только в обратном направлении, поэтому то, что относится к записи, имеет смысл и при цифро-аналоговом преобразовании. То есть каждому моменту измерения по временной шкале ставится в соответствие цифровое значение мгновенной амплитуды сигнала. Таким образом, звук теперь представляется последовательностью цифровых кодов. Очевидно, что чем короче временные промежутки между отдельными измерениями, то есть чем выше частота дискретизации (Sampling Rate), тем точнее описывается и затем воспроизводится звуковой сигнал. Не менее очевидно, что необходимая частота измерений (выборки) зависит от частотного диапазона преобразуемого сигнала. В самом деле, незачем использовать частоту дискретизации, скажем, 1 МГц, если сигнал изменяется не чаще 5000 раз в секунду, и наоборот, при слишком низкой частоте оцифровки часть звуковых частот будет безвозвратно потеряна. Теоретически по теореме Котельникова-Найквиста частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше верхнего предела частоты звуковых колебаний. Обычно применяется частота 44,1 КГц, что соответствует стандарту Audio CD и обеспечивает воспроизведение частот приблизительно до 22,05 КГц. Напомню, что человек слышит звуки в диапазоне примерно от 20 до 20000 Гц, хотя эти данные не очень корректны. Например, младенец может слышать и 16 Гц, и даже 21 КГц, а уже поближе к совершеннолетию он будет с трудом различать звуки с частотой выше 18 КГц. В преклонном возрасте верхний порог чувствительности нередко снижается до 14 КГц, правда, ухудшение слуха с возрастом более заметно у мужчин.

Следует отметить, что у некоторых дешевых звуковых карт частота дискретизации при воспроизведению и при записи может быть различной: как правило, в таком случае она соответственно равна 44,1 и 22,05 КГц. Хотя если ничего не записывать, то это не столь важно.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой код можно произвести только с какой-либо определенной степенью точности. Под точностью, или разрешающей способностью, понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового кода. Это определяется разрядностью (битностью) АЦП (или ЦАП, если речь идет о воспроизведении). Так, 8-битный преобразователь может квантовать амплитуду сигнала на 256 (28) уровней, а 16-разрядный на 65536 (216) уровней, что приводит к очень заметному повышению качества. С увеличением разрядности АЦП (ЦАП) растет его динамический диапазон. Каждый бит соответствует примерно 6 Db. Звуковые карты могут иметь разрядность 8, 12, 16, а иногда и 20 бит (хотя последнее уже практически не приводит к тому, чтобы качество заметно улучшилось). Тогда 8-разрядное преобразование может обеспечить динамический диапазон 48 Db, 12-разрядное 72 Db, 16-разрядное 96 Db (соответствует CD) и 20-разрядное 120 Db. Все современные карты являются 16-битными.

В настоящее время широкое распространение получили приложения (прежде всего игры), использующие методы создания пространственного звука. Эти методы помимо простого разделения каналов и панорамирования включают в себя учет отражения звука от поверхностей, его поглощение различными предметами, прохождение сквозь препятствия и прочие эффекты. Как и в случае с трехмерной графикой, созданы различные программные интерфейсы (API). Наиболее популярными являются A3D и созданный Creative EAX. Все необходимые расчеты могут выполнятся силами центрального процессора с помощью программной эмуляции, но гораздо лучше, если звуковая плата поддерживает аппаратное ускорение. Сейчас карт, не совместимых с 3D-звуком, практически не осталось. Все вычисления производит расположенный на плате звуковой процессор, называемый DSP (Digital Surround Processor). От его возможностей и производительности напрямую зависит качество и точность звуковых эффектов.

Для синтеза звукового сигнала используется два основных метода:

-синтез с помощью частотной модуляции (FM-синтез);

-синтез с использованием таблицы волн (табличный WT-синтез).

Первый осуществляется с использованием специальных генераторов сигналов, называемых операторами. В операторе можно выделить два базовых элемента: фазовый модулятор и генератор огибающей. Фазовый модулятор определяет частоту (высоту) тона, а генератор огибающей - его амплитуду (громкость). Амплитуда сигнала у разных музыкальных инструментов различна. Например, у фортепьяно при нажатии произвольной клавиши амплитуда сигнала сначала быстро возрастает (attack), затем несколько спадает (decay), после чего следует сравнительно короткий равномерный участок (sustain) и, наконец, происходит достаточно медленный спад амплитуды (release). Вышеназванные фазы сигнала реализуются генератором огибающей, который по первым буквам английских терминов этих фаз называют генератором ADSR. В общем случае, для воспроизведения голоса одного инструмента достаточно двух операторов:

-первый генерирует колебания несущей частоты (основной тон);

-второй - модулирующую частоту (обертоны).

Но современные звуковые платы способны воспроизводить несколько голосов. Звук, синтезированный FM-методом, имеет некоторый металлический оттенок, не похож на звук настоящего музыкального инструмента.

WT-синтез обеспечивает более качественное звучание. В основе этого синтеза лежат записанные заранее и хранящиеся в памяти образцы звучания музыкальных инструментов (MIDI-файлы). Синтезаторы этого типа создают музыку путем манипулирования образцами звучания инструментов, зашитыми в ПЗУ платы или хранящимися на диске компьютера. При использовании выборок, загружаемых с диска, хорошая плата должна иметь ОЗУ емкостью не менее 1 Мбайт. Выпускаются также табличные расширители, позволяющие увеличить массив используемых MIDI-файлов.

Звуковая карта может применяться не только для обработки звуков, но и для их генерации. Необходимость этого зародилась во времена первых игр с музыкальным сопровождением. Так как производительность компьютеров и объем носителей тогда не позволяли использовать готовые сэмплы, пришлось возлагать задачу на воспроизведение музыки целиком на звуковую плату. Так был создан стандарт MIDI (Musical Instrument Digital Interface), который довольно популярен и по сей день. Команды MIDI содержат не запись музыки как таковой, а ссылки на ноты, точнее их электронный аналог. Когда карта принимает MIDI-команду, она интерпретируется ее синтезатором, и в результате мы слышим ноту. По сути звуковая карта, поддерживающая MIDI, является обычным музыкальным синтезатором. В последнем случае обычно используется MIDI-клавиатура, по внешнему виду очень похожая на клавиатуру синтезатора.

Хорошие клавиатуры чувствительны к силе и скорости нажатия на клавиши, что позволит использовать компьютер как нормальный синтезатор.

Модуль интерфейсов включает в себя интерфейс музыкальных инструментов MIDI, и средства воспроизведения звука в соответствующем формате. Кроме того, в него могут входить интерфейсы одного или нескольких дисководов CD-ROM. Через этот модуль можно проигрывать CD-ROM, разговаривать через модем и воспроизводить свою собственную компьютерную музыку.

При рассмотрении MIDI часто встречаются такие понятия, как каналы, инструменты и голоса. Чтобы лучше понять смысл этих терминов, проведем аналогию. Для каждого инструмента в оркестре необходим свой канал. Но в канале может воспроизводиться более одного голоса. Допустим, оркестр поделен на несколько секций (8). А в каждом канале могут одновременно играть 16 музыкантов. В результате имеем 8 каналов и 16 голосов, а всего одновременно могут воспроизводиться 128 (8*16) инструментов. При недостаточном количестве инструментов сложные музыкальные фрагменты воспроизводятся неправильно. Современные карты поддерживают до тысячи и более одновременно звучащих инструментов.

Воспроизведение MIDI во многом зависит от применяемых в карте синтезаторов, а не только от таблиц волнового синтеза, хотя последние тоже могут сильно изменить звук как в лучшую, так и в худшую сторону. Лишь сравнительно небольшое количество звуковых плат (Creative Labs или Yamaha), причем достаточно дорогих, могут обеспечить хорошее качества синтеза. У большинства ширпотребных изделий оно неудовлетворительное.

В состав многих звуковых плат, кроме названных трех модулей, включаются:

-устройство смешения сигналов от различных источников – микшер, управление амплитудой смешиваемых сигналов выполняется обычно программным способом;

-модемный и игровой порты, последний обеспечивает качественное звуковое сопровождение компьютерных игр;

-усилители мощности сигнала с регулятором громкости, такие платы имеют два выхода: линейный - до усилителя и конечный - после.

Качество звучания звуковых карт может быть самым разным. Звучание в решающей степени определяется не столько типом микросхем и даже не стоимостью, сколько старанием производителя, которое он уделил аналоговой части своего устройства. Многое о качестве может сказать имя фирмы, выпустившей карту. Заслуженным доверием пользуются изделия фирм Creative Labs, Yamaha, Voyetra Turtle Beach. Из плохих марок можно отметить Genius, Essolo. В целом звучание хороших звуковых карт сопоставимо со звучанием музыкальных центров среднего класса. Не следует ждать от маленькой платы внутри системного блока того же, что сможет дать полноценный Hi-Fi комплекс, составленный и дорогих компонентов.

На качество звучания звуковой платы заметное действие оказывают также установки уровня сигнала. Не следует выставлять регуляторы уровней громкости на значения, большие 70%-80% от максимальных, так как из-за перегрузки звуковых схем появляются различные искажения. Другая крайность тоже плоха: если поставить очень маленькие значения, то громкость будет достигаться целиком усилителем колонок, а он тоже, как и всякий усилитель, имеет собственные искажения и кроме всего прочего одаривает звуковой тракт помехами. Лучше всего выставить все регуляторы где-то на половину или чуть больше. То же относится и к регуляторам тембра. Также целесообразно отключить те звуковые схемы, которые не используются. Например, если нет модема с голосовыми возможностями или не используется линейный или микрофонный входы, то лучше их выключить.