Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

ВІННИЦЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ

Периферійні пристрої

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

Лабораторна робота №5. «Звукова карта ПК. Структура, налаштування. Дискретизація звукових сигналів»

галузь знань: 0501 “інформатика та обчислювальна техніка“;

напрямок: 6.050102 “Комп’ютерна інженерія”;

спеціальність 5.05010201 “Обслуговування комп’ютерних систем і мереж”

ВІННИЦЯ 2013 рік

1. Ціль роботи:

• Закріплення теоретичних знань з питань будови звукових карт;

• Опрацювання структури функціональних блоків звукових карт;

• Вивчення та аналіз інтерфейсів звукових карт;

• Вивчення структури дискретних систем перетворення даних;

• Виконання налаштувань звукових карт;

• Виконання діагностики несправностей звукових карт та ремонту;

2. Апаратура, прилади, матеріально-технічне оснащення:

- Персональний комп’ютер, периферійні пристрої ПК, аудіо система ПК: мінімальні ресурси-операційна система Windows XP.

- Програмні середовища: Мінімальний набір звукового ПЗ, що входить до складу ОС Windows - найбільш поширені драйвери звукових плат, кодеки, CD-плейєр, універсальний програвач (Media Player), найпростіша програма запису, програвання і редагування звуку в WAV-форматі (Sound Recorder), програма-мікшер, що забезпечує управління вхідним і вихідним мікшерами звукової плати під час відтворення і, відповідно, запису звуку.

3. Теоретичні відомості.

3.1. Дискретні системи.

Структура типової дискретної системи цифрової обробки сигналу (ЦОС) представлена на Рис.1. Зазвичай, перш ніж піддатися реальному аналого-цифровому перетворенню, аналоговий сигнал проходить через ланцюги нормалізації, які виконують такі функції, як підсилення, аттенюація (ослаблення) і фільтрація. Для придушення небажаних сигналів поза смугою пропускання і запобігання накладенню спектрів (aliasing) необхідний фільтр низької частоти або смуговий фільтр.

Рис.1.

На Рис.1 представлена система, що працює в реальному масштабі часу. У ній АЦП безперервно виконує дискретизацію сигналу з частотою, рівною fs, і видає новий відлік процесору ЦОС (DSP) з такою ж частотою. Для забезпечення роботи в реальному масштабі часу DSP повинен закінчити всі обчислення в межах інтервалу дискретизації 1/fs і передати вихідний відлік на ЦАП до надходження наступного відліку з АЦП. Як приклад типовій функції DSP може виступати цифровий фільтр.

У разі використання алгоритму БПФ, блок даних завантажується в пам'ять DSP. Поки працює алгоритм БПФ, тим часом новий блок даних завантажується в пам'ять для забезпечення роботи в реальному масштабі часу. DSP повинен обчислити БПФ протягом інтервалу передачі даних, щоб бути готовим до процесу обробки наступного блоку даних.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) є необхідним у випадку, коли дані необхідно перетворити в аналоговий сигнал (наприклад, у разі голосового або звукового додатку). У багатьох додатках після первинного аналого-цифрового перетворення сигнал залишається в цифровому форматі. Крім того, існують пристрої подібні до CD-програвача, в яких DSP відповідає виключно за формування сигналу на ЦАП. У разі використання ЦАП, на його виході для придушення небажаних гармонік необхідно застосовувати фільтр (anti-imaging filter).

У реальних процесах аналого-цифрового і цифро-аналогового перетворення є два ключові етапи: дискретизація за часом і квантування по амплітуді, які визначають роздільну здатність даних операцій. Розуміння цих моментів є основоположним чинником в оцінці додатків ЦОС.

Концепції дискретизації за часом і квантування по амплітуді аналогового сигналу ілюструються на Рис.2. Вибірка безперервних аналогових даних повинна здійснюватися через інтервал дискретизації ts = 1/fs, який необхідно ретельно обирати для точного представлення первинного аналогового сигналу. Ясно, що чим більше число відліків (вищі частоти дискретизації), тим більш точним буде представлення сигналу в цифровому вигляді, тоді як у разі малого числа відліків (низькі частоти дискретизації) може бути досягнуте критичне значення частоти дискретизації, при якому втрачається інформація про сигнал. Це витікає з відомого критерію Найквіста, сформульованого нижче. Відповідно до наведеного критерію:

• Частота дискретизації fs сигналу з шириною смуги fa повинна задовольняти умові fs > 2fa, інакше інформація про сигнал буде втрачена;

• Ефект накладення спектрів виникає, коли fs < 2fa;

• Ефект накладення спектрів широко використовуються в таких завданнях, як пряме перетворення частотного сигналу в цифрову форму.

Отже, критерій Найквіста вимагає, щоб частота дискретизації була принаймні удвічі більше смуги сигналу, інакше інформація про сигнал буде втрачена. Якщо частота дискретизації менше подвоєної смуги аналогового сигналу, виникає ефект, відомий як накладення спектрів (aliasing).

Для розуміння сенсу накладення спектрів як в тональній, так і в частотній областях спочатку розглянемо випадок уявлення в тональній області вибірки одного тонального сигналу синусоїдальної форми, показаний на Рис.2. В даному прикладі частота дискретизації fs незначно більша частоти аналогового вхідного сигналу fa, що не задовольняє критерію Найквіста. Наведена вибірка відповідає сигналу, частота якого рівна різниці частот дискретизації і частоти початкового сигналу fs–fa. Відповідне представлення цього прикладу в частотній області показане на рис.3.

Далі наведено випадок вибірки з частотою fs одночастотного сигналу синусоїдальної форми частоти fa, здійсненою ідеальним імпульсним дискретизатором (див. рис.2.4, A). Як і у попередньому випадку, приймемо, що fs > 2fa. У частотному спектрі на виході дискретизатора видно гармоніки (aliases або images) початкового сигналу, що повторюються з частотою fs, тобто на частотах, рівних | ± Kfs ± fa |, де K = 1, 2, 3, 4 .....

Рис.2. Ефект накладення спектрів у тональній області.

Отже: частота fa небагато нижча, ніж fs, аналоговий сигнал з частотою fa, дискретизований ідеальним АЦП з частотою fs, має складові на частотах |±kfs±fa|, k = 1,2,3.

Частотна зона Найквіста визначається як смуга спектру від 0 до fs/2. Частотний спектр роздільний на нескінченне число зон Найквіста, кожна по 0,5 fs. На практиці ідеальний дискретизатор замінюється на АЦП, використовуваний спільно з процесором БПФ. БПФ-процесор забезпечує присутність на виході тільки компонент сигналів, частоти яких потрапляють в першу зону Найквіста, тобто, в смугу від 0 до fs/2.

Рис.3.

Тепер розглянемо випадок, коли частота сигналу виходить за межі першої зони Найквіста (Рис.3 B). Частота сигналу трохи менше частоти дискретизації, що відповідає умові, представленій в тональній області на рис.2. Отже, навіть у випадку, що сигнал знаходиться поза першою зоною Найквіста, його складова fs-fa потрапляє всередину зони. Повертаючись до рис.3 A, пояснимо, якщо небажаний сигнал з'являється в області будь-якої з гармонік частоти fa, він також виникає і на частоті fa, приводячи, таким чином, до появи побічного частотного компоненту в першій зоні Найквіста.

Такий процес подібний до роботи змішувача, використовуваного для детектування аналогових сигналів. При цьому розуміється, що перед дискретизатором (або АЦП) здійснюється фільтрація, що пригнічує компоненти, частоти яких знаходяться поза смугою Найквіста і після дискретизації потрапляють в її межі. Робоча характеристика фільтру залежатиме від того, як близько частота поза смугового сигналу відстоїть від fs/2, а також визначатиметься величина необхідного придушення.