29) Обработка аудиоинформации

Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нем сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трехминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster, помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

Компоненты платы

Звуковая плата персонального компьютера содержит несколько аппаратных систем, связанных с производством и сбором аудиоданных, две основные аудиоподсистемы, предназначенные для цифрового «аудиозахвата», синтеза и воспроизведения музыки. Исторически подсистема синтеза и воспроизведения музыки генерирует звуковые волны одним из двух способов:

через внутренний ЧМ-синтезатор (FM-синтезатор);

проигрывая оцифрованный (sampled) звук.

Секция цифровой звукозаписи звуковой платы включает пару 16-разрядных преобразователей - цифроаналоговый (ЦАП) и аналого-цифровой (АЦП) и программируемый генератор частоты выборки, синхронизирующий преобразователи и управляемый центральный процессор. Компьютер передает оцифрованные звуковые данные к преобразователям или обратно. Частота преобразования обычно кратна (или часть от) 44.1 кГц.

Большинство плат использует один или более каналов прямого доступа к памяти, некоторые платы также обеспечивают прямой цифровой вывод, используя оптическое или коаксиальное подключение S/PDIF (цифровой звук в стандарте Sony/Philips Digital Interface).

Генератор звука, установленный на плате, использует процессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor - DSP), который проигрывает требуемые музыкальные ноты, объединяя их считывание из различных областей звуковой таблицы с различными скоростями, чтобы получить требуемую высоту тона. Максимальное количество доступных нот связано с мощностью DSP-процессора и называется «полифонией» платы.

DSP-процессоры используют сложные алгоритмы, чтобы создать эффекты типа реверберации, хорового звучания и запаздывания. Реверберация создает впечатление, что инструменты играют в больших концертных залах. Хор используется, чтобы создать впечатление, что несколько инструментов играют совместно, тогда как фактически есть только один. Добавление запаздывания к партии гитары, например, может дать эффект пространства и стереозвучания.

30) Частотная модуляция

Первой широко распространенной технологией, которая используется в звуковых платах, является частотная модуляция (ЧМ), которая была разработана в начале 1970-х годов Дж. Чоунингом (Стэнфордский университет). ЧМ-сингезатор (FM-синтезатор) производит звук, генерируя чистую синусоидальную волну (несущая) и смешивая ее со вторым сигналом (модулятор). Когда эти две формы волны близки в частоте, создается волна сложной формы. Управляя несущей и модулятором, можно создавать различные тембры, или инструменты.

Каждый голос ЧМ-синтезатора требует минимум двух генераторов сигнала, обычно называемых «операторами». Разные конструкции ЧМ-синтезатора имеют различные степени управления параметрами оператора. Сложные системы ЧМ могут использовать четыре или шесть операторов на каждый голос, и операторы могут иметь корректируемые параметры, которые позволяют настроить скорости нарастания и угасания сигнала.

Yamaha была первой компанией, которая вложила капитал в исследования по теории Чоунинга, что привело к разработке легендарного синтезатора DX7. Специалисты Yamaha скоро поняли, что смешивание более широкого диапазона несущих и модуляторов позволяет создать более сложные тембры, приводя к реалистически звучащим инструментам.

Хотя системы ЧМ были осуществлены в аналоговом исполнении на ранних клавиатурных синтезаторах, в дальнейшем выполнение синтеза ЧМ было сделано в цифровой форме. Методы синтеза ЧМ очень полезны для того, чтобы создать выразительные новые звуки. Однако если цель синтезирующей системы состоит в том, чтобы воспроизвести звук некоторого существующего инструмента, это лучше делать в цифровой форме на основе выборок сигналов, как при синтезе с использованием звуковых таблиц (WaveTable synthesis).

Табличный синтез (WaveTable synthesis)

Чтобы создать звук, звуковая таблица использует не несущие и модуляторы, а выборки звуков реальных инструментов. Выборка - цифровое представление формы звука, произведенного инструментом. Платы, использующие ISA, обычно сохраняют выборки в ROM, хотя более новые РСI-из-делия используют основную оперативную память персонального компьютера, которая загружается при запуске ОС (например, Windows) и может включать новые звуки.

В то время как все звуковые платы ЧМ звучат аналогично, платы звуковых таблиц значительно отличаются по качеству. Качество звучания инструментов включает факторы:

качество первоначальной записи;

частота, на которой выборки были записаны;

количество выборок, использованных для каждого инструмента;

методы сжатия, использованные для сохранения выборки.

Большинство инструментальных выборок записаны в стандарте

16 бит и 44.1 кГц, но многие изготовители сжимают данные так, чтобы больше выборок или инструментов можно было записать в ограниченный объем памяти. Однако сжатие часто приводит к потере динамического диапазона или качества.

Когда аудиокассета воспроизводится слишком быстро или слишком медленно, ее высота звучания меняется, и это справедливо также для цифровой звукозаписи. Проигрывание выборки на более высокой скорости, чем ее оригинал, приводит к более высокому воспроизводимому звуку, позволяя инструментам играть более нескольких октав. Однако если некоторые тембры воспроизводятся быстро, они звучат слишком слабо и тонко; аналогично, когда выборка проигрывается слишком медленно, она звучит мрачно и неестественно. Чтобы преодолеть эти эффекты, изготовители разбивают клавиатуру на несколько областей и применяют соответствующие выборки звуков инструментов в каждой из них.

Каждый инструмент звучит с различным тембром в зависимости от стиля игры. Например, при мягкой игре на фортепьяно не слышен звук молоточков, бьющих по струнам. При более интенсивной игре мало того что звук становится более очевидным, но можно заметить также и изменения тона.

Для каждого инструмента должно быть записано много выборок и их разновидностей, чтобы синтезатор точно воспроизвел этот диапазон звука, а это неизбежно требует большего количества памяти. Типичная звуковая плата может содержать до 700 инструментальных выборок в пределах ROM 4 Мбайт. Точное воспроизведение фортепьяно соло, однако, требует от 6 до 10 Мбайт данных, вот почему нет никакого сравнения между синтезируемым и реальным звуком.

Обновление звуковой таблицы не всегда означает необходимость покупать новую звуковую плату. Большинство 16-разрядных звуковых плат имеет разъем, который может соединиться с дополнительной платой звуковой таблицы (daughterboard). Качество звучания инструментов, которые такие платы обеспечивают, значительно различается, и это обычно зависит от того, какой объем памяти расположен на плате. Большинство плат содержит от 1 до 4 Мбайт выборок и предлагает целый ряд цифровых звуковых эффектов.