Звуковая система pc

Даже первые PC существенно отличались от калькуляторов и боль­ших ЭВМ тем, что они могли издавать звуки с помощью маленького дина­мика, уста­новленного в их корпусе. И хотя акустические возможности PC были более чем скромными, уже на заре компьютерной эры появились му­зыкальные редакторы, с помощью которых можно было создать "звуковой файл" для подключения к той или иной программе. С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись новые возможности PC. И дело даже не в том, что на порядок улучшилось качество звука. Появи­лась новая (звуковая) подсистема PC (далее система PC) — комплекс про­граммно-аппаратных средств, предназначенный для следующих целей:

• Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, на­пример, микрофона или магнитофона. В процессе записи входные ана­логовые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее мо­гут быть сохранены на винчестере PC.

• Воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью внеш­ней акустической системы или головных телефонов (наушни­ков).

• Микширования (смешивания) при записи или воспроизведении сигна­лов от нескольких источников.

• Одновременной записи и воспроизведения звуковых сигналов (ре­жим Работы звуковой системы, в котором каналы записи и воспроиз­ведения задействованы параллельно, называется Full Duplex).

• Обработки звуковых сигналов: редактирования, объединения или раз­деления фрагментов сигнала, фильтрации, изменения его уровня и т. п.

• Управления панорамой стереофонического звукового сигнала и уров­нем сигнала в каждом канале при записи и воспроизведении.

• Обработки звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного — 3D Sound) звучания, что позволяет получить объем­ное звуковое поле даже при использовании обычной стереофониче­ской акустической системы.

• Генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инстру­ментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков.

• Управления работой внешних электронных музыкальных инструмен­тов (ЭМИ) через специальный интерфейс MIDI.

• Воспроизведения звуковых компакт-дисков.

• Выполнения таких операций, как управление PC и ввод текста с помо­щью микрофона (для этого пока необходимо специальное программное обеспечение).

Звуковая система PC выполняется в виде самостоятельных звуковых карт, устанавливаемых в слот материнской платы, либо может быть интег­риро­вана на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы PC. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выпол­няться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты. Дочерняя плата обычно расширяет базовые возможности звуковой системы. В классическую звуковую систему входят:

• Модуль записи и воспроизведения звука

• Модуль синтезатора

• Модуль интерфейсов

• Модуль микшера

• Акустическая система

Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на звуковой карте. В зависимости от ее класса некоторые из них могут отсутство­вать, например, существуют звуковые карты без модуля синтезатора или модуля записи/воспроизведения цифрового звука.

Каждый из модулей может выполняться в виде отдельной микро­схемы входить в состав многофункциональной микросхемы. Таким обра­зом, Chipset звуковой системы может содержать как несколько, так и одну мик­росхему.

Понятие звуковая система мы ввели, учитывая перспективы развития PC. Дело в том, что смыл термина "звуковая карта" в традиционном понима­нии в настоящее время теряет смысл. Это связано с различным конструктив­ным исполнением звуковой системы PC. В бли­жайшем будущем появились звуковые системы принципиально новой архи­тектуры, основанные на ис­пользовании интерфейса AC-link и так называемых надстроечных плат (Riser Card — ризер-карта). Назначение и функции модулей современной звуковой системы (независимо от ее конструктивного исполнения) не меня­ются. Поэтому будем использовать традиционное название звуковой системы — звуковая карта. Причем термины "звуковая система PC" и "звуковая карта" будем считать синонимами. Рассмотрим подробнее функциональные модули звуковой карты.

Запись звука — это сохранение информации о колебаниях звукового давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи ин­формации о звуке используются аналоговые и цифровые сигналы, т. е. звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме. Для получения звукового сигнала в аналоговой форме, достаточно воспользоваться микрофоном. Чтобы получить звуковой сигнал в цифровой форме, необходимо в дискрет­ные моменты времени измерять значение зву­кового давления, причем чтобы правильно передать форму сигнала, эти из­мерения надо проводить доста­точно часто — не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала. Полу­ченная последовательность чисел бу­дет новой формой представления ис­ходных колебаний звукового давления.

В настоящее время на вход звуковой карты PC в большинстве слу­чаев зву­ковой сигнал подается в аналоговой форме. А поскольку PC опе­рирует только цифровыми сигналами, исходный аналоговый сигнал перед исполь­зованием должен быть преобразован в цифровой. В свою очередь, акустиче­ская система воспринимает только аналоговые электрические сиг­налы, по­этому на выход звуковой карты PC должен выдать звуковой сиг­нал в ана­логовой форме. Модуль записи и воспроизведения звуковой сис­темы как раз и осуществляет аналого-цифровое и цифро-аналоговое преоб­разование в режиме програм­мной передачи звуковых данных или передачи их по кана­лам DMA.

Преобразование звукового сигнала из аналогового в цифровой про­исходит в несколько этапов. Сначала аналоговый звуковой сигнал источ­ника подается на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала. Далее осуществляется дискретизация, т. е. выборка отсчетов ана­логового сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов оп­ределяется частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретиза­ции должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной составляющей) исходного звукового сигнала. В противном случае оцифрованный звуковой сигнал нельзя будет преобразовать в аналоговый, точно соответствующий исходному сигналу

Поскольку человек способен слышать звуки, частота которых нахо­дится в диапазоне от 20 Гц до 20 КГц, следовательно, максимальная час­тота дис­кре­тизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 КГц, т. е. отсчеты требуется проводить 40000 раз в секунду. В большин­стве со­временных звуковых подсистем PC максимальная частота дискре­тизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 КГц. Одновре­менно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по ампли­туде — мгновенные значения амплитуды измеряются и преобразуются в цифровой код. При этом точность измерения зависит от количества разря­дов кодо­вого слова. Если значения амплитуды записать с помощью двоич­ных чи­сел и задать длину кодового слова разрядов, то количество воз­можных значений кодовых слов будет равно . Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение ам­плитуды от­счета представляется 16-разрядным кодовым словом, то макси­мальное ко­личество градаций амплитуды (уровней квантования) со­ставит . Для 8-разрядного представления, соответственно, полу­чим градаций амплитуды.

При аналого-цифровом преобразовании каждый бит кодового слова примерно соответствует 6 дБ. Следовательно при 8-разрядном представле­нии амплитуды отсчета можно получить динамический диапазон 48 дБ, что соответствует качеству звучания кассетного магнитофона, а при 16-разрядном — 96 дБ, т. е. 32767 уровней квантования (один бит отводится для знака числа), что уже соответствует качеству воспроизведения ком­пакт-дисков. Аналого-цифровое преобразование осуществляется специ­альным устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в ко­тором дискретные отсчеты сигнала преобразуются в последователь­ность чисел, причем поток цифровых данных, представляющих ана­логовый сигнал, включает как полезные, так и нежелательные высокочас­тотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех, полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с высокой крутизной амплитудно-частотной характеристики и малыми фа­зовыми искажениями.

Цифро-аналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следую­щие с частотой дискретизации. На втором этапе из дискретных отсче­тов путем сглаживания (интерполяции) формируется непрерывный ана­логовый сигнал. Это делает фильтр низкой частоты, который подавляет периодические составляющие спектра дискретного сигнала.

Для записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме тре­буется большой объем дискового пространства. Чем выше требования к качеству записываемого звука, тем больше должна быть емкость носителя. Напри­мер, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оциф­рован­ный с частотой дискретизации 44,1 КГц, при 16-разрядном квантова­нии для хране­ния потребует на винчестере около 10 Мбайт. Кроме того, при записи высококачественного звукового сигнала в реальном времени возни­кают до­полнительные требования к производительности (пропуск­ной спо­собности) канала звукозаписи — все устройства, формирующие этот ка­нал, должны успевать обрабатывать поток данных, поступающих на его вход. Существенно снизить объем цифровых данных, необходимых для представ­ления звукового сигнала с заданным качеством, можно с помощью компрессии, т. е. путем уменьшения количества отсчетов и уровней кван­тования или числа бит, приходящихся на один отсчет. Благодаря особенно­стям восприятия звука человеком можно с помощью специальных методов компрессии данных с потерями сжимать звуковые данные, используя спек­тральные свойства оцифрованных музыкальных и речевых сигналов. При применении таких методов не ставится цель абсолютного восстановления исходных звуковых колебаний. Главная задача — достижение максималь­ного сжатия звукового сигнала при минимальных субъективно слыши­мых (или неслышимых) искажениях восстановленного сигнала. Методы кодирования звуковых данных позволяют сократить объем Методы коди­рования звуковых данных позволяют сократить объем потока данных почти до 20% от первоначального. При этом используются сложные коди­рующие устройства.

Выбор метода кодирования при записи звукового фрагмента зависит от набора программ сжатия, установленных в операционной системе PC — от кодеков (кодирование-декодирование). Программы аудиосжатия реали­зуют следующие методы:

• Импульсно-кодовая модуляция (Pulse Code Modulation, PCM)

• Дельта-импульсно-кодовая модуляция (Delta Pulse Code Modulation , DPCM).

• Адаптивная разностная дельта- модуляция (Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADPCM).

Модуль записи и воспроизведения цифрового звука включает АЦП, ЦАП и блок управления, которые, как правило, интегрированы в одну микросхему, называемую кодеком. Основными характеристиками этого модуля являются:

• Частота дискретизации

• Тип и разрядность АЦП и ЦАП

• Способ кодирования аудиоданных

• Возможность работы в режиме Full Duplex.

Частота дискретизации определяет максимальную частоту записы­ваемого или воспроизводимого сигнала. Так, для записи и вос­произведения человеческой речи достаточно 6 — 8 КГц, для записи и воспроизведения музыки с низким качеством — 20 — 25 КГц, для обес­печения высококачественного звучания (качества аудиокомпакт-диска) частота дискретизации должна быть 44 КГц. Частоту дискретизации сиг­нала, обеспечиваемую большинством звуковых можно повысить, если вместо стереофонического сигнала с частотой дискретизации 22 КГц использовать монофонический сигнал с частотой дискретизации 44 КГц. Подобное решение было впервые реализовано в звуковой карте Sound Blaster Pro (изготовитель — фирма Creative Labs).

Практически все звуковые карты поддерживают запись и воспроизведение стереофонического звукового сигнала с частотой дискретизации 44,1 или 48 КГц.

Разрядность АЦП и ЦАП определяет разрядность представления циф­рового сигнала (8, 16 или 18 бит), динамический диапазон (выраженное в децибелах отношение максимального и минимального уровней) и уровень шумов кван­тования. 8-разрядные АЦП и ЦАП обеспечивают качество звука, близкое к качеству звука в телефонной линии, и в настоящее время не ис­пользуются. Подавляющее большинство звуковых карт оснащено 16-разряд­ными АЦП и ЦАП. Такие звуковые карты теоретически можно отнести к классу Hi-Fi, ко­торые должны обеспечивать студийное качество звучания. Однако на практи­ке другие элементы тракта звукозаписи понижают каче­ство записи звука. Некоторые современные звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-разряд­ными АЦП и ЦАП, что существенно повышает каче­ство записи/воспроиз­ведения звука.

Важной характеристикой модуля записи и воспроизведения звука яв­ляется возможность одновременной записи и воспроизведения звукового сигнала. Существуют три режима передачи данных по какому-либо каналу (тракту), определяющие направление передачи сигнала): симплекс, полу-дуплекс и дуплекс, причем последний чаще называют Full Duplex (полный дуплекс).

В симплексном режиме данные передаются по каналу только в одном на правлении. В полудуплексном режиме в течение одного проме­жутка времени данные передаются в одном направлении, а в течение дру­гого — в обрат­ном. В дуплексном режиме данные передаются одно­временно в обоих направлениях. В режиме Full Duplex звуковая система может одновременно принимать (за­писывать) и передавать (воспроизво­дить) аудиоданные. Однако не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, т. е. они не в состоянии обеспечить высокое каче­ство звука при интенсивном обмене данными. Используя такие карты, можно работать с голосовыми данными в Internet, например, при проведе­нии телеконференций, когда высокое каче­ство звука не требуется. Не сле­дует одновременно применять эти карты для записи на винчестер и вос­произведения звука (за­пись с наложением). Для этого требуются звуковые карты более высокого уровня.