Энциклопедия PC

678 Глава 11. АудиосистемаPC

A3D и ЕАХ создают трехмерный звук через два канала (две колонки или наушники). Интерфейс IAS (Interactive Around-Sound), поддерживающий многоканальные (4 и более) системы объемного звука, предназначен для замены A3D и ЕАХ. Интерфейс Phantom IAS позволяет «уложить» объемный звук и в два канала, а также получать 3D-звук на системах без аппаратного акселератора.

11.2. ЗвуковаякартаPC

Современные звуковые карты (или аудиосредства, интегрированные в системную плату) представляют собой комбинированные устройства, в той или иной мере исполняющие все функции, перечисленные в начале главы. Ранние модели карт были и менее универсальные: они могли иметь синтезатор, но не иметь аудиокодека (Ad Lib), и наоборот (WSS), не иметь порта MIDI или, наоборот, выступать лишь в роли MIDI-интерфейса (MPU-401). «Законодателем мод» на звуковые карты массового применения можно назвать фирму Creative Labs. Ее первые звуковые карты, выпускавшиеся для шины ISA, по нынешним меркам былипримитивными. Внихосновныеманипуляциисаудиосигналамивыполнялись в аналоговом виде, применялись относительно несложные ЕМ-синтезато-ры, а WT-синтезаторы могли устанавливаться лишь как дорогостоящее расширение. «Штатный» WT-синтезатор появился только на карте AWE. Раньше карт AWE фирма Gravis Ultrasound выпустила своего знаменитого «гуся» — карту GUS с WT-синтезатором (нобез FM). Первые моделиGUS имелитолько8-битныйАЦП (но ЦАП 16-битный), процессор эффектов отсутствовал, голоса загружались в ОЗУ (наращиваемое). Картабыланесовместиманискакимидругимисемействами, что осложняло ее немузыкальные применения. Позже появились полностью 16разрядные карты, поддержка РпР, процессоры эффектов. Однако теперь фирма Gravis звуковымикартаминезанимается.

Современные звуковые карты по своим возможностям ушли уже очень далеко от первых моделей, но зачастую поддерживают программную совместимость с картами, от которых произошли фактические стандарты. Старые звуковые карты в основном выпускались для 16-битной шины ISA (применение 8-битных нежелательно), все последние их модели поддерживают технологию РпР. СовременныекартывыпускаютсядляшинPCI иPC Card иливстраиваютсявсистемную плату.

Фактическим стандартом стал набор аудиосредств платы Sound Blaster фирмы Creative Labs. Из-за использования каналов DMA ради совместимости с SB 16 при переходе на PCI пришлось вводить эмуляцию DMA (PC-PCI, см. п. 12.5.6).

Для шины ISA разными фирмами выпускается большое число моделей звуковых карт, похожих по свойствам на перечисленные в п. 11.2.5. Их совместимость с моделью SB 16 является залогом совместимости с множеством игр, работающих в среде DOS непосредственно с «железом» звуковой карты. В противном случае игра (ее разработчик) должна «знать» аппаратуру данной карты или пытаться работать с программным эмулятором SB. В среде Windows с аппаратурой принято общаться через системные драйверы, так что проблемы совместимости решаютсячистопрограммно. Взащищенномрежимеэмуляциювыполня-

11.2. ЗвуковаякартаPC 679

ют посредством генерации исключений процессоров при обращении к портам ввода-вывода. Однако в реальном режиме процессора полностью прозрачная эмуляция невозможна, и именно DOS-игры оказались носителями груза наследия, который в XXI век тащить уже не хотят.

Традиционно на звуковых картах устанавливают порт аналогового джойстика (GAME-порт, см. п. 9.5), при этом сохраняя интерфейс, пришедший со времен первых PC. Этот интерфейс реализует аналого-цифровое преобразование сигналов от резистивных датчиков чисто программно, расходуя ресурс процессора. В некоторых звуковых картах преобразование выполняется аппаратно (интерфейс с джойстикомсохраняется), нопрограммадолжнасниматьпоказанияинымспособом.

Современные звуковые карты используют шину PCI, гораздо более мощную по пропускной способности. В звуковых картах широко применяют прямое управление шиной — это разгружает процессор, особенно при озвучивании игр с SD-звуком. Перенос звуковых карт на PCI вызывает некоторые трудности переходного периода, поскольку на какое-то время требуется обеспечить совместимость с SB16, где доставка цифрового потока производится по каналу DMA. В PCI понятия DMA нет, но любая карта может быть контроллером обмена с памятью. Для обеспечения совместимости звуковых карт PCI с SB16 может использоваться один из двух механизмов: PC/PCI или DDMA. Механизм PC/PCI был разработан фирмой Intel, чтобы обеспечить возможность использования слотов ISA в блокнотных ПК, подключаемых к док-станции по шине PCI. Альтернативное решение — механизм DDMA (Distributed — распределенный DMA). Как известно, контроллеры DMA для шины ISA располагаются на системной плате, и управление несколькими каналами выполняется через одни и те же регистры. DDMA позволяет «расчленить» стандартный контроллер и отдельные его каналы эмулировать средствами карт PCI. Оба этих механизма реализуемы только как частьмостамеждупервичнойшинойPCI ишинойISA, поэтомуихподдержкаможет обеспечиваться (или не обеспечиваться) только на системной плате и разрешаться в CMOS Setup. Кроме режима совместимости с SB 16 звуковая карта PCI может работать и в естественном для этой шине режиме, реализуя все ее преимущества.

К аудиосредствам в спецификации РС'99 фирма Microsoft предъявляет следующиетребования:

*разрядность преобразователей ЦАП/АЦП: 16-бит;

*разрядностьданныхдляимпульсно-кодовоймодуляции(РСМ): 8 и16 бит; я частотыдискретизации:

а обязательные — 8 кГц, 11,025 кГц, 22,050 кГци44,1 кГц; о

рекомендуемые— 16 кГц, 32 кГци48 кГц(Advanced audio);

ивоспроизведение MIDI: 16-голосная полифония, 6 тембров (24-голосный 16-тембровыйсинтезатордляAdvanced Audio);

* полоса частот: 20 Гц-20 кГц; ш нелинейныеискажения: <0,02 %;

11.2. ЗвуковаякартаPC 681

потоков данных используются каналы DMA — один8-битныйиодин16-битный. Преобразования синхронизируются отпрограммируемого генератора (на схемене показан), который определяет частоту дискретизации. Частоту дискретизации, разрядность (8 или 16 бит) и режим (моно/стерео) выбирают при записи. Как указывалось выше, от этих параметров зависит качество оцифровки и объем информации, занимаемой записью с определенной длительностью. Эти же значения параметров должны устанавливаться и при воспроизведении данной записи (сведения о них хранятся в заголовках звуковых файлов). Изменение параметров воспроизведения относительно параметров записи в общем случае требуетпрограммногопреобразованияфайладанных.

Несмотря на наличие двух каналов DMA, далеко не все карты позволяют работать в полнодуплексном режиме цифрового канала — одновременно и независимо вводить и выводить цифровой поток. Полный дуплекс нужен, например, для IP-телефонии: аналоговый сигнал от микрофона поступает на АЦП, с которого цифровой поток в сжатом виде укладывается в пакеты IP-транспорта. Од- новременноизпринятыхпакетовданныечерезЦАПнаправляютсянааудиовы-ход. В структуре, изображенной на рис. 11.4, эти потоки пересекутся в микшере. Практическивсесовременныекартыподдерживаютполныйдуплекс. Внихимеются два микшера — один для записи, другой для воспроизведения. В сложных картах может быть и пара преобразователей ЦАП (стереофонических), один из которых служит для воспроизведения звукозаписи, а другой обслуживает цифровые синтезаторы. В современных картах, построенных на основе сигнальных процессоров, аналоговые микшеры заменяются цифровыми. В ряде карт число входов у микшеров (4) меньше, чем число возможных источников сигнала. Тогда на карте имеется программно-управляемый коммутатор, с помощью которого можно выбрать источники, посылаемые на микшер записи и микшер воспроизведения.

Длясозданияспециальныхэффектов(хор, реверберацияит. п.) наболеесложных звуковых картах применяются процессоры обработки сигналов DSP (Data Signal Processor).

11.2.2. Цифровыетехнологиивзвуковыхкартах

По степени вытеснения аналоговой обработки цифровой технологией фирма Intel различает три градации звуковых карт.

»Аналоговые (Analog) карты имеют аналоговые входные (микрофон, линейный вход, CD) и выходные (линейный и от усилителя) цепи. В этих картах чаще всего применяются аналоговые микшеры. На этих картах располагается и порт традиционного аналогового джойстика и MIDI. Первое поколение этих карт использовало шину ISA, аудиокристаллы располагались и на некоторых системных платах. Теперь их сменяют карты для PCI, но при этом обычносохраняется совместимость сSB 16.

т Карты Digital Ready позволяют заменить входные и выходные аналоговые интерфейсы на цифровые, используя шины общего назначения (USB, FireWire) и специальные цифровые аудиоинтерфейсы (S/PDIF, PS) для подключения цифровой аудиоаппаратуры. В этих картах аудиопоток от

682 Глава 11. АудиосистемаPC

любого источника внутри карты представляется в цифровом виде и может перенаправляться как на аналоговые, так и на цифровые внешние интерфейсы или носители информации. В отличие от первых карт, где характеристики АЦП (разрядность, максимальная частота преобразования) часто были хуже, чем ЦАП, теперь упор сделан на АЦП. Разрядность этого преобразователя повышают до18 бити более, сохраняя разрядность ЦАПв16 бит. КачественныйАЦП, которыйостаетсяединственнымисточникомшума («цифра» не шумит по определению) нужен для расширения динамического диапазона. Разрядность обрабатываемых аудиоданных увеличивают до 32 бит, чтобы при вычислениях не терялась точность. Преобразователи ЦАП используются только для прослушивания, так что их погрешности и шумы не накапливаются. Поскольку между такой картой и системной шиной может потребоваться циркуляция множества цифровых аудиопотоков, в качестве шины расширения PCI альтернатив не имеет. Интерфейс аналогового джойстика с этих карт уходит, подразумевая его замещениецифровымдляшиныUSB.

т В полностью цифровых картах (Digital Only) совершенно отсутствуют аналоговые интерфейсы, в них используются интерфейсы S/PDIF, PS, ACLink, а также ввод-вывод по шинам USB и Fire Wire. В этих картах от традиционных 16-битных стереостандартов переходят к многоканальным системамбольшейразрядностиисчастотойквантования48 кГцивыше.

Переход на полностью цифровую обработку аудиосигналов, включая микширование, фильтрацию, позиционирование и применение эффектов стал возможен даже для программной реализации на современных процессорах (для этого, в частности, предназначалась еще технология ММХ). Однако если для одного потока это и приемлемо, то для множества потоков и в многозадачной системе высокого качества обработки не получить (начнутся «заикания»), а загрузка процессора будет слишком высокой. В графической системе подобная проблема решаетсявидеоакселераторами, которыесталиужетрадиционнойчастьювидеокарт. То же начинают применять и в аудиокартах. Аппаратные средства, реализующие функции обработки аудиопотоков, называют аудиоакселераторами. Фактически это сигнальные процессоры (DSP) со стандартизованным программным интерфейсом (набором драйверов). В среде Windows эффективно взаимодействовать с аппаратными средствами компьютера позволяет технология DirectX. Для звуковых задач в ней имеются интерфейсы DirectSound и DirectSoimd 3D, названия которых говорят сами за себя. Приложения вызывают аудиосервисы через стандартные программные интерфейсы, а если в системе установлен аудиоакселератор с поддержкой DirectSound и DirectSound 3D, то возможности этих сервисоврасширятся, анагрузканапроцессорснизится.

Заметим, что на PC появилась возможность прослушивания музыки без звуковой карты и с высоким качеством (вот она, спираль развития). Достаточно приобрести колонки для USB, например, и подключить их к разъему USB. Под управлением Windows 9x/NT можно наслаждаться воспроизведением аудио-CD, МРЗ и WAV-файлов, апри наличии программного WT-синтезатора — еще ипроигрывать MIDI. Есть, правда, некоторые неудобства — под DOS колонки будут молчать (USB недоступна), трудности возникнут и с другими ОС. Что происходит приотсутствииаудиоакселератора, мыобсуждаливыше. Крометого, про-

11.2. ЗвуковаякартаPC 683

граммное микширование при 16-битном тракте после микшера к колонкам по мере уменьшения громкости сужает динамический диапазон. Так что «прелесть» такого решения пока сомнительна — традиционное решение SB+колонки или наушникидешевле иэффективнее.

С переходом на цифровые технологии обработки аудиосигналов возникает проблема сведения на микшере сигналов от источников с разными частотами выборки. В аналоговой обработке таких проблем не возникает. Самый простой (но не самый лучший) способ сведения — преобразовывать цифровые сигналы в аналоговые, фильтровать и суммировать уже аналоговые сигналы (а потом их снова преобразовывать в цифровые, например, для записи в файл). Однако возможно и чисто цифровое решение проблемы — преобразование частоты дискре-

тизации, оно же ресэмплинг (resampleing), или SRC (Sample Rate Conversion).

Преобразование возможно как в сторону понижения частоты (прореживание выборок), так и повышения. Понижение частоты автоматически приводит к пропорциональному сужению полосы пропускания аудиосигнала (вспомним теорему Котельникова). Повышение частоты выборок путем пересчета аудиосигнал, естественно, не улучшит — новые выборки будут «придуманы» конвертером путем интерполяции реально существующих. Вполне очевидно, что пересчет будет гораздо проще (и вернее) при удвоении частоты, а не при умножении, скажем, на 8/7. В цифровой аудиосистеме удобно привести все сигналы к единой частоте, и с точки зрения максимального сохранения качества — к самой высокой из используемых. Большое неудобство заключается в том, что аудио-CD (считавшиеся еще недавно эталоном качества) задействуют частоту дискретизации 44,1 кГц, а на DVD кодирование MPEG-2 предусматривает частоту 48 кГц, и эту частоту нельзя обходить вниманием. При разработке аудиокодека АС'97 (см. ниже) был выбран ряд рекомендованных частот дискретизации 8,000, 11,025, 16,000, 22,050, 32,000, 44,100 и 48,000 кГц. Основной частотой принята 48 кГц, и все остальные сигналы приводятся к ней по схеме, приведенной на рис. 11.5. Самым тяжелым преобразованием в этой цепочке является пересчет 147:160 — из 147 выборок, например, от аудио-CD, «сочиняют» 160 выборок, также равномерно распределенных во времени. Для осуществления пересчета требуется буферная память для временного хранения выборок, объем требуемого буфера зависит от соотношения частот и алгоритма пересчета. Понятно, что даже при самом лучшем алгоритме пересчета сигнал от аудио-CD всяко потеряет в качестве. Проблема потери качества от ресэмплинга стоит во всех картах, способных обрабатывать несколько цифровыхсигналовотразныхисточников.

Рис. 11.5. Преобразованиячастот дискретизации

684Глава 11. АудиосистемаPC

11.2.3.АудиокодекАС'97

Аудиокодек АС'97 представляет собой довольно универсальное решение для построения звуковыхкартимодемов, предложенное фирмойIntel в1997 году; версия 2.2, в которой введена поддержка интерфейса S/PDIF, опубликована в 2000 году. Аудиосистема на основе АС'97 имеет структуру, приведенную на рис. 11.6. Собственно кодек АС'97 представляет собой микросхему в 48-выводном корпусе с унифицированным назначением выводов, которая выполняет аналого-цифро-вые и цифроаналоговые преобразования, микширование, аналоговый ввод и вывод сигналов для аудиосистемы и модема. Кодек выполняет необходимые преобразования частот дискретизации. Состав функций, реализуемых кодеком, может варьироваться — от минимально необходимых до расширенных функций, в зависимости от версии микросхемы. Кодек подключается к компьютеру по специальному цифровому интерфейсу AC-Link, предоставляемому специализиро-

ванным контроллером интерфейса (АС'97 Digital Controller). Контроллер под-

ключается к шине PCI (как ведущее устройство) или встраивается в чипсет системной платы. В обязательные (минимальные) задачи контроллера входит доставка цифровых аудиоданных в формате РСМ (см. п. 11.1.1) аудиокодеку из памяти и в память от кодека. Для этого, как правило, контроллер должен быть многоканальным контроллером шины PCI (bus master). В память аудиоданные для кодека поступают под управлением центрального процессора от различных источников: из файлов, с внешних цифровых интерфейсов, а также генерируемых программно в реальном времени (например, от игр, от программных декодеров MPEG и т. п.). Из памяти данные откодека различным потребителям (вфайлы, на внешние интерфейсы) доставляет также программа центрального процессора. Более мощный контроллер кроме чистой доставки обеспечивает и аппаратное ускорение генерации РСМ-данных, например, при декодировании MPEG, формированииЗВ-звука, синтезезвуков, атакжекодированиеРСМ-данныхвболее плотныеформаты.

Рис. 11.6. СтруктурааудиосистемынабазеАС'97

Кодек АС'97 по отношению к контроллеру является подчиненным устройством. Разделение аудиосистемы на две части позволяет собирать ее в соответствии с предъявляемыми требованиями и при необходимости без особых проблеммодернизировать, заменивлишьмикросхемуилиустановивдругую(до-

11.2. ЗвуковаякартаPC 685

полнительную) плату кодека с более богатым набором функций или более высокимикачественнымипараметрами. КонтроллеринтерфейсаAC-Link иминимальный кодек АС'97 устанавливается на многих системных платах, а для добавления новых возможностей интерфейс AC-Link выводится на специальный разъем расширения AMR или CNR (см. п. 4.2.4). В интерфейсе есть место и для дополнительных каналов, с помощью которых может быть реализован программный модем. Для этого существует специальный модемный кодек МС'97, который может быть размещен как на системной плате, так и на специальной модемной карте. Контроллер способен обслуживать до четырех кодеков, правда, общее количество каналов(тайм-слотов, см. ниже) разделяется междувсемикодеками.

Цифровой интерфейс AC-Link довольно прост; он содержит следующие сигналы:

тBIT_CLK — битовый синхросигнал с частотой 24,576 МГц, источником синхронизацииявляетсяаудиокодек(онимееткварцованныйгенератор);

тSYNC — сигнал синхронизации началакадра, вырабатывается контроллером, синхронизирующимсяотBU_CLK;

тSDATA_OUT — последовательныеданныеотконтроллераккодеку;

*SDATAJN — последовательныеданныеоткодекакконтроллеру;

ж RESET* — сигналаппаратногосброса.

Интерфейс обеспечивает одновременную многоканальную передачу и прием данных по методу временного мультиплексирования (TDM — Time Domain Multiplexing). Передача и прием данных происходит в непрерывной последовательности кадров. В кадре каждому каналу отводится свой тайм-слот, содержащий 20битные поля данных. Весь кадр состоит из 13 слотов, нумеруемых от 0 до 12. Частота кадров составляет 48 кГц — это основная частота кодека, так что каждый канал способен нести 20-битные выборки с частотой до 48 кГц. Пропускная способность каждого канала.составляет 20 х 48 = 960 кбит/с. Если частота дискретизации данных, передаваемых каналом, ниже 48 кГц, то отдельные кадры (выборки) для данного канала пропускаются, и этот факт помечается специальным тегом, передаваемым в начале кадра. Пропуском выборок управляет кодек: при конфигурировании записью в его регистры устанавливается частота выборок для каждого используемого канала. В каждом кадре, посылаемом им контроллеру, кодек отмечает тайм-слоты (каналы) с действительными данными, а также устанавливает биты запросов данных в тех каналах (слотах), которые контроллер должен будет предоставить кодеку в следующем кадре. Для фиксированной частоты 48 кГц все гораздо проще — в используемых каналах данные присутствуют всегда, и никаких запросов не требуется. Возможность использования частот, отличных от 48 кГц, появилась только во второй версии АС'97. Объединениемпарыканаловпринеобходимостичастотудискретизацииможноподнять и до 96 Кбит/с.

Кроме каналов аудиоданных в интерфейсе отводятся слоты для обмена данными контроллера с регистрами кодека. Контроллер может обращаться к любому из 32-х регистров (16-битных) кодека (все они имеют четные адреса) как по чтению, так и по записи, причем возможен выбор одного из четырех кодеков, подключенныхкконтроллеру. Частьрегистровкодекаимеетстандартизованное

686 Глава 11. АудиосистемаPC

назначение: регистры 2-26h относятся к аудиочасти, 28-3Ah — к расширению аудио, 3C-58h — к модему. Регистры 5A-7Ah отдаются в распоряжение разработчика. Если к контроллеру подключено более одного кодека, то входная линия данных для каждого кодека своя, выходная линия данных для всех кодеков общая. Какой из подключенных кодеков будет использовать каждый из каналов, определяетсяприконфигурировании.

Слоты с данными передаются и принимаются контроллером одновременно, начало кадра отмечается сигналом SYNC, во время которого передается и принимается слот-0. Выходной (для контроллера) слот-0 содержит информацию о кадре: общий бит действительности кадра, теги — биты действительности данных каждого тайм-слота, а также двухбитный идентификатор кодека, к которому обращается команда в данном кадре (если таковая имеется). Выходной слот-1 содержит признак команды (запись или чтение) и 6-битное поле индекса регистра, к которому производится обращение (остальные биты пока в резерве). Выходной слот-2 содержит данные длякомандызаписи— 16-битноеслово, прижатое клевому краю (старшие биты). Остальные слоты (3-12) содержат данные выходных каналов контроллера, передаваемые кодеку. Если разрядность РСМ-данных меньше 20 бит, то лишние разряды (младшие) обнуляются.

В принимаемых данных слот-0 содержит признак готовности кодека к нормальной работе (неготовность устанавливается по аппаратному сбросу) и теги присутствия данных в последующих слотах. Слот-1 содержит биты запросов данных слотов каналов вывода для последующего кадра, а также эхо индекса регистра (установив его в 0, кодек сообщает об обращении к недопустимому регистру). Слот- 2 содержит данные регистра, который считывался командой контроллера. Слоты 3- 12 содержат данные каналов ввода.

Назначение каналов (слотов) ввода и вывода приведено в табл. 11.1.

Таблица11.1. НазначениеканаловАС'97

Слот_____Назначение____________________________________

Входныеслотыконтроллера_________________________________________

________тыловыхканалов______________________________________

9________РСМ LFE РАС — данные для ЦАП низкочастотного канала______________ 10"_______Modem Line2 — данные для ЦАП модема второй линии________________ И^_______Modem Handset Output - данные для ЦАП телефонной трубки____________ 12*_______Данные для управляющих сигналов модема_________________________ Выходные слоты контроллера________________________________________ 3, 4_______РСМ Record (L, R) — запись цифровых данных, левый и правый каналы (основные) 5________Modem Linel ADC — данные от АЦП модема первой линии_______________ 6________Dedicated Mic Record — данные от дополнительного АЦПмикрофона_________ 7-9_______Резерв_______________________________________________

11.2. ЗвуковаякартаPC 687

Слот Назначение

10Modem Line2 ADC — данные от АЦП модема второй линии

11Modem Handset ADC — данные от АЦП телефонной трубки

12Данные от сигналов состояния модема

*Слоты 10-12 при отсутствии модема могут использоваться для расширения полосы пропускания каналов

3, 4 и6

Функциональные возможности аудиокодека хорошо иллюстрирует схема его микшера (рис. 11.7), взятая из спецификации АС'97 2.2. На схеме серым фоном помечены необязательные компоненты. Как видно из схемы, микшер работает с аналоговыми сигналами. Цифровые потоки от контроллера преобразуются в аналоговые сигналы (блоками DAC), предварительно при необходимости блоки SRC приводят выборки к общей частоте 48 кГц. Сигналы от всех источников проходят на главный сумматор микшера (стереофонический) через регуляторы уровня V (Volume control) и выключатели М (Mute). Смешанный сигнал может быть обработан необязательным блоком SD-эффектов и скорректирован по частотной характеристике необязательным темброблоком (F). Далее сигнал через общий регулятор уровнявыводится на аналоговый выход.

Слоты10,11

Цифровые ДЭННЫв (СтервО)

Аналоговыесигналы(стерео) Аналоговыесигналы(моно)

Рис. 11.7. Блок-схемамикшераАС'97

Трактцифровойзаписинеимеетсобственногомикшера— здесьимеетсятолько коммутатор (MUX), позволяющий оцифровывать (блоком ADC) либо сигна-