2.5.3. Звуковая карта
Звуковые карты (платы) используются для записи и воспроизведения звуковых сигналов: речи, музыки, различных звуковых эффектов. Современные звуковые платы предоставляют большие возможности для обработки звуковых сигналов и превращают обычный компьютер в достойную аудиосистему. Звуковая плата (sound card), также называемая звуковой картой, музыкальной платой бывает встроенной микросхемой в материнскую плату, отдельной платой расширения или внешней звуковой картой, соединяемой с компьютером через порт USB.
Любая звуковая плата представляет собой, по сути, схему цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей (ЦАП и АЦП).
Упрощенная структура аудио тракта показана на рис. 2.7. Микшерный пульт - это устройство, предназначенное для суммирования звуковых сигналов от нескольких источников в один или несколько, также при помощи микшерного пульта осуществляется маршрутизация звуковых сигналов.
При цифровом представлении аналогового сигнала изменение его амплитуды происходит дискретно и как бы фиксируется в течение некоторых моментов времени, в которые осуществляются измерения. Измеренные значения определяют аналоговый (непрерывный) сигнал, представляя его состояние в дискретные моменты времени. Таким образом, звук после аналого-цифрового преобразования 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. Необходимая частота измерений (выборки) зависит от частотного диапазона преобразуемого сигнала.
Обычно применяется частота 44.1 KHz, что соответствует стандарту Audio CD и обеспечивает воспроизведение частот приблизительно до 22.05 KHz. Напомним, что человек воспринимает звуковые колебания в диапазоне примерно от 20 до 20000 Гц. Под точностью или разрешающей способностью понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового кода. Это определяется разрядностью АЦП и ЦАП при воспроизведении звука, с увеличением которой увеличивается их динамический диапазон. Звуковые карты могут иметь разрядность 16, 20, а иногда и 24 бита, хотя последняя уже практически не приводит к заметному улучшению качества.
Рис. 2.7. Структура аудио тракта
В принципе вся необходимая обработка может выполнятся центральным процессором, но гораздо лучше, если обработку выполняет расположенный на плате специализированный звуковой процессор, называемый DSP (Digital Signal Processor). От его возможностей и производительности напрямую зависит качество и точность звуковых эффектов. 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 настоящее время для синтеза звукового сигнала применяются две основные формы: использование метода модуляции частоты (FM-синтез) и применение волновых таблиц (сэмплов), который называют WT-синтезом (WaveTable –волновая таблица). Простейший способ генерировать звук заключается в частотной модуляции (Frequency Modulation - FM). При этом синтез звука осуществляется с помощью специальных генераторов сигналов, называемых операторами. Первые звуковые карты с поддержкой MIDI имели двухоператорные синтезаторы. Более совершенные алгоритмы FM-синтеза подразумевают использование большего числа операторов. Но при частотном синтезе звук получается не очень естественным, так как звук музыкальных инструментов содержит множество обертонов, а не несколько.
При WT-синтезе образцы звучания различных инструментов (сэмплы) хранятся в памяти платы. Объем памяти связан с качеством синтеза: чем больше эта память, тем более реалистично звучание. Для бытовых карт нормальным считается наличие до 4 Мбайт памяти, в полупрофессиональных и профессиональных моделях может применяться 32Мбайт памяти и более. Достоинства данного метода - пpедельная pеалистичность звучания классических инстpументов и пpостота получения звука. WT-синтез обеспечивает значительно более реалистичное по сравнению с FM-синтезом качество звучания, поэтому во всех сегодняшних картах используется только этот способ. Заслуженным признанием пользуются звуковые платы фирм Creative Labs, Yamaha, Diamond Multimedia System, KYE Systems (Genius) .
На качество звучания звуковой платы заметное влияние оказывают установки уровня сигнала. Не следует выставлять регуляторы уровней громкости на значения, большие 80% от максимальных, так как из-за перегрузки звуковых схем появляются различные искажения. Лучше всего выставить все регуляторы где-то на половину или чуть больше. То же относится и к регуляторам тембра.
Основными характеристиками звуковых карт являются:
разрядность преобразователей АЦП и ЦАП (биты);
отношение сигнал/шум (дБ);
диапазон воспроизводимых частот (Гц);
объем памяти (Мб);
тип шины;
максимальное количество одновременно обрабатываемых звуков, наличие звуковых эффектов;
количество инструментов в памяти и возможность расширения, полифония (количество одновременно звучащих голосов).