vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лабораторная работа Звуковая карта персонального компьютера

1. Цель работы

Цель работы состоит:

- в ознакомлении со средствами конфигурирования аудиосистемы персонального компьютера в ОС Windows;

-в изучении показателей качества звуковой карты и ее тестировании.

2.Основные сведения

Звуковая карта (плата) (англ. sound card) —периферийное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных компьютерах чаще представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC'97 или Intel HD Audio).

AC'97

AC'97 (сокращенно от англ. audio codec '97) — это стандарт для аудиокодеков, разработанный подразделением Intel Architecture Labs компании Intel в 1997 г. Этот стандарт используется в основном в системных платах, модемах, звуковых картах и корпусах с аудиорешением передней панели. AC'97 поддерживает частоту дискретизации 96 кГц при использовании 20-разрядного стерео-разрешения и 48 кГц при использовании 20-разрядного стерео для многоканальной записи и воспроизведения.

AC'97 состоит из встроенного в южный мост чипсета хост-контроллера и расположенного на плате аудиокодека. Хост-контроллер (он же цифровой контроллер, DC'97; англ. digit controller) отвечает за обмен цифровыми данными между системной шиной и аналоговым кодеком. Аналоговый кодек — это небольшой чип (4×4 мм, корпус TSOP, 48 выводов), который осуществляет аналогоцифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи или по DMA. Состоит из узла, непосредственно выполняющего преобразования — АЦП/ЦАП (аналоговоцифровой преобразователь / цифроаналоговый преобразователь; англ. analog digital converter / digital analog converter, сокр. ADC/DAC).

От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и декодирования цифрового звука.

HD Audio

HD Audio (от англ. high definition audio — звук высокой четкости) является эволюционным продолжением спецификации AC'97, предложенным компанией Intel в 2004 году, обеспечивающим воспроизведение большего количества каналов с более высоким качеством звука, чем при использовании интегрированных аудиокодеков AC'97. Аппаратные средства, основанные на HD Audio, поддерживают 24-разрядное качество звучания (до 192 кГц в стереорежиме, до 96 кГц в многоканальном режимах — до 8 каналов). Изменилось только качество микросхем и подход к обработке звука.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3.Звуковые карты: основные понятия и термины

Всостав аудиосистемы персонального компьютера входят:

-звуковая карта (адаптер);

-устройство воспроизведения звука (наушники, звуковые колонки);

-устройство записи (микрофон).

Чтобы понять, как функционирует аудиоподсистема ПК, сначала необходимо разобраться в природе звука.

3.1. Природа звука

Для начала выясним, что такое звук. Звук — это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают вашего уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают колебания давление воздуха и вы слышите звук.

Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).

Частота — это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Один цикл (период) — это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон.

Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20 кГц (1 кГц = 1 000 Гц). Частота звука самой низкой ноты на рояле равна 27 Гц, а самой высокой — чуть больше 4 кГц. Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-станции, — 15 кГц.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Амплитуда звуковых колебаний зависит в первую очередь от мощности источника звука. Например, струна пианино при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее колебаний невелик. Если же ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум — около 70 дБ, а близкий удар грома — 120 дБ.

3.2. Звуковой тракт

Звуковая система персонального компьютера содержит каналы записи и воспроизведения звука, которые могут быть или совмещены, или выполнены в виде отдельных устройств. В самом простом случае, например, при записи звук, звуковой тракт звуковой карты можно представить (рис.1) из микрофона, усилителя, регуляторов тембра, регулятора громкости звука и громкоговорителя.

Рис.1

Совокупность электрически связанных устройств, предназначенных для передачи соответствующих звуку электрических сигналов от их источника к приемнику, называется звуковым трактом или звуковым каналом.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для преобразования колебаний звукового давления в электрический сигнал используется микрофон. Далее сигнал по проводникам передается к приемнику. На приемной стороне электрический сигнал с помощью акустической системы преобразуется в звук.

При воспроизведении звука будет иметь место обратный процесс — преобразование изменений физических (механических, магнитных, оптических и т. п.) свойств носителя звука в соответствующие им акустические процессы.

Несмотря на все разнообразие моделей звуковых карт, их возможностей, качества звука и размеров все они имеют примерно одну структуру и основные блоки.

3.3. Структура звуковой карты

Звуковая карта начинается со входов (Рис.2.), которые расположены на металлической панели, выходящей на заднюю стенку системного блока. Ко входам подключаются внешние аудиоустройства - микрофоны, магнитофоны, электрогитары и т.д. На рис. 2 показаны 4 входа.

Рис.2

Линейный вход (Line in) платы. Этот входной разъем используется при микшировании или записи звукового сигнала, поступающего от внешней аудиосистемы на жесткий диск.

Микрофонный вход, или вход монофонического сигнала. К этому разъему подключается микрофон для записи на диск голоса или других звуков. Запись с микрофона является монофонической. Для повышения качества сигнала во многих звуковых платах используется автоматическая регулировка усиления (Automatic Gain Control — AGC). Уровень входного сигнала при этом поддерживается постоянным и оптимальным для преобразования.

Разъем для джойстика/MIDI. Для подключения джойстика используется 15контактный D-образный разъем. Два его контакта можно использовать для управления устройством MIDI, например клавишным синтезатором. (В этом случае необходимо приобрести Y-образный кабель.) Некоторые звуковые платы для устройств MIDI имеют отдельный разъем. В современных компьютерах порт для джойстика может иногда находиться на системной плате или на отдельной плате расширения. В этом случае при подключении игрового контроллера необходимо уточнить, какой именно используется в текущей конфигурации операционной системы. В некоторых новейших аудиоадаптерах и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

встроенных звуковых системах этот разъем отсутствует, поскольку новое поколение игровых манипуляторов подключается к разъему USB

Вход Aux. Обеспечивает подключение к звуковой карте других источников сигнала, например телетюнера.

Порт USB. Позволяет подключать звуковую плату к акустической системе USB, игровым контроллерам и другим USB-устройствам.

Вход СD-in. Многие звуковые платы имеют специальный 4-контактный разъем для подключения ко внутреннему накопителю CD-ROM. Подобное соединение позволяет передавать аудиосигналы с дисковода CD-ROM непосредственно к аудиоадаптеру и прослушивать аудиокомпакт-диски через акустическую систему.

Данные по этому внутреннему разъему не передаются на шину компьютера. При установке CD-ROM, CD-RW, дисковода DVD или нового звукового адаптера не забудьте соединить дисковод и звуковую плату с помощью внутреннего кабеля; в противном случае могут возникнуть проблемы с воспроизведением музыкальных компакт-дисков или звуковым сопровождением некоторых игр.

Линейный выход (Line-out) платы. Сигнал с этого разъема можно подать на внешние устройства — акустические системы, наушники или вход стереоусилителя, с помощью которого сигнал можно усилить до определенного уровня.

Простейшая однокристальная карта состоит из трех функционально независимых узлов, составляющих три основных устройства большинства звуковых карт:

1.Узел цифрового тракта.

2.Узел аналогового микшера. выполняющего смешивание сигналов с двух предыдущих узлов, а также с линейного и микрофонного входов карты.

3.Узел музыкального синтезатора.

Узел цифрового тракта.

Ответственен за преобразование звука из аналоговой формы в цифровую и обратно, а также обмен цифровым потоком с центральным процессором или памятью компьютера.

В состав звуковой платы входит небольшая микросхема — аналого-цифровой преобразователь, или АЦП (Analog-to-Digital Converter — ADC), который при записи преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, понятную компьютеру. Аналогично при воспроизведении цифроаналоговый преобразователь (Digital-to-Analog Converter — DAC) преобразует аудиозапись в звук, который способен воспринимать человек.

Поскольку компьютер оперирует данными, представленными в цифровой форме, звуковой тракт ПК содержит участок, в котором звуковой сигнал представлен в аналоговой форме, и участок, в котором звуковой сигнал представлен в цифровой форме

(рис.3).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Мвх, Мвых –микшеры входа и выхода; РУ –регулятор уровня

Рис.3

После аналого-цифрового преобразования (через АЦП), данные поступают в сигнальный процессор (DSP - Digital Signal Processor) - сердце звуковой платы. Этот процессор управляет обменом данными со всеми остальными устройствами компьютера через шину PCI, преимущество которой заключается в высокой пропускной способности и прямым доступом к оперативной памяти.

Если центральный процессор выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера (это зависит от выполняемой программы). Если в дальнейшем присвоить этим данным любое имя - получится звуковой файл.

Узел аналогового микшера

Микшер (в буквальном переводе с английского «смешиватель»), осуществляет суммирование сигналов, поступающих из разных источников. Например, микшер при записи позволяет суммировать звуковые сигналы, поступающие от микрофона и привода компакт-диска. С помощью регулятора уровня -РУ микшера можно изменять уровень каждого поступающего на его вход сигнала, определяя тем самым вклад этого сигнала в суммарный.

Схемотехнически микшер представляет собой многовходовой аналоговый сумматор с управляемыми коэффициентами усиления по каждому входу, за счет чего он может объединять звук с разных источников карты в одну выходную линию с независимой регулировкой как всех входных, так и выходного уровня и стереобаланса.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы (Рис. 1). Он работает точно так же, как и обычные пульты, с той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект служебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки

Windows .

Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. Следует помнить, что цифровая техника очень чувствительна к превышению уровня 0 дБ - при этом возникают неприятные искажения. Слишком же низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента. То есть любая работа по записи живого звука в домашней студии будет начинаться именно с регулировки уровня сигнала при помощи входного микшера звуковой карты.

Узел музыкального синтезатора.

Практически на всех картах устанавливается не один, а два синтезатора: FM (Frequency Modulation - частотная модуляция) и WT (WaveTable - таблица волн)- для

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

получения качественного звука. Именно эти синтезаторы показаны на рисунке 2.

FM-синтезаторы звуковых плат звучат не очень хорошо. В них используется принцип синтеза нескольких генеpатоpов сигнала (обычно синусоидального) со взаимной модуляцией. Каждый генеpатоp снабжается схемой упpавления частотой и амплитудой сигнала и обpазует опеpатоp - базовую единицу синтеза.

Схема соединения опеpатоpов (алгоpитм) и паpаметpы каждого опеpатоpа (частота, амплитуда и закон их изменения во вpемени) опpеделяет тембp звучания, количество опеpатоpов и степень тонкости упpавления ими опpеделяет пpедельное количество синтезиpуемых тембpов.

В музыкальных приложениях такие синтезаторы не применяются - они нужны исключительно для звукового сопровождения игр. Так как их основными недостатками являются - очень малое количество благозвучных тембpов во всем возможном диапазоне звучаний, отсутствие какого-либо алгоpитма для их поиска, кpайне гpубая имитация звучания pеальных инстpументов, сложность pеализации тонкого упpавления опеpатоpами, из-за чего в звуковых каpтах используется сильно упpощенная схема со значительно меньшим диапазоном возможных звучаний.

Мультимедийные Wave Table синтезаторы (GF1, WaveFront, EMU8000 и т.п.), позволяют получить более приличный звук. Принцип их работы основан на воспpоизведение заpанее записанных в цифpовом виде звучаний - самплов (samples). Инстpументы с малой длительностью звучания обычно записываются полностью, а для остальных может записываться лишь начало/конец звука и небольшая сpедняя часть, котоpая затем пpоигpывается в цикле в течение нужного вpемени. Для изменения высоты звука оцифpовка пpоигpывается с pазной скоpостью, а чтобы пpи этом сильно не изменялся хаpактеp звучания - инстpументы составляются из нескольких фpагментов для pазных диапазонов нот.

Большинство плат содеpжит встpоенный набоp инстpументов в ПЗУ, некотоpые платы позволяют дополнительно загpужать собственные инстpументы в ОЗУ..

На Рис.2 можно видить, что у Wave Table синтезатора есть не только постоянная память (ROM), но и оперативная (RAM). Оперативной памятью обладают семплеры, и используется она для загрузки любых звуковых файлов, которые проигрываются с разной высотой при нажатии клавиш на подключенной клавиатуре или поступлении команд от секвенсера. То есть Wave Table синтезатор, имеющий оперативную память помимо постоянной - это ни что иное, как комбинация синтезатора и семплера, которая может выполнять функции обоих устройств. Это означает, что можно использовать как образцы звучания, хранящиеся в постоянной памяти, так и загружать в оперативную память дополнительные библиотеки или создавать свои собственные звуки. Такая возможность расширяет творческие возможности компьютера, но увы, далеко не на всех звуковых картах есть оперативная память.

Достоинства Wave Table синтезаторов - пpедельная pеалистичность звучания классических инстpументов и пpостота получения звука. Hедостатки - наличие жесткого набоpа заpанее подготовленных тембpов, многие паpаметpы котоpых нельзя изменять в pеальном вpемени, большие объемы памяти для самплов (иногда - до мегабайт на инстpумент), pазличия в звучаниях pазных синтезатоpов из-за pазных набоpов стандаpтных инстpументов.

Чтобы синтезаторы, установленные на звуковой карте можно было использовать в качестве музыкальных инструментов к MIDI/джойстик порту (Блок MPU) подключают либо MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры. Сигналы, поступающие с клавиатуры, подаются в процессор (Рис.2), который направляет их либо через системную шину к центральному процессору, либо к

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

синтезаторам звуковой карты. Путь MIDI-сигнала зависит от выполняющихся программ и можно коммутировать MIDI порты и устройства произвольным образом.

Каждый из синтезаторов, установленных на звуковой карте имеет свой собственный ЦАП. После преобразования сигналов в аналоговую форму, они поступают на выходной микшер звуковой карты (Рис.2). Такая возможность оказывается крайне полезной при окончательном микшировании композиций, записанных при помощи компьютера. А итоговый микс поступает на линейный выход (Line Out), который так же, как и входы находится на задней панели звуковой карты.

Чтобы работать с современными музыкальными программами звуковая карта должна поддерживать запись в режиме full duplex [фулл дуплекс]. При записи в этом режиме сигнальный процессор одновременно может работать с двумя потоками цифровых аудиоданных: идущих с АЦП через шину к другим устройствам компьютера, и поступающих с жесткого диска на ЦАП. То есть режим full duplex - это запись одновременно с воспроизведением. Благодаря этому режиму можно использовать звуковую карту как многоканальный магнитофон.

Процессоры цифровой обработки сигналов

Во многих звуковых платах используются процессоры цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor — DSP). Благодаря им платы стали более "интеллектуальными" и освободили центральный процессор компьютера от выполнения таких трудоемких задач, как очистка сигналов от шума и сжатие данных в реальном времени, преобразование текста в речь и синтез так называемого трехмерного звучания.

3.4. Оцифровывание (оцифровка)

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровую форму в звуковой карте осуществляет АЦП и называется оцифровыванием. Он состоит из двух этапов.

1. Дискретизация.

Дискретизацией (рис.4) называется процесс превращения исходного звукового сигнала в мгновенные значения звукового сигнала в определенные моменты времени, называемые выборками.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.4

Сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, заменяют рядом отсчетов этого сигнала. Обычно отсчеты сигнала берутся через одинаковые промежутки времени. Интуитивно ясно, что если отсчеты отстоят друг от друга на слишком большие интервалы, то при дискретизации может произойти потеря информации: важные изменения сигнала могут быть “пропущены” преобразователем, особенно если они произойдут не в те моменты, когда были взяты отсчеты. Получается, что отсчеты следует брать с максимальной частотой. Естественным пределом служит быстродействие АЦП. Кроме того, чем больше отсчетов приходится на единицу времени, тем больший размер памяти, необходим для хранения информации.

Проблема отыскания разумного компромисса между частотой взятия отсчетов сигнала и расходованием ресурсов трактов преобразования и передачи информации возникла задолго до того, как на свет появились первые звуковые карты. В результате исследований было сформулировано правило, которое в отечественной научно-технической литературе принято называть теоремой Котельникова.

Если поставить перед собой задачу обойтись без формул, то суть теоремы Котельникова можно объяснить следующим образом. Сигнал, представленный последовательностью дискретных отсчетов, можно вновь преобразовать в исходный (непрерывный) вид без потери информации только в том случае, если интервал межу соседними отсчетами не превышает половины периода самого высокочастотного колебания, содержащегося в спектре сигнала.

Из сказанного следует, что восстановить без искажений можно только сигнал, спектр которого ограничен некоторой частотой Fmax. Теоретически все реальные сигналы имеют бесконечные спектры. Для того чтобы при дискретизации избежать искажений, вызванных этим обстоятельством, сигнал вначале пропускают через фильтр, подавляющий в нем все частоты, которые превышают заданное значение Fmax, и лишь

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

затем производят дискретизацию. Согласно теореме Котельникова частота, с которой следует брать отсчеты, составляет Fд= 2Fmax. Теорема получена для идеализированных условий. Если учесть некоторые реальные свойства сигналов и устройств преобразования, то частоту дискретизации следует выбирать с некоторым запасом по сравнению со значением, полученным из предыдущего выражения.

В стандарте CD частота дискретизации равна 44,1 кГц. Звуковые карты, как правило, способны работать в широком диапазоне частот дискретизации. Важно, чтобы максимальное значение частоты дискретизации было не менее 44,1 кГц, в противном случае качества звучания CD достичь не удастся. Так, например, диск CD-Audio , несущий данные с частотой дискретизации 44,1 кгц. способен хранить информацию о диапазоне частот 0….22050 гц.

Следует различать частоту дискретизации в АЦП/ЦАП, предназначенных для оцифровки внешних сигналов, и частоту дискретизации в ЦАП WT-синтезатора звуковой карты. Значение последней может не совпадать с указанными стандартными значениями.

например, искретизаци44, 1кгц, которая гласит

2.Квантование по уровню

Впроцессе работы АЦП происходит не только дискретизация непрерывного аналогового сигнала во времени, но и квантование его по уровню, то есть представление значений

выборок в цифровом двоичном коде.

При квантовании весь возможный диапазон изменения сигнала на входе АЦП от хмакс до хмин разбивается на N разрешенных уровней и представляется двоичным N-разрядным кодом (рис.5).

Рис.5

Это означает, что число возможных различных значений сигнала (уровней квантования) равно 2N и, следовательно, значения, лежащие в пределах величины x = (xмакс xмин)2N , неразличимы. Величина x называется шагом квантования и равна разности между двумя соседними разрешенными для передачи уровнями.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Таким образом, непрерывный (аналоговый) сигнал преобразуется в цифровой с некоторой погрешностью. Эта погрешность тем больше, чем меньше уровней квантования сигнала. Квантование предусматривает представление значений выборок в цифровом двоичном коде. Число уровней квантования в свою очередь зависит от разрядности АЦП/ЦАП. Первым стандартом мультимедийного ПК предусматривался "8-разрядный" звук. Разрядность звука характеризует количество бит, используемых для цифрового представления каждой выборки. При восьми разрядах количество дискретных уровней звукового сигнала составляет 256, а если использовать 16 бит, то их количество достигает 65 536. Современные высококачественные звуковые карты поддерживают 24-битовую дискретизацию, причем количество дискретных уровней звукового сигнала составляет более чем 16,8 млн. Чем больше уровней квантований те выше точность цифрового представления выборок.

Погрешности, возникающие в результате замены аналогового сигнала рядом квантованных по уровню отсчетов, можно рассматривать как его искажения, вызванные воздействием помехи. Эту помеху принято образно называть шумом квантования.

Шум квантования (рис. 6, в) представляет собой разность соответствующих значений реального и квантованного по уровню (рис. 6, б) сигналов:

Ш КВ(t) = UАИМ(t) - UКВ(t)

Рис. 6. Квантование сигнала по уровню

Относительная величина максимальной погрешности квантования равна 1/N, где N — число уровней квантования. Этой же величиной, представленной в логарифмических единица (децибелах), оценивается уровень шумов квантования АЦП звуковой карты. Уровень шумов квантования определяется по формуле: D = 20lg(1/N).

Для трехразрядного АЦП N=8, и D =–18 дБ;

для восьмиразрядного — N=256, D= –48 дБ;

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

для шестнадцатиразрядного — N=65536, D=–96 дБ;

для восемнадцатиразрядного АЦП N=262144, D=–108 дБ;

для двадцатиразрядного АЦП N=1648576, D=–120 дБ.

Эти цифры наглядно демонстрируют, что с ростом разрядности АЦП шум квантования уменьшается. Приемлемым считается 16-разрядное представление сигнала, являющееся в настоящее время стандартным для воспроизведения звука, записанного в цифровой форме.

Увеличение разрядности АЦП обусловлено еще одним фактором — стремлением расширить его динамический диапазон. Мы уже говорили о динамическом диапазоне звука.

Динамический диапазон некоторого устройства обработки может быть определен выражением D=20lg(Smax/Smin), где Smax и Smin — максимальное и минимальное значения сигнала, который может быть преобразован в цифровую форму без искажения и потери информации.

Очевидно, минимальный сигнал не может быть меньше, чем напряжение, соответствующее одному разряду, а максимальный — не должен превышать величины напряжения, соответствующего N разрядам. Поэтому выражение для динамического диапазона АЦП звуковой карты примет вид: D=20lg(N).

Так, динамический диапазон для 16-разрядного АЦП составляет 96 дБ, для 18-разрядного

— 108 дБ, для 20-разрядного — 120 дБ. Иными словами, для записи звучания некоторого источника звука, динамический диапазон которого составляет 120 дБ, требуется двадцатиразрядный АЦП. Если такого нет, а имеется только шестнадцатиразрядный, то динамический диапазон звука должен быть сжат на 24 дБ: со 120 дБ до 96 дБ.

3.4. Оценка качества звуковой карты

Для оценки качества звукового адаптера используется три параметра:

диапазон частот;

коэффициент нелинейных искажений;

отношение сигнал/шум.

Частотная характеристика (АЧХ) определяет тот диапазон частот, в котором уровень записываемых и воспроизводимых амплитуд остается постоянным. . По сути, АЧХ показывает, насколько равномерно может воспроизводить частоты звуковая система. Считается, что человеческое ухо воспринимает частоты в интервале 20 Гц...20 кГц. И если аудиосистема воспроизводит частоты в том же диапазоне, то ее звучание будет наиболее естественным. Важен не только широкий диапазон воспроизведения частот, но и вид кривой АЧХ. Хорошо, если АЧХ представляет собой прямую линию в пределах достаточно широкого диапазона воспроизводимых частот.Для большинства звуковых плат этот диапазон составляет от 30 Гц до 20 кГц.

Коэффициент нелинейных искажений (THD). Если на вход звукового устройства подается идеальный синусоидальный сигнал, то на выходе его форма уже будет отлична от первоначальной. Вот это искажение сигнала и характеризует THD.

Каждый нелинейный элемент является причиной искажения. Чем меньше этот коэффициент, тем выше качество звука. Этот коэффициент может различаться для

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

звуковых карт с одинаковым набором микросхем. Модели с дешевыми компонентами зачастую имеют значительные искажения, что ухудшает качество звука.

Какой уровень искажений можно считать приемлемым? Обычно высококачественная аппаратура имеет низкий коэффициент нелинейных искажений (менее 0.002%).

Если эта величина превышает 0,1 %, то помехи могут быть заметны на слух. Устройство с таким уровнем помех не может считаться высококачественным, В недорогих акустических системах значение этого параметра на частоте 1 кГц может доходить до 10 % (0,1 дБ). Для непрофессиональных звуковых карт THD в пределах 0,004...0,02% можно считать приемлемым результатом.

Отношение сигнал/шум (SNR). Вместе с воспроизводимым сигналом на выходе звукового устройства всегда присутствует шум. Чем меньше его амплитуда по отношению к основному сигналу, тем лучше. Особенно хорошо шум проявляется при прослушивании музыки в наушниках и не так заметен при удалении от акустических колонок. Лучшие звуковые карты дают SNR порядка —9О...95дБ. Хорошим можно считать величину SNR около —75 д5. Ну, а если на выходе звуковой карты регистрируется SNR порядка —60 дБ, то это уже весьма и весьма посредственная карта.

Отношение сигнал/шум характеризует силу звукового сигнала по отношению к фоновому шуму (шипению). Чем больше показатель (в децибелах), тем лучше качество воспроизведения звука. Например, современная звуковая карта может иметь отношение 100 дБ, в то время как более старая характеризуется отношением 90 дБ.

Коэффициент нелинейных искажений + шум (TND+N). Этот показатель одновременно объединяет в себе характеристики нелинейных искажений и шума.

Динамический диапазон (DR). Это разница между минимальным и максимальным уровнем звука, который может выдать звуковая система. Вследствие наличие шумов у звуковой карты эта разница меньше, чем естественный динамический диапазон записываемого звука. (рис. 7).

Так, естественный динамический диапазон симфонического оркестра определяется значением максимального звукового давления (110 дБ — самые громкие музыкальные звуки при игре всех инструментов) и значением минимального звукового давления (30дБ

— тихая игра, например, одного инструмента при исполнении сольной партии). Наибольшей силе звука соответствует максимальное напряжение сигнала. Максимальное значение напряжения ограничивается нелинейными искажениями. Минимальное напряжение полезного, сигнала определяется уровнем собственных шумов звукового устройства.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.7. Динамический диапазон

Хорошим значением DR можно считать показатели от 50 дБ и выше.

Также стоит определиться с единицами, в которых обычно представлены параметры звука. Для этого используется относительная логарифмическая единица — децибел (дБ, dB). В технических описаниях можно встретить некоторый разнобой. Скажем, в одних документах значение SNR указывается со знаком «—», в других — без такового. В общем-то, сути это не меняет, нужно обращать внимание на модуль числа этого параметра. Знак «—» перед дБ обозначает ослабление, его указание было бы правильнее, но, по-видимому, считается не обязательным. Уровень звука также измеряется в дБ и тоже записывается со знаком «—». Максимальный уровень звука конкретного устройства принято считать равным 0 дБ, другие значения записываются с отрицательным знаком.

Перечисленные показатели имеют важное значение для всех сфер применения звуковых карт — от воспроизведения файла WAV до распознавания речи. Вместе с тем, дешевые микрофон и акустическая система могут свести на нет все преимущества дорогой звуковой карты.

2.Лабораторные задания и порядок их выполнения

Последовательно выполните настройки параметров аудиоподсистемы, изложенные в пунктах заданий 1-8.

Задание 1. Выбор устройств воспроизведения и записи звука

1.1.Откройте на панели управления компонент Звуки и аудиоустройства. Компонент предназначен для выбора оптимальных режимов работы аудиоподсистемы в ОС Windows XP. Внешний вид данного компонента показан на рис.8.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.8. Окно компонента Звуки и аудиоустройства

Компонент «Звуки и аудиоустройства» используется для выбора средств записи и воспроизведения звука и речи, воспроизведения MIDI, регулировки общей громкости аудиоподсистемы, регулировки громкости и баланса каждого из устройств, подключенных к микшеру, а также выбора звуковой схемы компьютера, т.е. сопоставления звуковых сигналов событиям в программах. Кроме того, данный компонент позволяет указать схему расположение динамиков, наиболее соответствующее реальному для данного компьютера, а также выполнить индивидуальную настройку их громкости.

Для вызова окна компонента «Звуки и аудиоустройства» необходимо нажать кнопку Пуск, выбрать команды Настройка и Панель управления, а затем дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на значке Звуки и аудиоустройства.

1.2.Перейдите на вкладку Аудио.

1.3.В поле Воспроизведение звука раскройте список и выберите используемое по умолчанию устройство.

1.4.В поле Запись звука раскройте список и выберите используемое по умолчанию устройство.

1.5.В поле Воспроизведение MIDI раскройте список и выберите используемое по умолчанию устройство.

Задание 2. Выбор устройств воспроизведения и записи речи

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2.1.Откройте на панели управления компонент Звуки и аудиоустройства.

2.2.Перейдите на вкладку Речь.

2.3.В поле Воспроизведение речи раскройте список и выберите используемое по умолчанию устройство.

2.4.В поле Запись речи раскройте список и выберите используемое по умолчанию устройство.

Задание 3. Изменение громкости звука

3.1.На панели управления откройте компонент Звуки и аудиоустройства.

3.2.Перейдите на вкладку Громкость.

3.3.В поле Громкость микшера перетащите ползунок влево или вправо, чтобы уменьшить или увеличить громкость. Чтобы отключить/включить громкость, установите/снимите флажок Выключить звук.

3.4.При необходимости выполнить индивидуальную настройку для каждого устройства, подключенного к микшеру, нажмите кнопку Дополнительно. При этом откроется окно Управление громкостью, в котором представлены регуляторы: Общая, Звук, Синтезатор, Лазерный, Микрофон, Громк. лин.вх. Для каждого из них можно выполнить индивидуальную регулировку громкости, стереобаланса, а также выключить/включить громкость.

3.5.Для того чтобы изменить набор отображаемых регуляторов, в

меню Параметры выберите команду Свойства. В поле Отображать регуляторы громкости окна Свойства установите флажки для тех источников звука, регуляторы которых должны отображаться в окне. Данную настройку уровней микшера можно выполнить как для Воспроизведения, так и для Записи, выбрав соответствующую категорию в списке Микшер окна Свойства. Нажмите кнопку OK для подтверждения выбора.

Задание 4. Настройка динамиков

4.1. Откройте на панели управления компонент Звуки и аудиоустройства.

4.2.На вкладке Громкость в поле Настройка динамиков нажмите кнопку Громкость динамиков.

4.3.Подвиньте ползунок влево или вправо, чтобы уменьшить или увеличить громкость каждого динамика.

4.4.Чтобы одновременно подвинуть все ползунки, сохраняя их относительное положение, установите флажок Передвигать все регуляторы одновременно.

4.6.Для задания схемы расположения динамиков в поле Настройка динамиков нажмите кнопку Дополнительно. В окне Дополнительные свойства звука в списке Расположение динамиков выберите схему, наиболее

соответствующую реальному расположению динамиков для вашего компьютера. Нажмите кнопку OK для подтверждения выбора.

Задание 5. Создание звуковой схемы

5.1.Откройте на панели управления компонент Звуки и аудиоустройства.

5.2.На вкладке Звуки в списке Программные события, щелкните на программном событии, для которого нужно назначить звук.

5.3.В открывшемся поле Звуки выберите файл звукозаписи, который будет исполняться при каждом возникновении события.

5.4.Если нужный файл звукозаписи в списке отсутствует, нажмите кнопку Обзор. Откроется окно выбора со списком имеющихся на компьютере звуковых файлов.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Чтобы проверить звук, выделите файл и нажмите на кнопку Проверка в нижней части окна. Чтобы остановить звучание, нажмите кнопку Стоп.

5.5.Выберите нужный файл и нажмите кнопку OK для подтверждения выбора.

5.6.В поле Звуковая схема нажмите кнопку Сохранить как. Введите имя новой звуковой схемы, которое будет отображаться в поле со списком Звуковая

схема. Нажмите на кнопку OK для подтверждения выбора.

Задание 6. Настройка качества звукозаписи

6.1.Откройте на панели управления компонент Звуки и аудиоустройства.

6.2.На вкладке Аудио в группе Запись звука из списка Используемое по умолчанию устройство выберите нужное устройство, а затем нажмите кнопку Дополнительно.

6.3.В диалоговом окне Дополнительные свойства звука на закладке Качество записи с помощью регуляторов настройте параметры Аппаратное

ускорение и Частота дискретизации. Нажмите кнопку OK для подтверждения выбора.

Задание 7. Создание звукозаписи

7.1.Запустите программу «Звукозапись». Для этого нажмите кнопку Пуск и затем выберите команды Программы, Стандартные, Развлечения и Звукозапись.

7.2.Для использования программы «Звукозапись» на компьютере должны быть установлены звуковой адаптер, динамики и устройство звукового ввода (микрофон или проигрыватель компакт-дисков).

7.3.В меню Файл выберите команду Создать.

7.4.Чтобы начать запись, нажмите кнопку Запись.

7.5. Чтобы остановить запись, нажмите кнопку Стоп.

7.6. Сохраните записанный звуковой файл на жесткий диск. Программа использует файлы в формате звукозаписи (WAV).

Задание 8. Воспроизведение звукозаписи

8.1.Запустите программу «Звукозапись».

8.2.В меню Файл выберите команду Открыть. В диалоговом окне Открытие файла дважды щелкните на имени звукового файла, который требуется воспроизвести.

8.3.Нажмите кнопку Воспроизвести, чтобы начать воспроизведение звукозаписи.

8.4.Нажмите кнопку Стоп, чтобы завершить воспроизведение записи.

Задание 9.Тестирование звуковой карты с помощью программы Sound Card Analyzer

Методика тестирования звуковой карты

Характеристики звуковой карты определяются посредством тестирования ее полной цепи

— трактов записи и воспроизведения. Линейные вход и выход одной звуковой карты соединяются между собой коротким экранированным кабелем. В системе достаточно присутствия лишь одной звуковой карты, она же и тестируется.

Порядок прохождения теста следующий: идеальный тестовый сигнал, формируемый программой, преобразуется ЦАП звуковой карты в аналоговый сигнал, который с линейного выхода через соединительный кабель сразу же попадает на линейный вход и преобразуется АЦП обратно в цифровую форму. Программа обрабатывает вернувшийся с

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Если Отличные оценки, то звуковую карту можно успешно применять для профессиональной звукозаписи.

Если оценки Хорошие, то карта достаточно качественная для домашней звукозаписи. Более низкие оценки означают, что у данной карты есть существенные недостатки, которые могут ограничить ее применимость для серьезных задач.

Для каждого теста можно просмотреть подробные численные характеристики (кнопка «Отчет») график (кнопка «График»).

5-Б) Проведите тест уровня шума и наводок.

Этот тест определяет уровень шума звукового тракта в отсутствие сигнала. Тестирование наводок позволяет выявить влияние на звуковой тракт источников интерференции или некачественных цепей питания.

Тестовый сигнал – тишина (или шум диттерига: Включается или выключается диттеринг при формировании тестового сигнала см. подробнее «Диттеринг»).

Вслучае теста наводок продолжительность сигнала составляет примерно 20 секунд, так как для нахождения наводок необходимо усреднить спектральные данные с достаточно длинного интервала.

Вотчете указывается статистика шума:

•Мощность RMS.

•Мощность RMS (A-взвешенная) – значение RMS A-взвешенного эквивалента шума (см. подробнее «A-взвешивание»).

•Пиковый уровень шума – максимальное значение мгновенной амплитуды шума в дБ FS.

•Смещение DC – величина постоянной составляющей записанного аудио сигнала (в процентах от максимальной амплитуды).

График результатов теста показывает усредненный спектр входного сигнала (шума). Размер окна БПФ составляет 4096 точек. В случае теста наводок дополнительный

график в отдельном окне показывает усредненный спектр сигнала на продолжительном временном интервале. На этом спектре хорошо видны интерференционные и прочие наводки в шуме звукового тракта.

5-В) проведите тест динамического диапазона.

Этот тест позволяет определить уровень шумов, которые возникают в присутствии сигнала.

Тестовый сигнал – синусоида с частотой 1 Кгц и амплитудой –60 дБ. Амплитуда сигнала достаточно мала для предотвращения нелинейных искажений. После прохождения сигнала через звуковой тракт из него отфильтровывается гармоника 1 Кгц и оставшийся сигнал подвергается измерениям.

В отчете указываются:

•Динамический диапазон – значение RMS этого остаточного сигнала.

•Динамический диапазон (A-взвешенный) – значение RMS A-взвешенного эквивалента остаточного сигнала (см. подробнее «A-взвешивание»).

•Смещение DC – величина постоянной составляющей записанного аудио сигнала (в процентах от максимальной амплитуды).

График результатов теста показывает усредненный спектр входного сигнала, включая и гармонику 1 Кгц. Размер окна БПФ составляет 4096 точек.

5-Г) Проведите тест нелинейных искажений.

Этот тест определяет величину нелинейных искажений сигнала большой амплитуды, проходящего через звуковой тракт.

Тестовый сигнал – синусоида с частотой 1 Кгц и амплитудой –3 дБ (амплитуду «Параметры тестов» можно менять в окне ).

После прохождения сигнала через звуковой тракт из него отфильтровывается гармоника 1 Кгц и оставшийся сигнал подвергается измерениям.

Уровень тестового сигнала для теста нелинейных искажений

•задается в пределах от –90 дБ до 0 дБ. Значение по умолчанию равно –3дБ. Варьируя

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

этот параметр можно превратить тест нелинейных искажений в тест динамического диапазона. Также можно выявить тот предельный уровень сигнала, при котором нелинейные искажения начинают резко возрастать.

В отчете указываются:

•Нелинейные искажения – амплитуда суммы гармоник тестового сигнала.

•Нелинейные искажения + шум – значение RMS всего остаточного сигнала.

•Нелинейные искажения + шум (A-взвешенные) – значение RMS A-

взвешенного эквивалента остаточного сигнала (см. подробнее «A- взвешивание»).

• Смещение DC – величина постоянной составляющей записанного аудио сигнала (в процентах от максимальной амплитуды).

График результатов теста показывает усредненный спектр входного сигнала, включая и гармонику 1 Кгц. Размер окна БПФ составляет 4096 точек.

5-Д) Проведите тест взаимопроникновения стереоканалов.

Этот тест определяет величину паразитного проникновения сигналов одного стереоканала в другой для различных частот.

Тестовый сигнал – синусоиды разных частот в разных стереоканалах с амплитудой –20 дБ. При прохождении каждой синусоиды через определенный канал звукового тракта производятся измерения сигнала в другом канале.

Вотчете указываются величины проникновения сигналов из одного канала в другой (то есть амплитуды сигналов в другом канале, увеличенные на 20 дБ) для частот 100 Гц, 1 Кгц и 10 Кгц.

График результатов теста показывает зависимость величины проникновения от частоты. 10. Сохраните результаты тестов

Вглавном окне имеются 3 кнопки, позволяющие сохранить или загрузить результаты тестирования.

«Загрузка»

Кнопка позволяет загрузить полученные ранее результаты тестирования из SAV-файла в окно результатов.

«Сохранение» Кнопка позволяет сохранить полученные результаты тестирования из окна результатов в

SAV-файл. «Отчет HTML»

Кнопка позволяет сгенерировать HTML-отчет о результатах тестирования. В HTML-файл включаются все детальные отчеты и графики из окна результатов.

Содержание отчета.

В отчете приведите описание результатов выполнения пунктов лабораторных заданий.