• Что можно приготовить из кальмаров: быстро и вкусно

    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.

    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 операционной системы (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.

    Коннекторы звуковой платы

    В 1998 года Creative Technology был выпущен очень успешный образец звуковой платы SoundBlaster Live!, ставший в дальнейшем стандартом де-факто.

    Версия Platinum 5.1 карты Creative SoundBlaster Live!, которая появилась к концу 2000 года, имела следующие гнезда и соединители:

    • аналого-цифровой выход: либо сжатый сигнал в формате Dolby АС-3 SPDIF с 6 каналами для подключения внешних цифровых устройств или динамиков цифровых систем, либо аналоговая система громкоговорителей 5.1;
    • линейный вход - соединяется с внешним устройством типа кассетного, цифрового магнитофона, плеера и прочего;
    • микрофонное гнездо - соединяется с внешним микрофоном для ввода голоса;
    • линейный выход - соединяется с динамиками или внешним усилителем для аудиовывода или наушниками;
    • соединитель джойстика/MlDI - соединяется с джойстиком или устройством MIDI и может быть настроен так, чтобы соединяться с обоими одновременно;
    • CD/SPDIF соединитель - соединяется с выводом SPDIF (цифровое аудио), расположенном на дисководе DVD или CD-ROM;
    • дополнительный аудиовход - соединяется с внутренними аудиоисточниками типа тюнера, MPEG или других подобных плат;
    • соединитель аудиоCD - соединяется с аналоговым аудиовыводом на CD-ROM или DVD ROM, используя кабель аудиоCD;
    • соединитель автоответчика - обеспечивает монофоническую связь со стандартным голосовым модемом и передает сигналы микрофона к модему.

    • а - аудиоплата;
    • б - блок Live! Drive.

    Аудиорасширение (цифровой ввод-вывод) - соединяется с цифровой платой ввода-вывода (располагается в свободной нише накопителя на 5.25 дюймов, выходящей на переднюю панель компьютера), иногда называемой Live!Drive. Обеспечивает следующие соединения:

    • гнездо RCA SPDIF - соединяется с устройствами цифровой звукозаписи типа цифровой ленты и мини-дисков;
    • гнездо наушников - соединяется с парой высококачественных наушников, вывод динамика отключается;
    • регулировка уровня наушников - управляет громкостью сигнала наушников;
    • второй вход (линейный/микрофонный) - соединяется с высококачественным динамическим микрофоном или аудиоисточником (электрическая гитара, цифровое аудио или мини-диск);
    • переключатель второго входа (линейный/микрофон);
    • соединители MIDI - соединяются с устройствами MIDI через кабель Mini DIN-Standard DIN;
    • инфракрасный порт (сенсор) - позволяет организовать дистанционное управление персональным компьютером;
    • вспомогательные гнезда RCA - соединяются с оборудованием бытовой электроники (видеомагнитофон, телевизор или проигрыватель компакт-дисков);
    • оптический вход-выход SPDIF - соединяется с устройствами цифровой звукозаписи типа цифровой ленты или минидисков.

    Современные аудиокарты поддерживают также ряд стандартных возможностей моделирования, генерации и обработки звукового сигнала:

    • DirectX - предложенная Microsoft система команд управления позиционированием виртуального звукового источника (модификации - DirectX 3.5, 6);
    • A3D - разработанный в 1997 году NASA (National Aeronautics and Space Administration) и Aureal для использования в летных тренажерах стандарт генерации таких эффектов, как густой туман или подводные звуки. A3D2 позволяет моделировать конфигурацию помещения, в котором раздаются и распространяются звуки, вычисляя до 60 звуковых отражений (как в ангаре, так и в колодце);
    • ЕАХ (Environmental Audio Extensions), предложенная Creative Technology в 1998 году модель добавления реверберации в A3D с учетом звуковых препятствий и поглощения звуков;
    • MIDI (Musical Instrument Digital Interface), разработанный в 1980-х годов Команды по стандартному интерфейсу передаются в соответствии с MIDI протоколом. MIDI-сообщение содержит не запись музыки как таковой, а ссылки на ноты. В частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается в синтезаторе. В свою очередь, персональный компьютер может через интерфейс MIDI управлять различными «интерактивными» инструментами. В Windows MIDI-файлы могут воспроизводиться специальной программой-проигрывателем MIDI-Sequencer. В этой области синтеза звука также имеется свой стандарт. Основным является стандарт МТ-32, разработанный фирмой Roland и названный в соответствии с одноименным модулем генерации звуков. Этот стандарт также применяется в звуковых картах LAPC и определяет основные средства для управления расположением инструментов, голосов, а также для деления на инструментальные группы (клавишные, ударные и так далее).

    Формат сжатия звука МРЗ

    Разработанный на основе исходного MPEG-1 стандарт МРЗ (сокращение от аудиоМРЕG, уровень 3) является одной из трех схем кодирования (Layer (уровень) 1 Layer 2 и Layer 3) для сжатия аудиосигналов. Общая структура процесса кодирования одинакова для всех уровней. Для каждого уровня определен свой формат записи битового потока и свой алгоритм декодирования. Алгоритмы MPEG основаны в целом на изученных свойствах восприятия звуковых сигналов слуховым аппаратом человека (то есть кодирование производится с использованием так называемой «психоакустической модели»). Поскольку человеческий слух не идеален и восприимчивость слуха на разных частотах, в разных композициях различная, этим пользуются при построении психоакустической модели, которая учитывает, какие звуки, частоты, можно исключить, не нанося ущерба слушателю композиции.

    Входной цифровой сигнал сначала раскладывается на частотные составляющие спектра. МРЗ стандарт делит спектр частоты на 576 полос частоты и сжимает каждую полосу независимо. Затем этот спектр очищается от заведомо неслышных составляющих - низкочастотных шумов и наивысших гармоник, то есть фильтруется. На следующем этапе производится значительно более сложный психоакустический анализ слышимого спектра частот. Это делается в том числе с целью выявления и удаления «замаскированных» частот (частот, которые не воспринимаются слухом ввиду их приглушения другими частотами). Если два звука происходят в одно и то же время, МРЗ делает запись только того, который будет фактически воспринят. Тихий звук немедленно после громкого также может быть удален, так как ухо адаптируется к громкости. Если звук идентичен на обоих каналах стерео, этот сигнал сохраняется 1 раз, но воспроизводится на обоих каналах, когда МРЗ файл декомпрессирован и озвучивается.

    Затем, в зависимости от уровня сложности используемого алгоритма, может быть также произведен анализ предсказуемости сигнала. В довершение ко всему проводится сжатие уже готового битового потока упрощенным аналогом алгоритма Хаффмана (Huffman), что позволяет также значительно уменьшить занимаемый потоком объем.

    Как было указано выше, стандарт MPEG-1 имеет три уровня (Layer 1, 2 и 3). Эти уровни различаются по обеспечиваемому коэффициенту сжатия и качеству звучания получаемых потоков. Layer 1 позволяет сигналы 44.1 кГц/16 бит хранить без ощутимых потерь качества при скорости потока 384 Кбит/с, что составляет 4-кратный выигрыш в занимаемом объеме; Layer 2 обеспечивает такое же качество при 194 Кбит/с, a Layer 3 - при 128. Выигрыш Layer 3 очевиден, но скорость компрессии при его использовании самая низкая (надо отметить, что при современных скоростях процессоров это ограничение уже незаметно).

    Системы воспроизведения звукового окружения

    Воспроизведение звукового окружения начиналось со стереозаписей и УКВ ЧМ-радио. Широко использовались магнитофоны и FM-стереотюнеры с высококачественным двухканальным звуком. В кинотеатрах зрители могли оценить звук в формате Dolby Stereo Optical. Первые видеокассеты предполагали только монофонический звук посредственного качества, однако вскоре начали тиражироваться кассеты с двухканальным звуком. Сначала использовались просто раздельные звуковые дорожки, затем технология Hi-Fi. Лазерные диски с самого начала выпускались с двухканальным стереозвуком высокого качества. Вскоре и большинство стандартов вещательного телевидения были адаптированы для передачи видео с двухканальным звуковым сопровождением в эфире и в кабеле. Так популярный двухканальный формат звука стал тривиальной опцией домашнего видео. Первыми на рынке появились простые декодеры Dolby Surround, которые позволяли на домашней аппаратуре выделить и прослушать третий, пространственный канал - surround channel. Впоследствии был разработан более интеллектуальный декодер, Dolby Surround Pro Logic, который выделял и центральный канал - center channel. Получился «домашний кинотеатр» - комплекс аппаратуры для высококачественного воспроизведения звука и видео с декодером Dolby Pro Logic Surround Sound.

    В отличие от аппаратуры квадро, аппаратура Dolby Surround производилась и производится в массовых масштабах и постоянно совершенствуется. Во-первых, технология Dolby Pro Logic удачно совмещает оптимальную конфигурацию пространственных каналов (R, L, С, S) с возможностями записи и передачи (два физических канала), которыми обладает практически вся бытовая аппаратура. Во-вторых, возможности и качество Dolby Pro Logic отвечают актуальным требованиям современного пользователя. И, в-третьих, используются единые стандарты на аппаратные и программные средства.

    Кодер Dolby Surround не предназначен для передачи четырех независимых сигналов звука, каждый из которых надо прослушивать раздельно (например, звука одной ТВ-программы на разных языках). В этом случае развязка между двумя любыми каналами должна была бы быть максимальной, а амплитуды и фазы сигналов могли бы быть совершенно не связаны между собой. Напротив, задача Dolby Surround - передать четыре канала звука (soundtrack), которые будут прослушиваться одновременно и при этом воссоздавать в сознании слушателя пространственную звуковую картину (soundfield). Эта картина составляется из нескольких звуковых образов (sound images) - звуков, которые слушатель воспринимает связанными со зрительными образами на экране. Звуковой образ характеризуется не только содержанием и мощностью звука, но и направлением в пространстве.

    На входе кодера Dolby Surround присутствуют сигналы четырех каналов - L, С, R и S, а на выходах - два канала L, (left total) и R, (right total). Слово «total» (общий) означает, что каналы содержат не только «свой» сигнал (левый и правый), но и кодированные сигналы других каналов - С и S. Функциональная схема кодера показана на рисунке.

    Сигналы каналов L и R передаются на выходы L, и R, без каких-либо изменений. Сигнал канала С делится поровну и складывается с сигналами каналов L и R. Предварительно сигнал С ослабляется на 3 дБ (чтобы сохранить неизменной акустическую мощность сигнала после сложения его «половинок» в матрице декодера). Сигнал канала S также ослабляется на 3 дБ, но, кроме того, перед cложением с сигналами L, и R, он подвергается следующим преобразованиям:

    • полоса частот ограничивается полосовым фильтром (BPF) от 100 Гц до 7 кГц;
    • сигнал обрабатывается шумоподавителем - процессором Dolby B-type Noise Reduction;
    • сигнал S сдвигается по фазе на +90 и - 90 годаад., таким образом, составляющие сигнала S, предназначенные для сложения с L и R оказываются в противофазе друг с другом.

    Совершенно ясно, что сигналы L и R не влияют друг на друга, они совершенно независимы. На первый взгляд не столь очевидно, но факт - между сигналами C и S развязка теоретически также идеальная. Действительно: в декодере сигнал S получается как разность сигналов L и R. Но в этих сигналах присутствуют совершенно одинаковые компоненты сигнала С, которые при вычитании взаимно компенсируются. Напротив, сигнал С выделяется декодером, как сумма L и R Так как компоненты сигнала S, присутствующие в этих сигналах, находятся в противофазе, при сложении они также взаимно компенсируются.

    Такое кодирование позволяет передать сигналы S и С с высокой степенью развязки при одном условии: если амплитудные и фазовые характеристики физических каналов, по которым передаются сигналы L и R абсолютно идентичны. Если имеется некоторый дисбаланс между каналами, развязка уменьшается. Например, если компоненты сигнала С в каналах R и L из-за разных характеристик каналов передачи окажутся неодинаковыми, произойдет нежелательное проникновение (crosstalk) части сигнала С в канал S.

    Лекция №6. Звуковоспроизводящие системы

    1. Основные компоненты звуковой подсистемы ПК.

    2. Принципы обработки звуковой информации.

    Основные компоненты звуковой подсистемы ПК.

    Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического средства информатизации.

    Звуковая система ПК - комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

    · запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона, путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;

    · воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников);

    · воспроизведение звуковых компакт-дисков;

    · микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;

    · одновременная запись и воспроизведение звуковых сигналов (режим Full Duplex);

    · обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигнала, фильтрация, изменение его уровня;

    · обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3D-Sound) звучания;

    · генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, а также человеческой речи и других звуков;

    · управление работой внешних электронных музыкальных инструментов через специальный интерфейс MIDI.

    Звуковая система ПК конструктивно представляет собой звуковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК, а также устройства записи и воспроизведения аудиоинформации (акустическую систему). Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

    Классическая звуковая система, как показано на рис. 1, содержит:

    Модуль записи и воспроизведения звука;

    Модуль синтезатора;

    Модуль интерфейсов;

    Модуль микшера (обеспечивает обмен данными между звуковой системой и другими устройствами – как внешними, так и внутренними.);

    Акустическую систему.

    Рис. 1. Структура звуковой системы ПК.

    Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на звуковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля синтезатора или модуля записи/воспроизведения цифрового звука. Каждый из модулей может быть выполнен либо в виде отдельной микросхемы, либо входить в состав многофункциональной микросхемы. Таким образом, Chipset звуковой системы может содержать как несколько, так и одну микросхему.

    Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпевают существенные изменения; встречаются материнские платы с установленным на них Chipset для обработки звука.

    Звуковое оборудование и программы.

    За воспроизведение и запись звука в компьютерах отвечают специальные звуковые адаптеры. Звуковой адаптер содержит еще один специализированный процессор, тем самым освобождая основной процессор от функций по управлению воспроизведением звука. С помощью звукового адаптера можно записывать звуковую информацию, воспроизводить речь и музыку. Также современные звуковые платы позволяют производить обработку звука, монтаж музыкальных композиций. Кроме закодированного с заданной частотой дискретизации любого звука, возможно воспроизведение музыки, создаваемой по командам компьютера. Число голосов – параметр звуковой карты, определяющей максимальное количество одновременно синтезируемых звуков. Основным направлением развития современных звуковых плат является поддержка объемного звука. В этом случае появляется возможность позиционирования источников звука в пространстве. Для воспроизведения объемного звука необходимо не менее двух акустических систем. Однако для получения лучшего эффекта от объемного звучания лучше использовать четыре колонки – две спереди и две сзади.

    Подавляющее большинство современных компьютеров оборудовано звуковой картой. Хорошие звуковые платы Sound Blaster Audigy различных версий выпускает фирма Creative. Вместе с тем в настоящее время многие материнские платы поддерживают качественный шестиканальный звук.

    Чрезвычайно важно для получения качественного звука иметь хорошие акустические системы. Современные звуковые платы имеют цифровой выход SPDIF, позволяющий подключиться к бытовой технике. Однако часто более удобно использовать для компьютера собственную акустику. При использовании компьютера для просмотра видеофильмов, записанных на DVD, обязательно следует использовать современную акустическую систему из пяти колонок и сабвуфера.

    Для того чтобы создавать собственные музыкальные произведения может понадобиться специальная клавиатура, подключаемая к интерфейсу MIDI. Музыкальные клавиатуры, подключаемые к звуковой карте, различаются количеством октав (обычно от трех до семи), а также количеством клавиш и их размером. Наиболее известными производителями являются фирмы Korg, Roland, Yamaha. Неплохие любительские клавиатуры выпускает фирма Casio.

    Для качественной записи голоса нужно использовать соответствующие микрофоны. Простые компьютерные микрофоны не обеспечивают высокое качество звука. Кроме того, микрофонный вход большинства звуковых плат также не обладают хорошим качеством. Поэтому рекомендуется использовать микрофонный усилитель, который подключается к линейному входу звуковой платы. Микрофонный усилитель обеспечит подключение двух микрофонов, что позволит записывать стереофонический звук.

    В последнее время широкое распространение получили миниатюрные цифровые проигрыватели, хранящие музыку в формате МР3. Музыка с компьютера записывается в память такого устройства, после чего ее можно прослушать в любом месте через наушники.

    В качестве дополнительного источника звука для компьютера может рассматриваться компьютерный радиоприемник. Он может быть реализован в качестве дополнительной платы, а может подключаться к порту USB.

    Конечно, работа со звуком на компьютере немыслима без специальных программ. Простейшие программы для работы со звуком включены в состав всех версий Windows. С их помощью вы можете настроить громкость разных источников звука, установить чувствительность микрофона и линейного входа. Кроме того, вы можете записать небольшой звуковой фрагмент, выполнить с ним простые преобразования и записать результат в файл. Также в Windows включены средства проигрывания компакт-дисков и мультимедийных файлов. Вы можете записывать музыку на цифровые плееры, прослушивать музыку из Интернета.

    При использовании музыкальной клавиатуры требуется работа со звуком в реальном масштабе времени. Наиболее мощной такой программой является Cakewalk Home Studio, но можно обойтись и более простыми программами.

    Для обработки звуков следует использовать звуковой редактор. Лучшими звуковыми редакторами являются программы Sound Forge и WaveLab. Для многоканального монтажа применяется редактор Cool Edit. Для создания и редактирования музыки, а также для добавления вокала к музыке, применяются программы, называемые секвенсорами MIDI и аудио. Лучшими программами этого класса являются Cakewalk Sonar и Cubase VST.

    Пение караоке стало в последнее время достаточно популярным. Существуют несколько программ для создания файлов караоке и для их воспроизведения. Достаточно удобна программа Karaoke GALAXY Maker, позволяющая создавать караоке. Для воспроизведения таких файлов используют программы Karaoke GALAXY Player или vanBasco’s Karaoke Player.

    1.Звуковая система ПК

    Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического сред­ства информатизации.

    Звуковая система ПК - комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

    • запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источни­ков, например, микрофона или магнитофона, путем преобразо­вания входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;
    • воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (науш­ников);
    • воспроизведение звуковых компакт-дисков;
    • микширование (смешивание) при записи или воспроизведе­нии сигналов от нескольких источников;
    • одновременная запись и воспроизведение звуковых сигналов (режим Full Duplex );
    • обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигнала, фильтрация, изменение его уровня;
    • обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3D-Sound ) звучания;
    • генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных Инструментов, а также человеческой речи и других звуков;
    • управление работой внешних электронных музыкальных инст­рументов через специальный интерфейс MIDI.

      Скачать лекцию «Системы обработки и воспроизведения аудиоинформации»

    Звуковая система ПК конструктивно представляет собой зву­ковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту рас­ширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

    Классическая звуковая система, как показано на рис.1, содержит:

    Структура звуковой системы ПК

    • модуль записи и воспроизведения звука:
    • модуль синтезатора;
    • модуль интерфейсов;
    • модуль микшера;
    • акустическую систему .

    Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на зву­ковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля син­тезатора или модуля записи воспроизведения цифрового звука. Каждый из модулей может быть выполнен либо в виде отдельной микросхемы, либо входить в состав многофункциональной мик­росхемы. Таким образом, Chipset звуковой системы может содер­жать как несколько, так и одну микросхему.

    Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпе­вают существенные изменения; встречаются материнские платы с установленным на них Chipset для обработки звука.

    Однако назначение и функции модулей современной звуковой системы (независимо от ее конструктивного исполнения) не ме­няются. При рассмотрении функциональных модулей звуковой карты принято пользоваться терминами «звуковая система ПК» или «звуковая карта»

    2. Модуль записи и воспроизведения

    Модуль записи и воспроизведения звуковой системы осуществляет аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA (Direct Memory Access — канал прямого доступа к памяти).

    Звук , как известно, представляет собой продольные волны, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде , поэтому звуковой сигнал непрерывно изменяется во времени и в про­странстве.

    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. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме .

    Если при записи звука пользуются микрофоном, который пре­образует непрерывный во времени звуковой сигнал в непрерыв­ный во времени электрический сигнал, получают звуковой сиг­нал в аналоговой форме. Поскольку амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, постольку для сохранения достоверной информации о звуке на­пряжение электрического сигнала должно быть пропорционально звуковому давлению, а его частота должна соответствовать часто­те колебаний звукового давления.

    На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем что ПК опери­рует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая систе­ма, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обра­ботки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразова­ние цифрового сигнала в аналоговый.

    представляет собой преобра­зование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала пред­ставлена на рис. 2

    Предварительно аналоговый звуковой сигнал поступает на ана­логовый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала.

    Дискретизация сигнала

    Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­йся частотой дискретизации. Причем частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной составляющей) исходного звукового сигнала. Поскольку человек способен слышать звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, максимальная частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц, т. е. отсчеты требуется проводить 40 000 раз в секунду. В связи с этим в большинстве современных звуковых систем ПК максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

    Квантование

    Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигнала и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рис. 3 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

    Кодирование

    Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­товании зависит от количества разрядов кодового слова. Если зна­чения амплитуды записать с помощью двоичных чисел и задать длину кодового слова N разрядов, число возможных значений ко­довых слов будет равно 2 N . Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение амплитуды отсчета представляется 16-разрядным кодовым словом, максималь­ное число градаций амплитуды (уровней квантования) составит 2 1б =65 536. Для 8-разрядного представления соответственно полу­чим 2 8 = 256 градаций амплитуды.

    Аналого-цифровое и Цифроаналоговое преобразование

    Аналого-цифровое преобразование осуществляется специаль­ным электронным устройством - аналого-цифровым преобразова­телем (АЦП) , в котором дискретные отсчеты сигнала преобразу­ются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелатель­ные высокочастотные помехи, для фильтрации которых получен­ные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

    Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рис.4. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой диск­ретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглажи­вания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сиг­нал с помощью фильтра низкой частоты, который подавляет пе­риодические составляющие спектра дискретного сигнала.

    Для записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме требуется большой объем дискового пространства. Например, сте­реофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрован­ный с частотой дискретизации 44,1 кГц при 16-разрядном кван­товании для хранения требует на винчестере около 10 Мбайт.

    Для уменьшения объема цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, исполь­зуют компрессию (сжатие) , заключающуюся в уменьшении количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, при­ходящихся на один отсчет.

    Подобные методы кодирования звуковых данных с использо­ванием специальных кодирующих устройств позволяют сократить объем потока информации почти до 20 % первоначального. Выбор метода кодирования при записи аудиоинформации зависит от набора программ сжатия - кодеков (кодирование-декодиро­вание) , поставляемых вместе с программным обеспечением зву­ковой карты или входящих в состав операционной системы.

    Выполняя функции аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований сигнала, модуль записи и воспроизведения циф­рового звука содержит АЦП, ЦАП и блок управления, которые обычно интегрированы в одну микросхему, также 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. Для записи и воспроизведения человеческой речи достаточно 6 - 8 кГц; му­зыки с невысоким качеством - 20 - 25 кГц; для обеспечения высококачественного звучания (аудиокомпакт-диска) частота дискретизации должна быть не менее 44 кГц. 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). 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. Некоторые звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-раз­рядными АЦП и ЦАП, что существенно повышает качество запи­си/воспроизведения звука.

    Full Duplex (полный дуплекс) - режим передачи данных по каналу, в соответствии с которым звуковая система может одно­временно принимать (записывать) и передавать (воспроизводить) аудиоданные. Однако не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, поскольку не обеспечивают высокое ка­чество звука при интенсивном обмене данными. Такие карты можно использовать для работы с голосовыми данными в Internet, на­пример, при проведении телеконференций, когда высокое качество звука не требуется.

    3. Модуль синтезатора

    Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе звучание реальных музыкальных инструментов . Принцип действия синтезатора иллюстрирует рис. 5

    Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5 а показаны фазы звукового сигнала, возникающего при нажатии клавиши рояля. Для каждого музыкального инструмента вид сиг­нала будет своеобразным, но в нем можно выделить три фазы: атаку, поддержку и затухание . Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей , форма которой зависит от типа музы­кального инструмента. Длительность атаки для разных музы­кальных инструментов изменяется от единиц до нескольких де­сятков или даже до сотен миллисекунд. В фазе, называемой под­держкой , амплитуда сигнала почти не изменяется, а высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе, затуханию , соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала.

    В современных синтезаторах звук создается следующим обра­зом. Цифровое устройство, использующее один из методов синте­за, генерирует так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (ноту), который должен иметь спектральные ха­рактеристики, максимально близкие к характеристикам имити­руемого музыкального инструмента в фазе поддержки, как пока­зано на рис. 5б. Далее сигнал возбуждения подается на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику реального музыкального инструмента. На другой вход фильтра подается сигнал амплитудной огибающей того же инструмента. Далее совокупность сигналов обрабатывается с целью получения специальных звуковых эффектов, например, эха (реверберация), хорового исполнения (хо-рус). Далее производятся цифроаналоговое преобразование и фильт­рация сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ).

    Основные характеристики модуля синтезатора:

    • метод синтеза звука;
    • объем памяти;
    • возможность аппаратной обработки сигнала для создания зву­ковых эффектов;
    • полифония - максимальное число одновременно воспроиз­водимых элементов звуков.

    Метод синтеза звука

    Метод синтеза звука , использующийся в звуковой системе ПК, определяет не только качество звука, но и состав системы.

    На практике на звуковых картах устанавливаются синтезаторы, гене­рирующие звук с использованием следующих методов.

    1. Метод синтеза на основе частотной модуляции (Frequency Modulation Synthesis - FM-синтез) предполагает исполь­зование для генерации голоса музыкального инструмента как ми­нимум двух генераторов сигналов сложной формы. Генератор не­сущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-мо­дулированный сигналом дополнительных гармоник, обертонов, определяющих тембр звучания конкретного инструмента. Генера­тор огибающей управляет амплитудой результирующего сигнала. FM-генератор обеспечивает приемлемое качество звука, отлича­ется невысокой стоимостью, но не реализует звуковые эффекты. В связи с этим звуковые карты, использующие этот метод, не рекомендуются в соответствии со стандартом РС99.

    2. Синтез звука на основе таблицы волн (Wave Table Synthesis - WT-синтез) производится путем использования пред­варительно оцифрованных образцов звучания реальных музыкаль­ных инструментов и других звуков, хранящихся в специальной ROM, выполненной в виде микросхемы памяти или интегриро­ванной в микросхему памяти WT-генератора. WT-синтезатор обес­печивает генерацию звука с высоким качеством. Этот метод син­теза реализован в современных звуковых картах.

    Объем памяти на звуковых картах с WT-синтезатором может увеличиваться за счет установки дополнительных элементов па­мяти (ROM) для хранения банков с инструментами.

    Звуковые эффекты формируются с помощью специального эффект-процессора , который может быть либо самостоя­тельным элементом (микросхемой), либо интегрироваться в состав WT-синтезатора. Для подавляющего большинства карт с WT-синтезом эффекты реверберации и хоруса стали стандартными.

    Синтез звука на основе физического моделирования . Предусматривает использование математических моделей звуко­образования реальных музыкальных инструментов для генера­ции в цифровом виде и для дальнейшего преобразования в зву­ковой сигнал с помощью ЦАП. Звуковые карты, использую­щие метод физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требует­ся мощный ПК.

    Полифония – максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков. Для каждого типа звуковой карты значение полифонии может быть свое. (от 20 и больше голосов).

    4. Модуль интерфейсов

    Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуко­вой системой и другими внешними и внутренними устройствами .

    Интерфейс ISA в 1998 г. был вытеснен в звуковых картах интер­фейсом PCI.

    Интерфейс РСI обеспечивает широкую полосу пропускания (например, версия 2.1 - более 260 Мбит/с), что позволяет пере­давать потоки звуковых данных параллельно. Использование шины PCI позволяет повысить качество звука, обеспечив отношение сигнал/шум свыше 90 дБ. Кроме того, шина PCI обеспечивает возможность кооперативной обработки звуковых данных, когда задачи обработки и передачи данных распределяются между зву­ковой системой и CPU.

    MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - цифровой интерфейс музыкальных инструментов) регламентируется специальным стан­дартом, содержащим спецификации на аппаратный интерфейс: типы каналов, кабели, порты, при помощи которых MIDI-устройства подключаются один к другому, а также описание поряд­ка обмена данными - протокола обмена информацией между MIDI-устройствами. В частности, с помощью MIDI-команд мож­но управлять светотехнической аппаратурой, видеооборудовани­ем в процессе выступления музыкальной группы на сцене. Уст­ройства с MIDI-интерфейсом соединяются последовательно, об­разуя своеобразную MIDI-сеть, которая включает контроллер - управляющее устройство, в качестве которого может быть исполь­зован как ПК, так и музыкальный клавишный синтезатор, а так­же ведомые устройства (приемники), передающие информацию в контроллер по его запросу. Суммарная длина MIDI-цепочки не ограничена, но максимальная длина кабеля между двумя MIDI-Устройствами не должна превышать 15 метров.

    Подключение ПК в MIDI-сеть осуществляется с помощью спе­циального MIDI-адаптера, который имеет три MIDI-порта: ввода, вывода и сквозной передачи данных, а также два разъема для Подключения джойстиков.

    В состав звуковой карты входит интерфейс для подключения приводов CD-ROM.

    5. Модуль микшера

    Модуль микшера звуковой карты выполняет:

    • коммутацию (подключение/отключение) источников и при­емников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
    • микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

    К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

    • число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
    • регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом ка­нале;
    • регулирование уровня суммарного сигнала;
    • выходная мощность усилителя;
    • наличие разъемов для подключения внешних и внутренних приемников/источников звуковых сигналов.

    Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Вне­шние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней па­нели корпуса системного блока:

    • Joystic k / MIDI - для подключе­ния джойстика или MIDI-адаптера;
    • Mic In - для подключения микрофона;
    • Line In - линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов;
    • Line Out - линейный выход для подключения любых приемников звуковых сигналов;
    • Speaker - для подключения головных телефонов (наушников) или пассив­ной акустической системы.

    Программное управление микшером осуществляется либо сред­ствами Windows, либо с помощью программы-микшера, поставля­емой в комплекте с программным обеспечением звуковой карты.

    Совместимость звуковой системы с одним из стандартов зву­ковых карт означает, что звуковая система будет обеспечивать качественное воспроизведение звуковых сигналов. Проблемы со­вместимости особенно важны для DOS-приложений. Каждое из них содержит перечень звуковых карт, на работу с которыми DOS-приложение ориентировано.

    Стандарт Sound Blaster поддерживают приложения в виде игр для DOS, в которых звуковое сопровождение запрограммировано с ориентацией на звуковые карты семейства Sound Blaster.

    Стандарт Windows Sound System (WSS) фирмы Microsoft вклю­чает звуковую карту и пакет программ, ориентированный в ос­новном на бизнес-приложения.

    6. Акустическая система

    Акустическая система (АС) непосредственно преобразует зву­ковой электрический сигнал в акустические колебания и являет­ся последним звеном звуковоспроизводящего тракта.

    Акустическая система

    В состав АС, как правило, входят несколько звуковых коло­нок , каждая из которых может иметь один или несколько дина­миков.

    Количество колонок в АС зависит от числа компонентов, составляющих звуковой сигнал и образующих отдельные звуко­вые каналы.

    Например, стереофонический сигнал содержит два компонен­та - сигналы левого и правого стереоканалов, что требует не ме­нее двух колонок в составе стереофонической акустической сис­темы.

    Звуковой сигнал в формате Dolby Digita l содержит инфор­мацию для шести звуковых каналов : два фронтальных стереокана­ла, центральный канал (канал диалогов), два тыловых канала и канал сверхнизких частот. Следовательно, для воспроизведения сигнала Dolby Digital акустическая система должна иметь шесть звуковых колонок.

    Как правило, принцип действия и внутреннее устройство зву­ковых колонок бытового назначения и используемых в техниче­ских средствах информатизации в составе акустической системы PC практически не различаются.

    В основном АС для ПК состоит из двух звуковых колонок , ко­торые обеспечивают воспроизведение стереофонического сигна­ла. Обычно каждая колонка в АС для ПК имеет один динамик, однако в дорогих моделях используются два: для высоких и низ­ких частот. При этом современные модели акустических систем позволяют воспроизводить звук практически во всем слышимом частотном диапазоне благодаря применению специальной конст­рукции корпуса колонок или громкоговорителей.

    Для воспроизведения низких и сверхнизких частот с высоким качеством в АС помимо двух колонок используется третий звуко­вой агрегат - сабвуфер (Subwoofer ) , устанавливаемый под ра­бочим столом. Такая трехкомпонентная АС для ПК состоит из двух так называемых сателлитных колонок , воспроизводящих средние и высокие частоты (примерно от 150 Гц до 20 кГц), и сабвуфера, воспроизводящего частоты ниже 150 Гц.

    Отличительная особенность АС для ПК - возможность нали­чия собственного встроенного усилителя мощности . АС со встро­енным усилителем называется активной . Пассивная АС усилителя Не имеет.

    Главное преимущество активной АС состоит в возможности подключения к линейному выходу звуковой карты . Питание ак­тивной АС осуществляется либо от батареек (аккумуляторов), либо от электрической сети через специальный адаптер, выполненный в виде отдельного внешнего блока или модуля питания, устанав­ливаемого в корпус одной из колонок.

    Выходная мощность акустических систем для ПК может изме­няться в широком диапазоне и зависит от технических характе­ристик усилителя и динамиков. Если система предназначена для озвучивания компьютерных игр, достаточно мощности 15 — 20 Вт на колонку для помещения средних размеров. При необходимо­сти обеспечения хорошей слышимости во время лекции или пре­зентации в большой аудитории возможно использовать одну АС, имеющую мощность до 30 Вт на канал. С увеличением мощности АС увеличиваются ее габаритные размеры и повышается сто­имость.

    Современные модели акустических систем имеют гнездо для головных телефонов, при подключении которых воспроизведе­ние звука через колонки автоматически прекращается.

    Акустическая система Microlab

    Основные характеристики АС:

    • полоса воспроизводимых час­тот,
    • чувствительность,
    • коэффициент гармоник,
    • мощность .

    Полоса воспроизводимых частот (FrequencyRespon­se ) - это амплитудно-частотная зависимость звукового давления, или зависимость звукового давления (силы звука) от частоты пе­ременного напряжения, подводимого к катушке динамика.

    Поло­са частот, воспринимаемых ухом человека, находится в диапазо­не от 20 до 20 000 Гц.

    Колонки, как правило, имеют диапазон, ограниченный в области низких частот 40 - 60 Гц. Решить пробле­му воспроизведения низких частот позволяет использование саб­вуфера.

    Чувствительность звуковой колонки (Sensitivity) характеризуется звуковым давлением, которое она создает на рас­стоянии 1 м при подаче на ее вход электрического сигнала мощ­ностью 1 Вт.

    В соотвеЗвуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического сред­ства информатизации.Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Вне­шние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней па­нели корпуса системного блока:/h3nbsp;stron/bgbтствии с требованиями стандартов чувстви­тельность определяется как среднее звуковое давление в опреде­ленной полосе частот.

    Чем выше значение этой характеристики, тем лучше АС пере­дает динамический диапазон музыкальной программы. Разница между самыми «тихими» и самыми «громкими» звуками совре­менных фонограмм 90 - 95 дБ и более. /emАС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

    Коэффициент гармоник

    Коэффициент гармоник (Total Harmonic Distortion - THD) оценивает нелинейные искажения, связанные с появлени­ем в выходном сигнале новых спектральных составляющих.

    Коэф­фициент гармоник нормируется в нескольких диапазонах частот. Например, для высококачественных АС класса Hi-Fi этот коэф­фициент не должен превышать: 1,5% в диапазоне частот 250-1000 Гц; 1,5 % в диапазоне частот 1000-2000 Гц и 1,0 % в диапа­зоне частот 2000 - 6300 Гц.

    Чем меньше значение коэффициента гармоник, тем качественнее АС.

    Электрическая мощность

    Электрическаямощность (Power Handling) , которую выдерживает АС, является одной из основных характеристик. Однако нет прямой взаимосвязи между мощностью и качеством воспроизведения звука. Максимальное звуковое давление зависит скорее, от чувствительности, а мощность АС в основном опреде­ляет ее надежность .

    Часто на упаковке АС для ПК указывают значение пиковой мощности акустической системы, которая не всегда отражает ре­альную мощность системы, поскольку может превышать номи­нальную в 10 раз. Вследствие существенного различия физических процессов, происходящих при испытаниях АС, значения элек­трических мощностей могут отличаться в несколько раз. Для срав­нения мощности различных АС необходимо знать, какую именно мощность указывает производитель продукции и какими метода­ми испытаний она определена.

    Среди производителей высококачественных и дорогих АС - фирмы Creative, Yamaha, Sony, Aiwa . AC более низкого класса выпускают фирмы Genius, Altec, JAZZ Hipster.

    Некоторые модели колонок фирмы Microsoft подключаются не к звуковой карте, а к порту USB. В этом случае звук поступает на колонки в цифровом виде, а его декодирование производит не­большой Chipulb, каждая из которых может иметь один или несколько дина­миков.pset, установленный в колонках.

    7. Направления совершенствования звуковой системы

    В настоящее время фирмы Intel, Compaq и Microsoft предло­жили новую архитектуру звуковой системы ПК . Согласно этой архитектуре модули обработки звуковых сигналов выносятся за пределы корпуса ПК , в котором на них действуют электричес­кие помехи, и размещаются, например, в колонках акустической системы. В этом случае звуковые сигналы передаются в цифровой форме, что значительно повышает их помехозащищенность и ка­чество воспроизведения звука. Для передачи цифровых данных в Цифровой форме предусматривается использование высокоско­ростных шин USB и IEEE 1394.

    Еще одним направлением совершенствования звуковой систе­мы является создание объемного (пространственного) звука, на­зываемого трехмерным, или 3D-Sound (Three Dimentional Sound) . Для получения объемного звучания производится специальная обработка фазы сигнала: фазы выходных сигналов левого и правого каналов сдвигаются относительно исходного. При этом ис­пользуется свойство мозга человека определять положение источ­ника звука путем анализа соотношения амплитуд и фаз звукового сигнала, воспринимаемого каждым ухом. Пользователь звуковой системы, оборудованной специальным модулем обработки 3D-звука, ощущает эффект «перемещения» источника звука.

    Новым направлением применения мультимедийных технологий является создание домашнего театра на базе ПК (PC — Theater ) ,т.е. варианта мультимедийного ПК, предназначенного одновременно нескольким пользователям для наблюдения за игрой, просмотра образовательной программы или фильма в стандарте DVD. PC-Theater в своем составе имеет специальную многоканальную акустическую систему, формирующую объемный звук (Surround Sound ). Системы Surround Sound создают в помещении различные звуковые эффекты, причем пользователь ощущает, что он нахо­дится в центре звукового поля, а источники звука - вокруг него. Многоканальные звуковые системы Surround Sound используют­ся в кинотеатрах и уже начинают появляться в виде устройств бытового назначения.

    В многоканальных системах бытового назначения звук записы­вается на двух дорожках лазерных видеодисков или видеокассет по технологии Dolby Surround , разработанной фирмой Dolby Laboratories. К наиболее известным разработкам в этом направле­нии относятся:

    Dolby (Surround ) Pro Logic - четырехканальная звуковая систе­ма, содержащая левый и правый стереоканалы, центральный ка­нал для диалогов и тыловой канал для эффектов.

    Dolby Surround Digital - звуковая система, состоящая из 5 + 1 ка­налов: левого, правого, центрального, левого и правого каналов тыловых эффектов и канала сверхнизких частот. Запись сигналов для системы выполняется в виде цифровой оптической фоно­граммы на кинопленке.

    В отдельных моделях акустических колонок помимо стандарт­ных регуляторов высоких/низких частот, громкости и баланса имеются кнопки для включения специальных эффектов, напри­мер, ЗD-звука, Dolby Surround и др.

    Контрольные вопросы

    1. Какие основные функции выполняет звуковая система ПК?
    2. Какие основные компоненты входят в состав звуковой системы ПК?
    3. Исходя из каких соображений выделяется частота дискретизации сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования?
    4. Перечислите основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.
    5. Какие основные параметры характеризуют модуль записи и воспро­изведения звука?
    6. Какие применяют методы синтеза звука?
    7. Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к чис­лу его основных характеристик?
    8. В чем отличие пассивной акустической системы от активной?

    Звуковая система ПК – это комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

    Конструктивно звуковая система ПК представляет собой звуковые карты, устанавливаемые в слот , либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК.

    Классическая звуковая система ПК содержит:

    • модуль записи и воспроизведения звука;
    • модуль синтезатора;
    • модуль интерфейсов;
    • модуль микшера;
    • акустическую систему.

    Первые четыре модуля, как правило, устанавливают на звуковой карте. Каждый из модулей может быть выполнен в виде микросхемы, либо входить в состав многофункциональной микросхемы.

    Диаграмма Звуковая система пк

    Рисунок – Структура звуковой подсистемы ПК

    1. Модуль записи/воспроизведения осуществляет аналогово-цифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи звуковых данных по каналам DMA (Direct Memory Access – канал прямого доступа к памяти).
    2. Модуль синтезатора позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе звучание реальных музыкальных инструментов.

    Рисунок 2 – Схема современного синтезатора

    Звук создаётся следующим образом. Цифровое устройство генерирует так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука, который должен иметь спектральные характеристики, близкие к характеристикам имитируемого музыкального инструмента. Далее сигнал поступает на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику этого инструмента. На другой вход подаётся сигнал амплитудной огибающей того же инструмента. Затем совокупность сигналов обрабатывается с целью получения специальных звуковых эффектов (эхо и др.). Затем производят цифроаналоговое преобразование и фильтрацию сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ).

    Основные характеристики модуля синтезатора:

    • метод синтеза звука : на основе частотной модуляции, на основе таблиц волн, на основе физического модулирования;
    • объём памяти ;
    • возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эффектов;
    • полифония – максимальное число одновременно воспроизводимых элементов звука.
    1. Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуковой системой и другими внешними и внутренними устройствами.
    1. Модуль микшера звуковой карты выполняет:
    • коммутацию (подключение/отключение) источников и приёмников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
    • микширование нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

    Основные характеристики:

    • число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
    • регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом канале;
    • регулирование уровня суммарного сигнала;
    • выходная мощность усилителя;
    • наличие разъёмов для подключения внешних и внутренних приёмников/источников звуковых сигналов.

    Программное обеспечение управления микшером осуществляется либо средствами Windows, либо с помощью специального программного обеспечения.

    Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического сред­ства информатизации.

    Звуковая система ПК - комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

    запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источни­ков, например, микрофона или магнитофона, путем преобразо­вания входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и по­следующего сохранения на жестком диске;

    воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (науш­ников);

    воспроизведение звуковых компакт-дисков;

    микширование (смешивание) при записи или воспроизведе­нии сигналов от нескольких источников;

    одновременная запись и воспроизведение звуковых сигналов (режим Full Duplex );

    обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигнала, фильтрация, изменение его уровня;

    обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3 D - Sound ) звучания;

    генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, а также человеческой речи и других звуков;

    управление работой внешних электронных музыкальных инст­рументов через специальный интерфейс MIDI.

    Звуковая система ПК конструктивно представляет собой зву­ковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской пла­ты, либо интегрированные на материнскую плату или карту рас­ширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные мо­дули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

    Классическая звуковая система, как показано на рис. 5.1, со­держит:

    Модуль записи и воспроизведения звука;

      модуль синтезатора;

      модуль интерфейсов;

      модуль микшера;

      акустическую систему.

    Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на зву­ковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля син­тезатора или модуля записи/воспроизведения цифрового звука. Каждый из модулей может быть выполнен либо в виде отдельной микросхемы, либо входить в состав многофункциональной мик­росхемы. Таким образом, Chipset звуковой системы может содер­жать как несколько, так и одну микросхему.

    Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпе­вают существенные изменения; встречаются материнские платы с установленным на них Chipset для обработки звука.

    Однако назначение и функции модулей современной звуковой системы (независимо от ее конструктивного исполнения) не ме­няются. При рассмотрении функциональных модулей звуковой карты принято пользоваться терминами «звуковая система ПК» или «звуковая карта».

    2. Модуль записи и воспроизведения

    Модуль записи и воспроизведения звуковой системы осуще­ствляет аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA (Direct Memory Access - канал прямого доступа к памяти).

    Звук, как известно, представляет собой продольные волны, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде, поэтому звуковой сигнал непрерывно изменяется во времени и в про­странстве.

    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. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме.

    Если при записи звука пользуются микрофоном, который пре­образует непрерывный во времени звуковой сигнал в непрерыв­ный во времени электрический сигнал, получают звуковой сиг­нал в аналоговой форме. Поскольку амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, постольку для сохранения достоверной информации о звуке на­пряжение электрического сигнала должно быть пропорционально звуковому давлению, а его частота должна соответствовать часто­те колебаний звукового давления.

    На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем что ПК опери­рует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая систе­ма, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обра­ботки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразова­ние цифрового сигнала в аналоговый.

    Аналого-цифровое преобразование представляет собой преобра­зование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала пред­ставлена на рис. 5.2.

    Предварительно аналоговый звуковой сигнал поступает на ана­логовый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала.

    Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­ется частотой дискретизации. Причем частота дискретизации дол­жна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (ча­стотной составляющей) исходного звукового сигнала. Поскольку человек способен слышать звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, максимальная частота дискретизации исходного зву­кового сигнала должна составлять не менее 40 кГц, т. е. отсчеты требуется проводить 40 000 раз в секунду. В связи с этим в боль­шинстве современных звуковых систем ПК максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

    Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигна­ла и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рис. 5.3 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

    Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­товании зависит от количества разрядов кодового слова. Если зна­чения амплитуды записать с помощью двоичных чисел и задать длину кодового словаN разрядов, число возможных значений ко­довых слов будет равно2 N . Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение амплитуды отсчета представляется 16-разрядным кодовым словом, максималь­ное число градаций амплитуды (уровней квантования) составит 2 16 = 65 536. Для 8-разрядного представления соответственно полу­чим 2 8 =256 градаций амплитуды.

    Аналого-цифровое преобразование осуществляется специаль­ным электронным устройством - аналого-цифровым преобразова­ телем (АЦП), в котором дискретные отсчеты сигнала преобразу­ются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелатель­ные высокочастотные помехи, для фильтрации которых получен­ные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

    Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рис. 5.4. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой диск­ретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглажи­вания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сиг­нал с помощью фильтра низкой частоты, который подавляет пе­риодические составляющие спектра дискретного сигнала.

    Для записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме требуется большой объем дискового пространства. Например, сте­реофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрован­ный с частотой дискретизации 44,1 кГц при 16-разрядном кван­товании для хранения требует на винчестере около 10 Мбайт.

    Для уменьшения объема цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, исполь­зуют компрессию (сжатие), заключающуюся в уменьшении (Количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, при-I холящихся на один отсчет.

    Подобные методы кодирования звуковых данных с использо­ванием специальных кодирующих устройств позволяют сократить объем потока информации почти до 20 % первоначального. Выбор метода кодирования при записи аудиоинформации зависит от набора программ сжатия - кодеков (кодирование-декодиро­вание), поставляемых вместе с программным обеспечением зву­ковой карты или входящих в состав операционной системы.

    Выполняя функции аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований сигнала, модуль записи и воспроизведения циф­рового звука содержит АЦП, ЦАП и блок управления, которые обычно интегрированы в одну микросхему, также 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. Для записи и воспроизведения человеческой речи достаточно 6 - 8 кГц; му­зыки с невысоким качеством - 20 - 25 кГц; для обеспечения высококачественного звучания (аудиокомпакт-диска) частота дискретизации должна быть не менее 44 кГц. 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). 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. Некоторые звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-раз­рядными АЦП и ПАП, что существенно повышает качество запи­си/воспроизведения звука.

    Full Duplex (полный дуплекс) - режим передачи данных по каналу, в соответствии с которым звуковая система может одно­временно принимать (записывать) и передавать (воспроизводить) аудиоданные. Однако не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, поскольку не обеспечивают высокое ка­чество звука при интенсивном обмене данными. Такие карты можно использовать для работы с голосовыми данными в Internet, на­пример, при проведении телеконференций, когда высокое каче­ство звука не требуется.

    Читать еще: