Диапазон звуковых частот, который способен слышать человек в очень большой степени зависит от индивидуальных особенностей конкретного человека, его возраста, накопленного опыта распознавания звуков, постоянного общения со звуком. В среднем человек воспринимает звук в диапазоне 20 – 20000 Гц.
Колебания очень низкой частоты (инфразвук) воздействуют на человека, хотя он их не слышит, а многие животные слышат инфразвук (особенно собаки). Органы слуха у человека стереофонические, т. е. правое и левое ухо воспринимают звук независимо, поэтому человек способен выделять нужный звуковой сигнал и определять направление на источник сигнала. Человек воспринимает без болевых ощущений звук громкостью до 120 дБ, а при 150 дБ происходит повреждение органов слуха. На частоте звука 10 Гц порог слышимости равен 40дБ, а на частоте 10 кГц – 20 дБ. Наукой установлено, что человек определяет направление на источник звука примерно по одиннадцати параметрам, а современные звуковые технологии объемного звука имитируют только три из них. В реальной звуковой обстановке присутствуют эффекты искажающие звук: эхо, реверберация, поглощение и др.
Современные технологии трехмерного звука лишь в небольшой степени способны моделировать эти процессы. Вся музыкальная культура построена на использовании гармонических колебаний (в основном реальный звук состоит из гармоник). В музыке интервал изменения основного тона нотного ряда в два раза обозначили термином «октава» (например, нота «до» второй октавы звучит на удвоенной частоте ноты «до» первой октавы). Средний человек воспринимает диапазон в 10 октав. За счет гармонических колебаний формируется полный частотный диапазон практически всех музыкальных инструментов. При обработке звука (даже цифровыми методами) неизбежно вносятся гармонические искажения в исходный сигнал. На компьютере обработка звука ведется цифровыми методами, так как обеспечить практически стопроцентную повторяемость звука от любой копии записи, можно только на цифровых устройствах, но, в конечном счете, самая сложная цифровая обработка звука заканчивается формированием аналогового сигнала, который превращают в звук. Исходный звук оцифровывают методом импульсно-кодовой модуляции (PCM - Pulse Code Modulation), при котором, например, с частотой дискретизации (принятой для CD-ROM) 44100 Гц в цифровом виде (16 двоичных разрядов обеспечивают охват диапазона 0 - 96 дБ) регистрируется текущая амплитуда звуковой волны.
Уровень шумов дискретизации SNR (Signal/Noise Ratio) обычно равен 65-77 дБ и очень сильно зависит от формы и спектра оцифровываемого сигнала. Алгоритм обработки звуковых сигналов в мозге человека очень сложен, существующий метод сжатия, используемый в формате записи звука MPEG Audio Layer 3, упрощенно иммитирует итоговый результат работы мозга при обработке звука.
Первоначально звуковые карты устанавливали на шину ISA, а затем на интерфейс PCI и др.. На рис. 1 показана блок-схема типичной компьютерной карты для обработки звука с интерфейсом РСI.
На задней панели звуковой карты расположены внешние разъемы входа-выхода (для приема внешних сигналов используются входы Line In, Mic In, Аuх In, МIDI). На плате звуковой карты установленен четырехконтактный разъем для подключения аудиовыхода СD-RОМ.
Рис. 1. Блок- схема звуковой карты.
Оцифровывает звуковой и превращает цифровой сигнал обратно в аналоговый - кодек, включающий аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Кодек выполняет одну из основных функций звуковой карты. Все сигналы, проходящие через звуковой тракт, проходят обработку в кодеке. Исключением является выход DigitalOut, на который сигналы поступают, минуя кодек. Качество кодека во многом определяет качество звуковой карты в целом. Практически во всех современных звуковых картах используют кодеки, в которых оцифровка (и восстановление) аналогового сигнала происходит методом адаптивной импульсно-кодовой дельта-сигма-модуляции. С целью сжатия информации в звуковом файле хранят особым образом обработанные разности величин соседних выборок, полученных при дискретизации сигнала.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) является центром управления звуковой карты, который отвечает за связь интерфейсом РСI. DSP управляет обменом данных с другими блоками звуковой карты, применяет к сигналу особые алгоритмы обработки для наложения звуковых эффектов, имитации объемного звука, формирования сигнала Dolby Digital и т. д. Современный DSP должен уметь обрабатывать одновременно два потока данных - один на запись, другой - на воспроизведение (т. е. поддерживать работу в режиме полного дуплекса).
Аппаратный эквалайзер может предварительно обрабатывать сигнал, поступающий на выходы аудиокарты. Обычно его применяют в дорогих устройствах, а в массовых звуковых картах аппаратный эквалайзер не используют. Функции эквалайзера достаточно хорошо реализуются и программными способами.
Звуковая карта должна сама генерировать аудиоданные по командам, подаваемым программным обеспечением (т.е. служит не только для обработки и преобразований внешних сигналов). В звуковых картах применяют два метода генерации аудио-сигнала: FМ-синтез и волновой табличный синтез.
Блок FМ (Frequency Моdulation - частотная модуляция) синтезатора имеет несколько каналов (голосов). Каждый канал содержит несколько генераторов синусоидального сигнала (операторов). Цепочка генераторов в канале управляется по параметрам частоты и амплитуды. Итоговый сигнал представляет собой смесь синусоидальных сигналов. В качестве FМ-синтезаторов чаще всего применяют микросхемы ОРL2 (два канала) или ОРLЗ (четыре канала) фирмы Yаmаhа.
Блок волнового табличного синтеза (Wave Table Syntbesizer) использует таблицы образцов звучания определенного набора музыкальных инструментов и других источников звука. Наборы образцов звучания часто называют банками, а сами образцы – сэмплами. Таблицы наборов образцов звучания хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ROM) на звуковой карте или загружаются программно из оперативной памяти. Некоторые фирмы в звуковых картах используют смешанный метод, в этом случае базовая таблица находится в ROM, а ее расширения считываются из оперативной памяти. До перехода на интерфейс PCI аудио-карты с волновым табличным синтезатором часто имели собственное ОЗУ емкостью до 4 Мбайт, так как пропускной способности шины РСI вполне хватает для загрузки таблиц из основной оперативной памяти компьютера, то сейчас такие решения не используют.
Myзыкaльныe WT-фaйлы coстоят из кoмпaктныx двoичныx cooбщeний в фopмaтe MIDI. B этoм фopмaтe oдин бaйт пpeднaзнaчeн для oпpeдeлeния oднoгo инcтpyмeнтa. Oн coдepжит 8 бит инфopмaции, кoтopaя cooбщaeт звyкoвoй кapтe o жeлaeмoм звyчaнии (выбop инcтpyмeнтoв, нoтныe pяды, пpoдoлжитeльнocть и интeнcивнocть звyкa, и мнoroe дpyгoe). При воспроизведении фрагмента в формате WT ayдиoкapтa выбирает из ROM образцы и преобразует их в соответствии с указаниями программы.
Считанные образцы звуков (по частоте и амплитуде) обрабатываются встроенным процессором в соответствии с командами от прикладных программ. Волновой табличный синтез в качественных картах позволяет генерировать очень качественный звук.
C целью добиться oдинaкoвoгo звyчaния, oдинaкoвo нaпиcaнныx фpaгмeнтoв нa любыx ayдиoкapтax, был ввeдeн cтaндapт General MIDI, кoтopый oпиcывaeт, кaкoмy кaнaлy дoлжeн соответствовать конкретный инcтpyмeнт (зaдaнo 128 мeлoдичecкиx и 46 yдapныx инcтpyмeнтoв). Улучшенным вapиaнтoм являeтcя cтaндapт GS (General Synthesizer - eдиный cинтeз), включaющий кaк дoпoлнитeльныe мyзыкaльныe инcтpyмeнты, тaк и дpyгиe звyки (нaпpимep, шyм мoтopa, выcтpeлы и пpoчиe). Caмый coвpeмeнный cтaндapт пoлyчил нaзвaниe XG (Extended General - pacшиpeнный eдиный). Oн oтличaeтcя нaбopoм из нecкoлькиx coтeн мyзыкaльныx инcтpyмeнтoв и oбpaзцoв дpyгиx звyкoв, a тaкжe нoвыми cpeдcтвaми ynpaвлeния oбpaбoткoй звyкa. Пoмимo этoгo cyщecтвyют cтaндapты MPU-401 (cлyжит для noдключeния внeшниx ycтpoйcтв yпpaвлeния - мyзыкaльныx клaвиaтyp, cинтeзaтopoв и пpoчиx) и MT-32 (oпиcывaeт пapaмeтpы вocьмикaнaльнoro тaбличнo-вoлнoвoгo cинтeзaтopa c oбpaбoткoй в кaждoм кaнaлe дo 16 гoлocoв, вcero 128 мeлoдичecкиx и 30 yдapныx инструмeнтoв, 33 звyкoвыx эффeктa). Эти cтaндapты чacтичнo coвмeстимы co стaндapтoм General MIDI.
В «старых» аудиокартах для подключения внешних (добавочных, «дочерних») карт волнового табличного синтеза предусматривался специальный разъем. Сейчас такой разъем можно встретить только на звуковых картах профессионального уровня, а массовые изделия имеют встроенный синтезатор.
Для обеспечения качественного звука используют специальные аналоговые цепи аудиокарты (фильтры, отсекающие лишние (обычно высокочастотные) гармоники на входе и выходе устройства, промежуточные фильтры, стоящие перед кодеком и усилителем). В массовых устройствах применяют фильтры 4-го порядка, в дорогих изделиях применяют фильтры 8-го порядка. Фирма Vyetra Turtle Веаch является лидером среди производителей уделяющих серьезное внимание аналоговой части.
Конструкция звуковых устройств, предназначенных для установки в слот AMR, или встроенных в системную плату выглядит иначе, так как основная часть нагрузки переложена на центральный процессор, такие платы обычно называют аудио-кодеками. Они содержат только кодек, микшер и интерфейс для взаимодействия с шинами. Для примера, на рис.2 показана блок-схема аудио-кодека СS4299.
Рис. 2. Блок-схема аудио-кодека СS4299
Еще более простую конструкцию имеют устройства с интерфейсом CNR. Как правило, у них отсутствуют и кодек, и микшер - все функции переложены на чипсет системной платы и процессор.
Обычно звуковая карта имеет 16 битный стереофонический цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, обеспечивает запись и воспроизведение стереозвука с качеством лазерного диска (частота преобразования 44 100 Гц), поддерживает возможность одновременной записи и воспроизведения звука (полный «дуплекс») и имеет в наличии синтезатор, использующий технологию волнового табличного синтеза (Wаvе Таblе).
В связи с распространением игр под операционную систему Windows, поддерживающих прикладную библиотеку Direct Sound фирмы Microsoft, появилась необходимость обрабатывать звук не программно, а аппаратно, иначе становится заметно «торможение» звукового сопровождения. Дело в том, что множество звучащих одновременно потоков смешиваются и обрабатываются одновременно.
Технология Direct Sound способна переложить эту трудоемкую работу на плечи звукового ускорителя. Таким образом, сегодня наряду с давно известным понятием «видео-ускоритель» появилось сравнительно новое - «аудио-ускоритель» или «процессор звука».
Например, если обрабатываются 16 потоков стереозвука (каждый такой поток называют голосом), объем «прокачиваемых» данных приближается к 3 Мбайт в секунду. А ведь 16 потоков - далеко не предел. При синтезе звука на 32 канала с интерполяцией значений по четырем точкам пропускная способность шины должна быть не менее 16 Мбайт в секунду, поэтому аудиокарты стали устанавливать на скоростную шину PCI.
Базовые набороы микросхем используемые при изготовлении звуковых карт в основном и определяют возможности аудиоустройства. От производителя звуковой карты зависит выбор базовых наборов микросхем известных, или малоизвестных и фирм, количество входов и выходов на карте, наличие дополнительных возможностей и прочие параметры. Большое значение имеет качество драйвера, совместимость с имеющимся программным обеспечением, с операционной системой и сложившимися стандартами (поддержка спецификаций Sound Blaster, Direct Sound, Dolby Digital). Современные базовые наборы микросхем обработки звука, которые используются в непрофессиональных аудио-картах, рассчитаны на шину PCI. Для профессиональной качественной обработки звука существуют специальные дорогостоящие компоненты. Аппаратное ускорение DirectSound и реальный 3D-звук присутствует практически у всех производителей звуковых карт, но аппаратное ускорение 3D-звука у многих карт вызывает проблему. С появлением спецификации DirectMusic в составе библиотеки DirectX 6,2 положение улучшилось - появилась возможность загрузки банков в формате DLS.
Назначение входов/выходов звуковых карт практически одинаково для большинства фирм-изготовителей. Разъем Line In (линейный вход) типа «мини-джек» предназначен для подключения внешних источников звука: тюнеров, DVD/CD-плейеров и других устройств. Чувствительность линейного входа обычно составляет 0,1- 0,3 В. Сигнал с линейного входа полностью проходит звуковой тракт.
Отдельный разъем Мiс In типа «мини-джек» (микрофонный вход чувствительностью 3-10 мВ) используется для подключения микрофонов. Сигнал с микрофона, поступает на предварительный усилитель, повышающий уровень полезного сигнала до нормального и далее сигнал проходит через звуковой тракт.
Если необходимо смешать сигнал внешнего источника сигнала с сигналом внутреннего источника используется разъем Аuх In (микшерный вход обычно типа «мини-джек»). Для смешивания, внешний сигнал с разъема Аuх In поступает на выходной микшер звуковой карты, минуя основной звуковой тракт.
К порту МIDI (Мusical Instrument Device Interfase) подключают джойстик или электронные музыкальные инструменты (клавиатуры МIDI, синтезаторы, электрогитары и т.п). Порт МIDI двунаправленный, разъем подключен к микросхеме UARТ MPU-401 по интерфейсу типа «токовая петля», с питанием от передатчика и гальванической развязкой цепей приемника.
Внутренний разъем Аudio-CD используют для подключения выхода аудиоканала CD-RОМ (сигнал, считанный с компакт-диска, в обход усилителя СD-RОМ поступает непосредственно в звуковой тракт карты).
Выходы звуковой карты обычно именуются Line Out, Spiacer Out, Digital Out, все они подключены через выходной микшер, занимающийся распределением и, при необходимости, смешением сигналов. Внешние усилители и другие аудиоустройства подключают к выходу разъема Line Оut типа «мини-джек» (амплитуда сигнала на выходе обычно составляет 0,1 - 0,3 В). Кроме того, в качественных аудиокартах обычно используют отдельный выход для наушников.
На выход Sреакеr Оut (разъем типа «мини-джек») выдается усиленный стереофонический сигнал. В некоторых звуковых картах используют два разъема Sреакеr Оut (один для подключения фронтальных колонок, другой для тыловых колонок).
На звуковых картах последнего поколения, для передачи звуковых сигналов в цифровой форме на внешние компоненты, как правило, устанавливают разъем S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format - формат цифрового интерфейса фирм Sопу и Рhilips). При преобразовании цифровых данных в аналоговый сигнал на самой звуковой карте вносятся существенные искажения, так как внутри компьютера слишком много источников электрических помех.
Более высокое качество звучания можно получить, преобразуя цифровой сигнал в аналоговый во внешних устройствах. В этом случае усилитель или ресивер тоже должны иметь вход стандарта S/PDIF. Выход Digital Out (разъем S/PDIF) может быть оптико-электронным, сигнал на него поступает, минуя усилитель, через оптико-электронный передатчик, что позволяет передавать неискаженный сигнал на высококачественные внешние аудиоустройства. Одним из мeтoдов yлyчшeния кaчecтвa звyкa является иcпoльзoвaниe внeшниx cиcтeм oбpaбoтки звyкa (pecивepы, ЦAП, ycилитeли выcшeй кaтeropии) и кaчecтвeнныx кoлoнoк. B этoм cлyчae цифpoвoй пoтoк, минyя cxeмы oбpaбoтки звyкoвoй кapты, пo cпeциaльнoмy кaнaлy пocтyпaeт в pecивep (ycилитeль) и oбpaбaтывaeтcя тaм.
Версия сайта для слабовидящих