ТЕХНОЛОГИИ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЗВУКОВЫХ КАРТ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

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.

Звуковые карты.

На рис. 1 показана блок-схема  звуковой 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 установлен 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 Digital Out, 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 применяли 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.

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.

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 (на рис. 2 показана блок-схема аудио-кодека).

Рис. 2. Блок-схема аудио-кодека

 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.

Современная 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 наборы 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.