ГЛАВНАЯ Визы Виза в Грецию Виза в Грецию для россиян в 2016 году: нужна ли, как сделать

Системы компьютерного звука назначение и функции. Установка операционной системы Windows7

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?

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 СУЩНОСТЬ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПК…………………………….4
1.1 Система ввода/вывода звука – аудио адаптер……………………… ……..4
1.2 Воспроизведение звука – акустическая стереосистема…… ……………...5
2 ПАРАМЕТРЫ И НАЗНАЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПК……. ..9
2.1Назначение…………………………………………… ………………………9
2.2 Классификация…………………………………………… ………………....9
2.3.Основные принципы работы………………………………………………12
2.4 Основные характеристики………………… ………………………………14
2.5 Основные фирмы производители…… …………………………………….14
Заключение…………………………………………………… ………………...16
Список литературы............. .............................. .............................. .......................17

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наша жизнь уже абсолютно не мыслима без каждодневного применения технологий, в частности, компьютерных. Компьютерные технологии сочетают в себе сотни различных функций являя собой пример неограниченной работоспособности, направленности и, конечно, практичности.
Современный мультимедиа-ПК в полном “вооружении” напоминает домашний стереофонический Hi-Fi комплекс, объединенный с дисплеем-телевизором. Он укомплектован активными стереофоническими колонками, микрофоном и дисководом для оптических компакт-дисков. Кроме того, внутри компьютера укрыто новое для ПК устройство – аудиоадаптер, позволивший перейти к прослушиванию чистых стереофонических звуков через акустические колонки с встроенными усилителями.
Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в компьютерных играх и т.д.
Качественное «железо» и, безусловно, хорошая акустическая система для ПК нужна любому пользователю. Фирм-производителей акустики на данный момент очень много. У каждой фирмы есть как преимущества, так и недостатки. Поэтому выбрать хорошую акустическую систему для компьютера часто бывает трудновато. Если нужно хорошее качество звука при прослушивании музыки, просмотре фильмов, или же при прохождении какой-либо трехмерной игры, то относиться к покупке акустики стоит более серьезно. С приобретением качественной акустики для музыки, игр и фильмов придется немного повозиться! Объясняется это тем, что качество звучания зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены далее.
Современные акустические системы являются готовым удобным решением для создания домашнего кинотеатра. Идеально подходят для небольших помещений, где важно рационально использовать имеющееся пространство. Отличительные достоинства - качественный звук и легкость использования.

1 СУЩНОСТЬ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПК.
Акустическая система ПК – это устройство, предназначенное для вывода обрабатываемой на компьютере звуковой информации. Под акустической системой в широком смысле слова будем понимать электромеханический преобразователь электрических звуковых сигналов в акустические.
Мы все уже привыкли к тому, что современный персональный компьютер может издавать весьма разнообразные звуки. Вначале они могли только гудеть и пищать на разные лады, затем появились программы, произносящие вполне отчетливые слова и играющие отдаленное подобие музыки, слушаемой через водосточную трубу; компьютерные игры довольно быстро научились даже при помощи встроенного громкоговорителя издавать что-то вроде выстрелов и взрывов. А теперь повсеместное распространение недорогих звуковых карт позволило воспроизводить с их помощью любые теоретически возможные звуки. Однако, в большинстве случаев, мы с вами слышим только те звуки, которые были заложены при разработке той или иной программы, а между тем многим хочется гораздо большего. Все это вполне возможно – при наличии требуемых аппаратных средств и/или программ, а главное – знаний о способах извлечения нужных звуков из такого вроде бы немузыкального устройства, как компьютер, так как компьютер по первоначальному определению это устройство для хранения, обработки и передачи информации.
С течением времени перечень задач выполняемых на ПК вышел за рамки просто использования электронных таблиц или текстовых редакторов. Персональный компьютер становится мультимедийным комплексом.
Мультимедиа – это сумма технологий, позволяющих компьютеру вводить, обрабатывать, хранить, передавать и отображать (выводить) такие типы данных как текст, графика, анимация, оцифрованные неподвижные изображения, видео, звук и речь.
Компакт-диски со звуковыми файлами, подготовка мультимедиа презентаций, проведение видео конференций и телефонные средства, а также игры и прослушивание аудио CD – для всего этого необходимо, чтобы звук стал неотъемлемой частью ПК. Для этого необходима звуковая карта и акустическая система.
1.1 Система ввода/вывода звука – аудио адаптер
Микрофон используется для ввода звука в компьютер. Непрерывные электрические колебания, идущие от микрофона, преобразуются в числовую последовательность. Эту работу выполняет устройство, подключаемое к компьютеру, которое называется аудио адаптером, или звуковой картой. Воспроизведение звука, записанного в компьютерную память, также происходит с помощью аудио адаптера, преобразующего оцифрованный звук в аналоговый электрический сигнал звуковой частоты, поступающий на акустические колонки или стереонаушники.
Аудио адаптер имеет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой сигнал.
Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV–файлов). Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами аудио адаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования.
Из сказанного следует, что звуковая карта совмещает в себе функции ЦАП и АЦП (рисунок 1).

Рисунок 1 - Преобразование звука при вводе и выводе

Аудио адаптер – достаточно сложное техническое устройство, построенное на основе использования последних достижений в аналоговой и цифровой аудиотехнике.

1.2 Воспроизведение звука – акустическая стереосистема.
Какой бы современной ни была электронная система записи и воспроизведения звука, сколько бы форматов записи она ни обслуживала, объединенная в одном агрегате, в конце ее, на выходе будет "динамик" - так называли его раньше. И был он сначала один, ну два – для воспроизведения высоких и низких звуковых частот в одной коробке-ящике. С появлением в 1950-х годах стереофонических грампластинок ящиков стало два - отдельно для правого и левого звукового канала.
Известный давний опыт трансляции звуковой передачи был предпринят французом Клементом Адлером еще в 1881 году на Парижской электрической выставке. Восемьдесят пар телефонных проводов были протянуты со сцены Парижской оперы в четыре комнаты отеля, расположенного поблизости. Посетителям выставки таким образом демонстрировалась возможность слушать оперный спектакль на расстоянии. Музыкальные образы воздействовали на слушателя с помощью двух отдельно стоящих микрофонов, расположенных на театральных подмостках.
Спустя 50 лет в исследовательских подразделениях BELL Labs Харви Флетчер (Harvey Fletcher), знаменитый американский ученый-теоретик и практик, основатель и руководитель Акустического общества и президент Физического общества США, в соавторстве с Артуром Келлером (Arthur C. Keller) и в содружестве с именитым дирижером симфонического оркестра Леопольдом Стоковским (Leopold Stokowski) провели первые опыты по моно- и бинауральной звукозаписи. В Англии в то же время аналогичными исследованиями занимался инженер звукозаписывающей компании EMI Алан Блумлейн (Alan D. Blumlein), который 14 декабря 1931 года оформил документы на патентование пространственно-ощущаемой звукозаписи, также названной бинауральной.
В разработках и производстве современных широко применяемых электродинамических громкоговорителей до сих пор повторяются нововведения, известные еще с середины 1920-х годов. Идеи и реализующие их технические решения, положенные в основу акустического устройства, преобразующего электрические колебания в звуковые, были изложены инженерами американской компании GENERAL ELECTRIC Честером Райсом (Chester W. Rice) и Эдвардом Келлогом (Edward W. Kellog) в трудах американского института инженеров-электриков в 1925 году. Занимавшийся электроакустикой параллельно с ними и независимо от них в том же году инженер Эдвард Вент (Edward Wente) из американской компании BELL Laboratories также подал заявку на патентование аналогичного излучателя звуковых колебаний.
Однако Ч. Райс и Э. Келлог привели в статье еще и описание усилителя мощностью 1 Вт для своего громкоговорителя. И уже в 1926 году по их предложению американская фирма RCA (Radio Corporation of America) разработала и сделала громкозвучащий радиоприемник в одном корпусе. Помимо акустической головки он содержал входные контуры настройки, ламповый усилитель и выпрямитель питания электросети. Радиоприемник получил ставшее популярным наименование "радиола", а громкоговоритель динамического типа стали называть просто: "динамик".
Громкоговоритель – прибор для преобразования электрических колебаний в акустические колебания воздушной среды, является последним и одним из наиболее важных звеньев любого акустического тракта, так как его свойства оказывают чрезвычайно большое влияние на качество работы этого тракта в целом.
По способу преобразования колебаний громкоговорители подразделяются на электродинамические катушечные (подавляющее число современных типов громкоговорителей), электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические и некоторые другие; по виду излучения – на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону – на широкополосные, низко-, средне- и высокочастотные; по потребляемой электрической мощности – на мощные и маломощные.
В подавляющем большинстве современных акустических систем (более 90%) преобразование электрических звуковых сигналов в акустические осуществляется при помощи электродинамических головок, принцип действия которых основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с проводом звуковой катушки. При протекании токов звуковой частоты по проводу под влиянием электродинамической силы катушка громкоговорителя попеременно втягивается и выталкивается из кольцевого зазора магнита в зависимости от направления электрического тока. Ну, а дальше все просто: звуковая катушка механически соединена с излучателем - диффузором, который, собственно, и создает в пространстве сгущения и разрежения воздуха, т.е. акустические волны. Так как звуковая волна, излучаемая передней (фронтальной) поверхностью диффузора, находится в противофазе с акустической волной, излучаемой тыльной стороной диффузора, обе эти волны при работе динамической головки в открытом пространстве могут гасить друг друга, что носит название «акустическое короткое замыкание» (по аналогии с коротким замыканием в электрических сетях). Чтобы избежать этой неприятности, головки помещают в корпус, основным назначением которого и является исключить это самое взаимодействие звуковых волн от фронтальной и тыловой поверхностей диффузора. Динамики, установленные в корпус вместе с разделительными фильтрами, образуют акустическую систему, называемую иногда звуковой колонкой или попросту громкоговорителем.
В относительно небольшом количестве акустических систем используются излучатели, основанные на других физических принципах (электростатические, пьезоэлектрические, изодинамические, плазменные излучатели), но эти типы «экзотических» громкоговорителей практически не применяются в массовых акустических системах.
Чувствительность (эффективность излучения) громкоговорителя на высоких частотах повышают, уменьшая индуктивность звуковой катушки, например, с помощью вихревых токов Фуко; уменьшение индуктивности снижает ее электрическое сопротивление и приводит к возрастанию тока на высоких частотах. На низких частотах чувствительность громкоговорителя повышают, применяя специальные акустические оформления.
В подавляющем большинстве современные звуковые колонки представляют собой набор из двух-трех электродинамических громкоговорителей, помещенных внутрь корпуса прямоугольной формы шириной 20-30 см.
Важным параметром, характеризующим звуковые колонки, является диаграмма направленности. При узкой диаграмме непосредственно в сторону слушателя направляется больше звуковых сигналов акустического излучателя, и звуковые образы проявляются более отчетливо.
Как и в реальном концертном зале, в домашних условиях исполнителям произведений искусства положено находиться перед слушателем. Этому условию вполне удовлетворяют две звуковые колонки (левая и правая), установленные на определенном расстоянии от слушателя и одна от другой.
Как можно использовать колонки для воспроизведения бинаурального звука (т.е. звука, предназначенного для прослушивания в наушниках, когда часть сигнала предназначена для одного уха, а другая часть для другого уха)? Как только мы подключим вместо наушников колонки, наше правое ухо начнет слышать не только звук, предназначенный для него, но и часть звука, предназначенную для левого уха. Одним из решений такой проблемы является использование техники cross-talk-cancelled stereo или transaural stereo, чаще называемой просто алгоритм crosstalk cancellation (для краткости CC).
Идея CC просто выражается в терминах частот. На рисунке 2 сигналы S1 и S2 воспроизводятся колонками. Сигнал Y1 достигающий левого уха представляет собой смесь из S1 и "crosstalk" (части) сигнала S2.

Рисунок 2 – Схема воспроизведения бинаурального звука колонками

Если мы решим использовать наушники, то мы явно будем знать искомые сигналы Y1 и Y2 воспринимаемые ушами. Проблема в том, что необходимо правильно определить сигналы S1 и S2, чтобы получить искомый результат.
При грамотном использовании алгоритмов CC получаются весьма хорошие результаты, обеспечивающие воспроизведение звука, источники которого расположены в вертикальной и горизонтальной плоскости. Фантомный источник звука может располагаться далеко вне пределов линейного сегмента между двумя колонками.
Давно известно, что для создания убедительного 3D звучания достаточно двух звуковых каналов. Главное это воссоздать давление звука на барабанные перепонки в левом и правом ушах таким же, как если бы слушатель находился в реальной звуковой среде.

2 ПАРАМЕТРЫ И НАЗНАЧЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПК.

2.1Назначение
Предназначается для воспроизведения звука и мелодий. Если компьютер оборудован звуковыми колонками и звуковой картой его называют мультимедийным.
Звуковая плата (также называемая звуковая карта или музыкальная плата) (англ. sound card) - это плата, которая позволяет работать со звуком на компьютере. В настоящее время звуковые карты бывают как встроенными в материнскую плату, так и отдельными платами расширения или внешними устройствами.
Сегодня звуковые карты – это целый класс устройств, многие из которых служат гораздо более высоким целям, чем простой вывод MP3-файлов в колонки. Они становятся центрами домашних кинотеатров, Hi-Fi систем, домашних и профессиональных студий.
Кстати, платы называли платами собственно потому что они представляли из себя печатную плату, вставляемую в ISA или PCI-слот. Сегодня же звукокарты подключают и через USB, FireWire, PCMCIA
Активные колонки используются как устройство воспроизведения и усиления музыки, речи и звуковых эффектов.

2.2 Классификация
Встроенные звуковые карты.
Куда они встроены? В материнские платы. Прямо на «мать» напаивают входы/выходы и кодеки, а всю вычислительную обработку на себя берет центральный процессор. Подобное звуковое решение почти бесплатно, потому и для непритязательных пользователей более чем приемлемо – несмотря на отвратительное качество звучания.
Мультимедийные звуковые карты.
Это наиболее древняя категория плат: именно они появились первыми и сделали компьютер средством воспроизведения и записи музыки. Эти карты, в отличие от встроенных, обладают собственным звуковым процессором, который занимается обработкой звука, расчетом трехмерных звуковых эффектов используемых в играх, микшированием звуковых потоков и т.п., что позволяет разгрузить центральный процессор компьютера для обработки более важных задач.
Как правило, качество звука в отдельных мультимедиа-картах действительно выше оного у встроенных. К ним можно не стесняясь подключать не самые плохие компьютерные колонки и наборы акустики – хотя до уровня Hi-Fi тут еще очень далеко. Домашний кинотеатр будет звучать уже более-менее пристойно в сочетании с комплектами 5.1-акустики, сделанными специально для компьютерного применения.
Более того, записывать звук с помощью мультимедийных карт уже кое-как можно: на уровень караоке вполне потянет. Да и несложные программы для работы со звуком будут нормально функционировать.
Несколько лет назад рынок мультимедийных плат был весьма насыщенным, велись бои производителей и их продуктов. Самыми яркими конкурентами были Aureal и Creative. Карты этих компаний использовали разные алгоритмы работы с 3D-звуком – у каждой были свои поклонники.
С приходом материнских плат со встроенным аудио конфликты разрешились сами собой: все производители дешевых звуковых карт умерли. На плаву осталась только Creative со своей линейкой Sound Blaster Audigy/Audigy2, считающейся топовым уровнем в мультимедиа.
Полупрофессиональные звуковые карты
Собственно называть эти платы можно по-разному – либо полупрофессиональные, либо топовые мультимедийные. Но скорее это все же полупрофессиональные платы. Как правило их выпускают производители профессионального оборудования, ориентируясь не на музыкантов, а на любителей хорошего звука. Иными словами – карты для аудиофилов.
Они отличаются от мультимедийных в первую очередь профессиональными схемотехническими решениями и высоким качеством воспроизведения звука. При этом в них, как правило, не используются серьезные звуковые процессоры, и опять же всю тяжесть обработки 3D-звука взваливает на себя центральный процессор.
Зато для прослушивания музыки эти карты подходят идеально. При наличии хорошей акустики, лишенной позорного определения «компьютерная», или приличных наушников вы сможете получить звучание, близкое к недорогой Hi-Fi системе. Вы наконец-то сможете отличить MP3-файлы от нормальных записей… И начнете бояться низкокачественных «эмпэтришек» как огня.
В качестве основы для кинотеатрального звука такие карты также вполне сгодятся. Звук будет чистым, не искаженным – вобщем, очень приличным.
Как правило, карты от производителей профессионального оборудования комплектуются драйверами для профессиональных же программ для работы с музыкой и звуком. Так что такая плата станет отличным стартом для начинающего музыканта. Впрочем, многие из этих карт непригодны для профессиональной записи звука и в этом плане ничуть не лучше своих мультимедийных коллег.
Профессиональные звуковые карты
Эти карты рассчитаны на профессиональных музыкантов, аранжировщиков, музыкальных продюсеров. Всех, кто занимается производством и записью музыки. В соответствии с задачами – и особенности: высочайшее качество воспроизведения и записи звука, минимум искажений, максимум возможностей для работы с профессиональным ПО и подключения профессионального оборудования.
У профессиональных карт как правило нет мультимедийных драйверов и поддержки DirectX, что делает многие из них бесполезными в играх. Они не поддерживают даже стандартные системные регулировки громкости – каждый канал регулируется в специальной контрольной панели, показывающей уровень сигнала в децибеллах.
Входы/выходы вместо стандартного «миниджека» выполнены либо на «тюльпанах» RCA, либо на «больших джеках», либо в виде разъемов XLR, выведенных с помощью специальных интерфейсных кабелей. Многие карты располагают внешним блоками, куда выводятся все разъемы для удобства подключения. Компьютерные колонки здесь просто некуда воткнуть… Эти карты рассчитаны на подключение профессиональных студийных акустических мониторов, микшерных пультов, предусилителей и прочих «серьезных» устройств.
Впрочем, недорогие профессиональные карты могут стать лучшим выбором для настоящего ценителя качественного звука. Карты с разъемами на RCA очень удобны для подключения Hi-Fi аппаратуры и станут хорошим источником звука для приличной аудиосистемы. Карты с выходами «стереоджек» позволят подключать дорогие наушники без переходников и сопутствующих искажений. Впрочем, как основа для домашнего кинотеатра подойдут лишь немногие из профессиональных плат, количество выходов которых позволит подключить все шесть АС. Ведь здесь главное не количество каналов, а качество звучания каждого из них.
Внешние звуковые карты
Это относительно свежая тенденция в мире звуковых плат, получившая свое развитие лишь за последний год. Внешние звуковые платы подключаются к компьютеру с помощью интерфейсов USB, USB 2.0 или FireWire.
Для чего делают эти устройства?
Во-первых, вынос карты за пределы корпуса PC позволяет легко решить некоторые проблемы, связанные с наводками и помехами, идущими от других компонентов компьютера и влияющих на качество звука. Производители дорогих плат решают эти проблемы с помощью качествнных элементов, специальной изоляции и т.п., что повышает стоимость устройства.
Во-вторых, все большую популярность набирают barebone-системы – небольшие системные блоки с большим количеством интерфейсных разъемов и, как правило, не более чем одним PCI-слотом, занять который, возможно, придется чем-то более нужным для пользователя чем звукокарта.
В-третьих, портативная профессиональная звуковая плата, подключаемая «на лету» к любому компьютеру – это готовая портативная студия!
Но есть и проблемы. Первые выпущенные для USB устройства не обрели должной популярности из-за невысокой пропускной способности этого интерфейса. Вводились ограничения на количество и качество передаваемых сигналов. Тем не менее на рынке еще достаточно мультимедийных USB-карт, предоставляющих пристойное звучание и небольшое количество вводных/выводных каналов.
Сегодня наблюдается настоящий бум на профессиональные карты, подключаемые по шине FireWire: за счет высокой пропускной способности интерфейса не возникает практически никаких проблем с количеством каналов и качеством сигнала.
Классификация колонок.
-Активные (встроенный усилитель, требуют дополнительных источников питания, регулятор громкости и тембра);
-Пассивные (маленькая мощность).

2.3.Основные принципы работы

Принципы работы обычных звуковых карт
Кроме обычного канала звука на встроенный динамик компьютера, фактическим стандартом создания звуков на обычном компьютере являются звуковые карты, разработанные фирмой Creative Technology. Все остальные производители звуковых карт стараются сохранить совместимость с этими картами либо аппаратными, либо программными способами. Звуковые карты ранее чаще всего использовали 16-битную шину ISA, 8-ми разрядные карты уже несколько лет не выпускаются. С середины 1996 года все новые модели звуковых карт поддерживают режим Plug&Play. Начиная с осени 1998 года активно начали распространяться аудио карты с шиной PCI.
Звуковые карты состоят из двух основных частей: синтезатора для обработки MIDI команд и блока аналогово- цифрового (АЦП - Analog Digital Converter - ADC) и цифроаналогового (ЦАП - Digital Analog Converter - DAC) преобразователя. Кроме этого, на звуковой карте, как правило, расположен контроллер джойстика.
С помощью АЦП и ЦАП обеспечивается возможность моно- или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до аудио-CD. Разрядность АЦП и ЦАП (аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей) сейчас, как правило, 16 бит, частота дискретизации от 5 до 44, 1 кГц, возможна компрессия звука (например, по методу ADPCM), позволяющая уменьшать объем создаваемых звуковых файлов. В ISA картах используется также 8- и/или 16-битный канал DMA, прерывание и порты ввода-вывода. При использовании двух каналов DMA возможны одновременная запись и воспроизведение аудиосигналов, что реализуется только в Full- Duplex картах. Наиболее часто используется 5 прерывание (IRQ 5) и 1-й и 5-й каналы DMA. Возможность двунаправленной работы многих звуковых карт сейчас активно используется для общения через Internet, поэтому рекомендуется приобретать звуковые карты, поддерживающие этот режим. PCI аудиокарты за счет намного более высокой скорости работы шины всегда поддерживают полный дуплекс
Синтезатор обеспечивает имитацию звучания музыкальных инструментов и воспроизведение различных звуков при выполнении команд MIDI. Синтезатор может быть выполнен как на основе FM синтеза, так и на основе таблицы волн. При FM синтезе возможно одновременное звучание до 20 инструментов, а с использованием таблицы волн - до 512 и более. Очень часто путают количество одновременно звучащих инструментов и разрядность звуковой карты. Еще раз обращаем внимание на то, что 32-х и 64-х разрядных классических звуковых карт НЕ БЫВАЕТ. Цифра 32 или 64 (например, Sound Blaster 32 или Sound Blaster AWE64) означает максимальное количество одновременно звучащих инструментов и не более того. Звуковые карты на PCI, как правило, не имеют встроенной таблицы волн. Для уменьшения их стоимости таблица (таблицы) загружаются в обычную память компьютера, что позволяет даже с самыми недорогими аудиокартами использовать волновые таблицы большого объема и, соответственно, с большим количеством инструментов (до 512) и более высоким качеством звучания.
Звуковые карты PCI имеют 32-разрядную шину для обмена данными, но процедуры цифровой обработки звука и приема/передачи результатов обработки могут быть с разрядностью 64 и более.
В программное обеспечение к звуковой карте, как правило, входит программа-микшер, которая обеспечивает регулировку уровней входных и выходных сигналов, регулировку тембра по низким и высоким частотам (не во всех моделях). В таких операционных системах, как Windows 95 и Windows NT, микшер входит в состав системы, но, как правило, своя программа-микшер прилагается к каждой звуковой карте.
Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аналоговых и цифровых сигналов:

    входные - микрофон, линейный вход, CD-ROM аналоговый (разъем для его подключения обычно размещен на самой карте для присоединения аудиовыхода CD-ROM привода), CD-ROM цифровой вход (на некоторых новых PCI картах);
    выходные - линейный выход, выход на колонки или наушники). Встроенный усилитель имеет мощность до 4 Вт на канал, большинство звуковых карт с 1999 года имеют усилитель с выходной мощностью, достаточной только для наушников.
Для создания мелодий с помощью синтезатора на звуковой карте существуют специальные MIDI-клавиатуры типа рояльной, простейшие фиксируют и передают только факты нажатия-отпускания клавиш, более сложные имеют динамические датчики, реагирующие на силу и скорость нажатия (в сочетании с хорошим wavetable - синтезатором возможна достаточно полная имитация различных инструментов). MIDI-интерфейс имеют многие профессиональные и полупрофессиональные клавишные синтезаторы.

2.4 Основные характеристики

Чувствительность громкоговорителя - величина, характеризующая звуковое давление, создаваемое громкоговорителем при подаче на него сигнала с определенной электрической мощностью. Чувствительность громкоговорителя определяется путем измерения звукового давления на расстоянии 1 м от головки по основной оси при поданном на вход громкоговорителя сигнале мощностью 1 Вт.
Мощность - номинальная, программная (длительная), либо пиковая (краткосрочная) подводимая мощность, которую выдерживает головка до своего разрушения. Головка может быть разрушена и гораздо меньшей мощностью, если динамик нагружается сверх своих механических возможностей на очень низких частотах (например, электронная музыка с большим количеством баса или органная музыка), также разрушение может быть вызвано перегрузкой («клипированием») усилителя мощности.
Импеданс (номинальное сопротивление) - как правило, динамические головки имеют импеданс 2Ом, 4Ом, 8Ом, 16Ом.
Частотная характеристика - Измеренная, либо заявленная, выходная характеристика на заданном диапазоне
и т.д.................

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.

Звуковая система компьютера состоит из звукового адаптера (звуковой карты) и электроакустических преобразователях звуковых колебаний (микрофона и звуковых колонок).

Звуковые карты выполняют следующие функции:

§ дискретизацию аналоговых сигналов с частотами 11,025 кГц, 22,05 и 44,1 кГц. Первая частота относится к 8 битовым картам, другие – к 16 битовым;

§ 8- или 16– битовое квантование, кодирование и декодирование с использованием линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ);

§ одновременно производить запись и воспроизведение звуковой информации (режим Full duplex);

§ ввод сигналов через монофонический микрофон с автоматическим регулированием уровня входного сигнала;

§ ввод и вывод аудиосигналов через линейный вход/выход;

§ микширование (смешивание) сигналов от нескольких источников и выдача суммарного сигнала в выходной канал. В качестве источников используются:

а) аналоговый выход CD-ROM;

в) музыкальный синтезатор;

г) внешний источник, подключенный к линейному входу.

§ управление уровнем суммарного сигнала и сигнала каждого из каналов в отдельности;

§ обработка стереофонических сигналов;

§ синтез звуковых колебаний с использованием частотной модуляции (FM) и волновых таблиц (WT).

Звуковая карта должна использовать не более 13% ресурсов процессора ЭВМ при частоте дискретизации 44,1 кГц и не более 7% - при f g = 22,05 кГц. В звуковой карте осуществляется обработка аналоговых и цифровых сигналов. В соответствии со спецификацией АС-97 (Audio Codec 97 Component Specification ), разработанной фирмой Intel в 1997 году, обработка звуковых сигналов разделена между двумя устройствами:

звуковым кодеком (AC-audio codec ) и

цифровым контроллером (DC – digital controller ).

Аналоговая БИС должна располагаться вблизи звуковых соединителей ввода/вывода и как можно дальше от шумящих цифровых шин. Цифровая БИС располагается ближе к системной шине звуковой карты. Соединение этих микросхем осуществляется по унифицированной внутренней шине AC–link. В современных моделях РС эти микросхемы располагаются на системной плате компьютера. Расширенная модификация БИС звукового кодека дополнительно выполняет функции модема.

В упрощенном виде схема аудиосистемы РС может быть представлена следующим образом (рисунок 10.13). Микрофон (М) осуществляет преобразование акустических колебаний в электрический, а громкоговоритель (Гр.) преобразование электрических колебаний в акустические. Входной сигнал с микрофона усиливается, а с линейного входа подается непосредственно на аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 10.13 - Структура звуковой карты

Дискретный сигнал можно представить в виде произведения исходного сигнала U(t) и дискретизирующей последовательности P(t)

U д (t) = U(t)P(t) .

Дискретизирующая последовательность состоит из очень коротких импульсов. При теоретическом описании эта последовательность представляется δ – импульсами, которые следуют с частотой дискретизации f о = 1/Т о

P(t) = ∑ δ (t - nT o)

Временная диаграмма процесса дискретизации и квантования показана на рисунке 10.14

Синтез звуковых сигналов. Синтезатор предназначен для генерации звуков музыкальных инструментов, соответствующие определенным нотам, а также создавать „немузыкальные” звуки: шум ветра, выстрела и т.п.

Одна и та же нота, воспроизводимая на музыкальном инструменте, звучит по разному (скрипка, труба, саксофон). Это вызвано тем, что хотя определенной ноте соответствует колебание конкретной частоты, звуки различных инструментов, кроме основного тона (синусоиды), характеризуются наличием дополнительных гармоник – обертонов. Именно обертоны определяют тембровый окрас голоса музыкального инструмента.

Рисунок 10.14– Временная диаграмма оцифровки входного сигнала

Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал состоит из трех характерных фрагментов – фаз. Так, например, при нажатии клавиши рояля амплитуда звука сначала быстро растет до максимума, а затем немного спадает (рисунке 10.15). Начальная фаза звукового сигнала называется атакой. Длительность атаки для различных музыкальных инструментов варьируется от единиц до десятков и даже сотен мс. После атаки начинается фаза „поддержки”, в течение которой звуковой сигнал имеет стабильную амплитуду. Слуховое ощущение высоты звука формируется как раз на стадии поддержки.

Далее следует участок с относительно быстрым затуханием уровня сигнала. Огибающая колебаний во время атаки, поддержки и затухания называется амплитудной огибающей. Различные музыкальные инструменты имеют разные амплитудные огибающие, тем не менее, отмеченные фазы характерны практически для всех музыкальных инструментов, за исключением ударных.

Для создания электронного аналога реального звука, т.е. для синтеза звука, необходимо воссоздать огибающие гармоник, из которых состоит реальный звук. Существует несколько методов синтеза. Одним из первых и наиболее изученных является аддитивный синтез. Звук в процессе синтеза формируется путем сложения нескольких исходных звуковых волн. Этот метод использовали еще в классическом органе. Специальной конструкцией клапанов при нажатии клавиши заставляли звучать сразу несколько труб. При этом звучащие трубы были настроены либо в унисон или в одну две октавы. При нажатии клавиши первыми начинали звучать короткие трубы, дающие высокие обертоны, затем вступала средняя секция и последними – басы.

При цифровом аддитивном синтезе отдельно формируется N гармоник с частотами от f 1 до f N и амплитудами от A 1 (t) до A N (t). Затем эти гармоники складываются.

Второй метод является разновидностью нелинейного синтеза. Для получения одного музыкального звука используется сигнал одного генератора. Гармоническую окраску получают в результате нелинейных искажений исходного сигнала. Для этого синусоидальный сигнал, формируемый генератором, управляемым кодом (ГУК) с амплитудой A 1 и частотой f 1 (рисунок 10.16 а) пропускают через нелинейный элемент с некоторой характеристикой К(х) (рисунок 10.16 б). Зная амплитуду сигнала A 1 и вид характеристики К(х) , можно вычислить спектр сигнала на выходе (рисунок 10.16 в).

Следующим широко распространенным методом является синтез на основе частотной модуляции (широко используется в ЭМИ фирмы Yamaha). При частотной модуляции осуществляется изменение частоты f 0 несущего колебания U(t) = Asin (2πf 0 + φ) по закону модулирующего колебания x (t). Выражения для частотно-модулированного колебание имеет вид

U(t) = Asin (ω o t + Δω∫dt),

Величина изменения частоты несущего колебания Δω 0 =2π f 0 называется девиацией частоты, аотношение отклонения Δf 0 частоты модулированного колебания к частоте модулирующего колебания f m называется индексом частотной модуляции m f = Δf 0 /f m . Изменяя индекс модуляции можно изменять спектр сигнала на выходе модулятора и тем самым достичь качества синтезируемого звука, близкого к естественному звучанию.

Выражения для частотно-модулированного колебание при синусоидальном модулирующем колебании x (t) = sin ω o t имеет вид

U(t) = Asin .

Спектр модулированных сигналов при различных индексах модуляции изображен на рисунке 10.17.