Звукови карти

- Секция Мултимедия

  Съществуват много и разнообразни средства за въвеждане/извеждане и обработване на звук. В средата на персоналните компютри това най-често са специално разработени за целта звукови контролери (карти). Първата звукова карта е разработената през 1989 г. SoundBlaster от фирмата Creative Labs. Всички съвременни звукови карти обединяват в себе си възможности за запис и за възпроизвеждане.

    1. Видове звукови карти
 
    Звуковите карти могат да бъдат разделени на три основни групи: звукови, музикални и звукомузикални.
    • Изцяло звуковите карти притежават само цифров канал за запис и възпроизвеждане. Те позволяват единствено запис и възпроизвеждане на непрекъснат музикален поток, подобно на касетофон. Цялата работа по запомняне и подготовка за възпроизвеждане се поема от програмното осигуряване. Някои изцяло звукови карти притежават сигнален процесор за
обработване на звука.
    • Музикалните карти съдържат само музикален синтезатор. Такъв тип карти могат да генерират кратки музикални звуци по команда от централния процесор. Звукът се генерира с помощта на синтезатора, но самите карти нямат възможност за запис на звук и не могат да възпроизвеждат непрекъснат звуков поток.
    • Звукомузикални. От този тип са всички съвременни звукови карти.
Основните задачи, които изпълнява една звукомузикална карта са: запис и възпроизвеждане на аудиосигнал, звуков синтез и работа с MIDI.
 
    Според конструкцията си звуковите карти се делят на следните групи:
    • Основни - поставят се в PCI слот на дъното на компютъра и осигуряват вход/изход на звук.
    • Допълнителни - най-често се включват към основната звукова карта.
Основното им предназначение е да осигурят или разширят възможностите на MIDI синтезатора.
    • Вградени - вграждат се в южния мост на чипсета на компютъра. Съчетават евтино решение с разширени възможности.
 
    2. Структура на звуковите карти
     2.1. Структура на основна звукова карта
 
    Съвременните звукови карти се състоят от пет основни блока (фиг. 3).
    Цифров сигнален процесор (Digital Signal Processor - DSP). Използва се за управление процеса на дискретизация, компресиране, възпроизвеждане, както и за промяна на звука със специални ефекти (например ехо или ревербация).
    Блок за цифрова обработка на сигнали (кодек). В този блок се осъществява аналогово-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване (АЦП и ЦАП).
    Цифрово-аналоговият преобразувател е в основата на възпроизвеждащата част на звуковите контролери. Основното му предназначение е да преобразува цифровия поток от данни в аналогов (звуков) сигнал. Дискретните стойности, натрупани в паметта на компютъра, се преобразуват последователно от ЦАП като за всяка стойност се създава импулс, чиято амплитуда е пропорционална на съответната дискретна стойност.
 
 
 
 
                            Фиг. 3. Блок-схема на звукова карта
 
    Аналогово-цифровият преобразувател служи за преобразуване на постъпващия аналогов сигнал в цифров еквивалент.
    От блока за цифрова обработка зависят такива характеристики на картата като: честота на дискретизация при запис и възпроизвеждане, максималното ниво на квантуване, максималното количество на обработваните канали. В голяма степен от качеството и сложността на схемите, използвани в този блок зависят шумовите характеристики на звуковата карта.
    Блок на синтезатора. Може да работи или под управлението на драйвер, или под управлението на собствен процесор. Синтезаторният модул е предназначен за възпроизвеждане на музикални фрагменти, звукови ефекти и други звуци, които не могат да бъдат записани на живо. Синтезът е понятие с обща валидност, под което се разбира подходящо събиране на отделни, добре конкретизирани компоненти за постигане на определена цел. Думата синтез е от гръцки произход и означава сумиране, свързване, съставяне. В звуковите контролери за персонални компютри най-често се използват синтезатори, конструирани на принципа на честотната модулация (FAf-синтезатори) или на основата на вълнова таблица (И/Т-синтезатори).
    При F/W-синтезаторите сигналът с носеща честота определя височината на тона, а модулиращият - вълновата форма, която определя тембъра. В случая и двата сигнала могат да играят ролята на носещи или модулиращи като специализираните генератори, от които се получават тези сигнали се наричат "оператори". В зависимост от начините на свързване на операторите е възможно синтезирането на широк спектър от звуци и шумове. Звуковите контролери с вграден FAf-синтезатор най-често притежават MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - цифров интерфейс за управление на музикални инструменти, който се обслужва от програмните продукти за композиране и смесване - т.нар. "Sequencers".
    При УУТ-синтезаторите за синтезиране на звук се използват записи на истински инструменти. Тези записи представляват цифрово представяне на звукова вълна, възпроизведена от даден инструмент. Записите могат да се съхраняват в ROM памет на звуковата карта, или да се зареждат в оперативната памет при стартиране на Windows. За разлика от FAf-синтезаторите, които звучат почти еднакво, И/Т-синтезаторите могат значително да се различават по качество един от друг. Върху качеството на И/Т-синтезаторите оказват влияние: качеството на оригиналния запис; честотата, при която е направен записа; броят на записите за всеки инструмент; методите за компресиране при запазване на записите.
    Интерфейсен блок. Осигурява приемането/предаването на данни от/към различни входно/изходни устройства: слушалки, високоговорители, входен аналогов или цифров сигнал, изходен аналогов или цифров сигнал, MIDI инструменти.
    Блок за смесване. Този блок осигурява регулирането на нивата на сигналите от линейните входове, нивата от MIDI входа и входа за цифров звук, нивото на общия сигнал и др.
 
    2.2. Структура на вградена звукова карта
 
    Голяма част от съвременните вградени звукови карти са реализирани съгласно стандарта АС'97, разработен от фирмата Intel. Този стандарт предвижда разделянето на звуковата карта на две независими части: цифров контролер (DC97) и аналогов кодер/декодер (кодек) (АС'97). Тези две части се свързват помежду си с цифров последователен канал AC-Link. Стандартът не указва точно функциите на вградената звукова карта. Тя може да съдържа DSP за обработване на звука, WT синтезатор, Dolby кодер/декодер и др. Може да бъде реализиран и като обикновен контролер, който отговаря само за обмен на данни между системната шина и кодека АС'97.
    Кодекът АС'97 отговаря за преобразуването на звука при изход в аналогов вид и в цифров вид при вход. Спецификация 2.3 на АС'97 описва електрическите, механичните и функционалните параметри на вградените звукови карти. Съгласно спецификацията, звуковата карта задължително трябва да притежава:
 
    • 16-разрядни ЦАП и АЦП;
    • аналогов смесител;
    • до 4 линейни стерео входа и до 2 моно входа;
    • един или два микрофонни входа;
    • един стерео изход;
    • допълнителни линейни изходи: за слушалки, за 4 и 6 канален звук;
    • разширени възможности за управление на захранването.
 
    В незадължителните изисквания на спецификацията е указано, че вградената звукова карта може да притежава:
 
    • увеличена разрядност на ЦАП и АЦП до 18 или 20 бита;
    • апаратно преобразувание на честотата на дискретизация;
    • управление височината на звука, настройка на ниските и високите честоти;
    • отделен вход за запис на глас и др.
 
    На фиг. 4. е показана функционалната схема на АС'97.
    Незадължителните изисквания могат да бъдат реализирани програмно посредством драйвери за АС'97. От самия кодек зависят параметрите на звука: съотношение сигнал/шум, ниво на изходния сигнал, нелинейните изкривявания, предаване на различни честоти, поддръжка на няколко аналогови и цифрови входове и изходи. Различните звукови ефекти, поддържане на няколко потока, работа с MIDI и др. зависят от възможностите на цифровия контролер (DC97) и
неговите драйвери.   
 
                                 Фиг. 4. Функционална схема на АС'97
 
    3. Параметри на звуковите карти
 
    Най-важните параметри на съвременните звукови карти са: максималната честота на дискретизация в режим на запис и възпроизвеждане, максималното ниво на квантуване (разрядност) в режим на запис и възпроизвеждане, брой записвани канали, параметри на синтезатора, съотношение сигнал/шум, коефициент на нелинейни изкривявания.
 
    • Максимална честота на дискретизация - колкото е по-голяма честотата на дискретизация, толкова записът на звука е по-качествен, но има по-голям по обем.
Звукът се записва в три стандартни честоти: 44,1kHz - за всякакъв вид музика и за говор с високо качество; 22,05 kHz - за говор със средно качество; 11,025 kHz - за звукови ефекти.
    • Максимално ниво на квантуване. Максималното ниво на квантуване се определя от разрядността на АЦП. Броят на разрядите от своя страна определя, колко близък до оригинала е дигитализираният запис. 8-битов запис се използва за говор и за звукови ефекти. 16-битовият запис се използва за запис на музика. Съвременните звукови карти могат да работят с 24 или дори 32- битов запис. При възпроизвеждане оказва влияние броят на разрядите на ЦАП.
    • Брой записвани канали - колкото е по-високо качеството на записа, толкова повече място за запазване на файла е необходимо. Например, запис с 44,1 kHz заема два пъти по-голямо място отколкото файл, записан с 22,05 kHz. От друга страна стерео записът заема два пъти по-голямо място, отколкото моно запис, а карти поддържащи стандарта 5.1 ще заемат три пъти по- голямо място от стерео запис.
    • Съотношение сигнал/шум. Съотношението сигнал/шум е определящо за качеството на фонограмата и представлява отношение на мощността на сигнала към мощността на шума. Този показател влияе на чистотата на записа и на възпроизвеждането. Формулата, по която с достатъчно приближение може да се изчисли динамичния обхват на ЦАП (АЦП) е следната:    D[dB] = 10*Ln((2n)/0.5) където: D - търсеният динамичен обхват в децибели; п - брой на разрядите на ЦАП (АЦП);
   
   В звуковите контролери за PC (персонални компютри) обикновено се работи с 8 или 16 - битово представяне на дискретите. Това съответствува на динамичен обхват в рамките от 62 dВ до 117 dB. За добри се считат звукови карти с отношение 80-85 dB, а за много добри с отношение 95-100 dB.
    • Коефициент на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion - THD).
Нелинейните изкривявания се получават от неточното възстановяване на аналоговия сигнал от дискретните стойности. THD се измерва в %. За звукови карти от клас Hi-Fi се считат тези, за които 77-/D=0,01%.
    Следователно, ако се държи на качествено възпроизвеждане на звука, звуковата карта трябва да има честота на дискретизация 44100 Hz (каквато се използва при музикалните CD) и ширина на думата поне 16 бита. Единственият проблем, който води след себе си използването на по-голяма честота на дискретизация и широчина на думата, е големината на изходните звукови файлове.
При аналогово-цифров преобразувател с честота 44,100 kHz и широчина на думата 8 бита са необходими 44100 байта памет за записа на всяка секунда звук. За стерео сигнал необходимото количество дискова памет се удвоява, а за 6-канален звук е шест пъти по-голяма.
 
     Таблица 2.

 
     В табл. 2. са дадени някои съотношения между честотата на дискретизация, продължителността на записа във формат без компресиране и необходимото количество дисково пространство. Вижда се, че трябва да се съобразяваме с големината на получаваните звукови файлове и изискваното качество за запис на звук. Затова може съвсем разумно при запис да се използва звукова карта с по-ниска честота на дискретизация отколкото при възпроизвеждане (например АЦП с 30 kHz, а ЦАП с 44,1 kHz). Ако трябва да се записва само говор без музика, напълно достатъчна е честота на дискретизация от 11,025 kHz.
    Стойностите в последните две колони от таблицата трябва да се умножат по 2, за да се получи големината при стерео запис (за шест канален звук - по 6). По този начин при 1 минута стерео 16-битов запис при честота на дискретизация 44 100 Hz ще се получи големина на файла по-голям от 11 MB, а за шест канален - 33 MB.
    Необходимото количество битове за кодиране на 1 s звук се нарича битрейт.
Например некомпресиран файл с формат 44 100 Hz, 16 бита, стерео ще има битрейт 16*44100*2=1411.2 kb/s.
 
    3.4.Процес на запазване на звук
 
    Процесът на конвертиране и запазване на аналогов звуков сигнал се извършва по следния алгоритъм:
    • Звуковата карта получава непрекъснат, аналогов сигнал от външен източник (например микрофон). Получените аналогови сигнали се променят по честота и амплитуда.
    • Програмното осигуряване на компютъра избира кои входове да използва в зависимост дали ще се извършва смесване на сигнали.
    • Смесеният аналогов сигнал се обработва в реално време от АЦП на звуковата карта. Като резултат се получават двоични значения.
    • Двоичните значения от изхода на АЦП се прехвърлят към DSP. Една от задачите на DSP е да компресира данните, така че да заемат по-малко място, като в същото време освобождава централния процесор да изпълнява други задачи.
    • Данните от DSP по магистрала данни се прехвърлят към централния процесор.
    • Цифровите данни се обработват от централния процесор и се прехвърлят към твърдия диск и се запомнят във вид на файл.
 
    3.5. Процес на възпроизвеждане на запазен звук
 
    Процесът на възпроизвеждане на записан звуков файл се извършва в обратна последователност:
    • Цифровите данни се четат от твърдия диск и се прехвърлят към централния процесор.
    • Централния процесор предава данните към DSP на звуковата карта.
    • DSP разкомпресира данните.
    • Разкомпресираните цифрови данни, получени от DSP се обработват в реално време от ЦАП.
    • Полученият по този начин аналогов сигнал се предава към включени към звуковата карта тонколони или слушалки.

 

 

 






Коментирай свободно: