Железо ПК. Популярный самоучитель - Геннадий Кондратьев

Перед тем как рассмотреть «внутренности» звуковой платы, изучим основные понятия цифровой звукозаписи.

Преобразование исходного аналогового сигнала в дискретный

Аналоговые – это такие сигналы, параметры которых изменяются непрерывно (а не скачкообразно) с течением времени, то есть количество значений какого-нибудь параметра аналогового сигнала (например, амплитуды) в общем-то бесконечно. Звуковые волны (звук) являются типичным представителем аналоговых сигналов.

Дискретный сигнал, в свою очередь, описывается конечным количеством разделенных во времени параметров. Процесс оцифровки сигнала сводится к замене непрерывной функции параметров к конечному набору так называемых выборок – замеров значения параметра сигнала, производимых через определенные промежутки времени (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Оцифровка аналогового сигнала

Как можно увидеть на рис. 5.4, все точки кривой, расположенные между выборками (например, между выборками 5 и 6), не попадут в оцифрованную версию сигнала. Таким образом, можно сделать вывод, что чем больше будет выборок, тем точнее (качественнее) оцифруется сигнал.

Определение

Количество выборок в единицу времени называется частотой дискретизации. Частота дискретизации измеряется в килогерцах.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется специальным устройством, которое называется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для обратного преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Какими параметрами определяется качество оцифрованного звука? Мы уже выяснили, что качество зависит от частоты дискретизации. Существует даже специальная теорема Котельникова, согласно которой частота дискретизации должна быть в два раза выше частоты колебаний самой высокой составляющей звукового сигнала. Если учесть, что звуки самого высокого тона, которые способно распознать человеческое ухо, имеют частоту около 20 кГц,[13] то хорошее качество оцифрованного звука достигается при использовании частоты дискретизации 44 кГц.

Наверняка вы знаете, что звуковые волны характеризуются следующими параметрами: высотой тона (то есть частотой колебаний), громкостью (то есть амплитудой колебаний) и тембром (качеством звука, придающим звучанию индивидуальную окраску). Тембр звука зависит от состава звукового сигнала. Дело в том, что реальные окружающие нас звуки состоят из огромного количества наложенных друг на друга звуковых волн. Звуковая волна, имеющая наиболее низкую частоту в таком «звуковом пакете», называется основным тоном. Звуковые волны «пакета», распространяющиеся с более высокими частотами, называются обертонами.

Это интересно

Существуют ли источники звука, которые способны создавать звуковые волны строго определенной частоты? Да, существуют. Это камертоны, которые используют для настройки музыкальных инструментов.

К чему мы все это рассказываем? А к тому, что при дискретизации звука измеряется вовсе не один параметр звукового сигнала (как показано на рис. 5.4), а множество. На количество измеряемых при дискретизации характеристик звука влияет параметр оцифровки, называемый битовой глубиной оцифрованного звука. Качественной считается глубина 16 бит. При такой битовой глубине оцифровка звука позволяет зафиксировать 216 = 65 536 характеристик звука (частоты и амплитуды основного тона и обертонов).

Еще одним параметром, который определяет качество оцифрованного звука, является количество звуковых каналов. Наиболее распространенная в наше время двухканальная стереозапись создает иллюзию звуковой панорамы. Источники звука как бы разделяются в пространстве. Более сложные системы (5 и более каналов) создают эффект объемного звучания.

Таким образом, так называемое «качество компакт-диска» имеют двухканальные стереозаписи, созданные с битовой глубиной 16 бит и частотой дискретизации 44 кГц.

Оцифрованный звук записывается в файлы с расширением WAV.[14] Понятно, что размеры такого файла зависят, во-первых, от продолжительности звуковой дорожки, а во-вторых, от качества оцифровки. Эти размеры иногда оказываются очень большими – одна минута качественно оцифрованной стереозаписи занимает около 10 Мбайт. Для решения этой проблемы было придумано множество алгоритмов сжатия WAV-файлов, в результате чего получались файлы других форматов.

Наиболее распространенным из них является формат MP3. Он позволяет практически без потерь сжимать WAV-файл более чем в 10 раз. Стоит отметить, что «практически без потерь» – понятие весьма условное. Ярые меломаны в пух и прах развеют это утверждение и будут правы. Для работы с файлами каждого формата используется специальная программа компрессии-декомпресии, называемая кодеком.

Это полезно знать

Если ваш компьютер не хочет воспроизводить какой-либо звуковой файл, скорее всего, у вас отсутствует необходимый для данного формата кодек. Нужный кодек можно найти в Интернете. Современные операционные системы семейства Windows уже содержат встроенные кодеки для воспроизведения таких популярных звуковых форматов, как MP3 и WMA.

Кодеки характеризуются скоростью передачи битов – количеством сжатых битов звукового файла, которые распаковывает кодек за 1 секунду. Пресловутому качеству компакт-диска соответствует скорость передачи, равная 128 Кбит/с.

Описание звука с помощью параметров

Наверняка вы слышали о таком музыкальном инструменте, как синтезатор. Он позволяет имитировать звучание различных музыкальных инструментов и другие звуки. Это устройство оснащено специальным процессором, который обрабатывает звуковые файлы формата MIDI.

Давайте знакомиться

MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – цифровой интерфейс музыкальных инструментов. Файлы MIDI имеют расширение MID.

В отличие от файлов WAV, файлы MIDI содержат информацию о нотах мелодии (высоты, длительности и интенсивности), которую должен проигрывать синтезатор, а также инструкции, какими именно инструментами эти ноты нужно исполнить. Получается своеобразная нотная тетрадь для электронного дирижера, «спрятанного» в процессоре синтезатора.

MIDI-файлы имеют значительно меньший размер, чем WAV-файлы. Абсолютно все звуковые карты поддерживают формат MIDI. Качество его исполнения зависит от характеристик процессора карты. В устаревших звуковых картах имитирование различных музыкальных инструментов осуществлялось с помощью технологии синтеза с частотной модуляцией (или FM-синтеза). Качество «похожести» воспроизводимых звуков на звучание реальных музыкальных инструментов было средним.

В современных звуковых платах используется так называемая технология синтеза на основе волновых таблиц (Wave Table), или технология волнового синтеза (WT-синтез). Она сводится к тому, что в память звуковой карты заранее записываются звуковые образцы реальных музыкальных инструментов. Затем эти звуки используются при воспроизведении MIDI-мелодий. Количество таких записанных инструментов определяется параметром полифония. Хорошие звуковые карты «вооружены» 64-голосной полифонией.

Midi сегодня

Технология MIDI, конечно, еще очень интенсивно используется музыкантами. С помощью MIDI-интерфейса можно не только передавать команды на воспроизведение определенных нот, но и синхронизировать работу, включать определенные режимы цифровых музыкальных инструментов и устройств. А вот для рядового пользователя компьютера технология MIDI, похоже, перестала представлять интерес. Это понятно, никакой синтез не заменит звучания реального инструмента.

Теперь мы наконец-то можем перейти к рассмотрению «внутреннего мира» звуковых карт.

Внутренние компоненты звуковой карты

Звуковые карты содержат следующие элементы.

• Преобразователи – они есть на каждом стереоканале: аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) (на дорогих картах преобразователей бывает больше). АЦП обрабатывает аналоговый сигнал, поступающий с линейного входа или микрофона, и превращает его в цифровой. ЦАП, напротив, преобразует цифровой сигнал в аналоговый и передает его на линейный выход. Качество получаемого звука зависит от битовой глубины, поддерживаемой преобразователем.

• Генератор тактовой частоты – выдает синхронизирующие сигналы на преобразователи, тем самым задавая скорость обработки информации (вспомните понятие частоты дискретизации). Наиболее популярные на сегодняшний день звуковые карты имеют частоту 96 кГц.

• Процессор – формирует аналоговое звучание, которое мы слышим из колонок от поступающих MIDI-команд. Именно процессор определяет возможности звуковой карты. Он является «связным» между центральным процессором компьютера, операционной системой и программой воспроизведения музыки. Процессор звуковой карты берет на себя достаточно много работы, связанной с обработкой звука (частично разгружая центральный процессор).