Структура акустической системы пк. Исследование звуковой системы пк с помощью диодной пластины. Структура звуковой системы ПК

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?

Краткое описание

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.
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.

Прикрепленные файлы: 1 файл

1.6 Параметры и назначение акустических систем ПК.

Назначение

Предназначается для воспроизведения звука. Если компьютер оборудован звуковыми колонками и звуковой картой его называют мультимедийным.

Звуковая карта (англ. soundcard) - 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.

Активные колонки используются как устройство воспроизведения и усиления музыки, речи и звуковых эффектов.

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 встроенных.

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.

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.

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.

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 RCA, либо в виде разъемов XLR, выведенных с помощью специальных интерфейсных кабелей. Многие карты располагают внешним блоками, куда выводятся все разъемы для удобства подключения. Эти карты рассчитаны на подключение профессиональных студийных акустических мониторов, микшерных пультов, предусилителей и прочих «серьезных» устройств.

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.

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.

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. 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).

1.7 Основные принципы работы

Принципы работы обычных звуковых карт

Звуковые карты состоят из двух основных частей: синтезатора для обработки MIDI команд и блока аналогово-цифрового (АЦП - AnalogDigitalConverter - ADC) и цифроаналогового (ЦАП - DigitalAnalogConverter - DAC) преобразователя.

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. При использовании двух каналов DMA возможны одновременная запись и воспроизведение аудиосигналов. Возможность двунаправленной работы многих звуковых карт сейчас активно используется для общения через Internet. 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, SoundBlaster 32 или SoundBlaster AWE64) означает максимальное количество одновременно звучащих инструментов и не более того.

Звуковые карты на PCI, как правило, не имеют встроенной таблицы волн. 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.

Структура аудиотракта ПК

По своей внутренней структуре персональный компьютер (ПК) во многом схож со стационарным аудиооборудованием, однако ПК – модульная конструкция, что позволяет нам гибко варьировать конфигурацию в рамках одного устройства (системного блока). В этом заключается одно из главных преимуществ компьютерных систем перед готовыми аудиокомпонентами: вместо того чтобы покупать новый аппарат, можно поменять один или несколько узлов, что обойдётся значительно дешевле.

В большинстве случаев схема формирования звука посредством ПК выглядит следующим образом: цифровой аудиопоток с какого-либо носителя попадает в компьютер. Точнее – в его системную (или, как её ещё называют, материнскую) плату, на которой установлены центральный процессор, оперативная память, чипсеты, контроллеры и прочее. Благодаря взаимодействию звуковой подсистемы и программного обеспечения с основной частью, костяком, компьютера звуковой поток проходит обработку или же подаётся как есть в звуковую подсистему, где преобразуется в аналоговую форму и выводится на активные колонки, наушники или иное оборудование.

Рисунок 2. Звуковая система ПК

Основная часть компьютера по большому счёту остаётся неизменной. Соответственно, возможные направления для улучшения качества звука – подбор соответствующей звуковой карты и акустических систем.

1.8 Звуковые карты. Звуковые характеристики.

Существуют определенные характеристики, которым следует уделить внимание при комплектовании звуковой системы компьютера.

Трехмерный звук. Если вы любитель компьютерных игр, выбирайте звуковую карту, которая поддерживает трехмерный звук. Вся проблема заключается в том, как разместить необходимое количество колонок на ограниченном пространстве.

Игровой и MIDI-порт. На звуковых картах часто встречается 15-контактный разъем. Это совмещенный игровой и MIDI-порт. MIDI-порт предназначен для музыкальных инструментов с цифровым интерфейсом (например, синтезаторов или MIDI-клавиатур). Игровой порт предназначен для подключения джойстика. При наличии нескольких звуковых карт в системе (например, встроенной и отдельной) следует отключить все игровые порты, кроме одного - иначе это может привести к аппаратному конфликту.

Память MIDI. Высокопроизводительные звуковые карты (например, SoundBlasterLive 5.1 или Audigy) обычно оснащены разъемами для модулей памяти SIMM для установки дополнительной памяти. Это и есть память MIDI, которая используется при профессиональной работе со звуком.

Разъем для аудио-CD. При выборе звуковой карты обратите внимание на наличие разъема для подключения звукового выхода CD-дисковода. Это небольшой 4-контактный разъем, расположенный на звуковой карте. При помощи тонкого 4-жильного кабеля он соединяется с аналогичным разъемом на CD-дисководе. Именно таким образом обеспечивается возможность прослушивания звуковых компакт-дисков на компьютере.

Колонки. Наконец, к звуковой карте следует подключить колонки. Рекомендуется использовать высококачественные активные колонки с широким динамическим и частотным диапазоном.

Заключение.

С развитием компьютерных технологий звуковые платы также претерпевали изменения. Они снабжались все новыми разъемами, дополнительными устройствами, менялись материалы изготовления. В настоящее время на рынке существует огромное количество разновидностей звуковых карт от различных производителей, находящихся в различных ценовых категориях. Звуковая карта может превратить компьютер в самую настоящую аудиостудию, где можно микшировать звук, добавлять различные звуковые эффекты, накладывать фоновую мелодию и так далее.

Развитие самих акустических систем также не стоит на месте. Dolby Digital внедряется в домашний обиход посредством технологии DVD, ведь звук, записанный в AC-3, можно найти и на DVD-Video, и на обычных DVD-ROM. При записи фильмов на DVD применяют три основных звуковых стандарта: PCM, Dolby Digital и MPEG. Поэтому, принимая во внимание, что практически любой современный DVD-проигрыватель имеет встроенный декодер AC-3, оказывается, что звуковые дорожки в формате Dolby Digital имеются почти на всех дисках DVD.

По моему мнению, ни один персональный компьютер не может обходиться без мультимедийных технологий. Звуковая система является частью этих технологий. Сейчас сложно представить современный компьютер без возможности записи, редактирования и воспроизведения звуковых файлов. Звуковая система компьютера является значимой и довольно важной системой, без которой его было бы трудно назвать мультимедийным.

Список литературы и интернет ресурсов

1. www.marak.ucoz.ru
2. www.compremont.org
3. www.bigor.bmstu.ru
4. www.orbiter.ucoz.ru
5. www.images.yandex.ru

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 - 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 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 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.

3. Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рис. 5.5.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5.5, 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. 5.5, б. 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;

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.

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.

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.

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 PCI 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: Joystick / 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.

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 Digital 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.

Основные характеристики АС: полоса воспроизводимых час­тот, чувствительность, коэффициент гармоник, мощность.

Полоса воспроизводимых частот (FrequencyRespon ­ se ) - 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 соответствии 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. АС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

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 (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 Chipset, 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 ШЕЕ 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, про-

смотра 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

Какие основные функции выполняет звуковая система ПК?

Какие основные компоненты входят в состав звуковой системы ПК?

Исходя из каких соображений выделяется частота дискретизации сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования?

1. 
   Перечислите основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.

Какие основные параметры характеризуют модуль записи и воспроизведения звука?

Какие применяют методы синтеза звука?

Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к числу его основных характеристик?

В чем отличие пассивной акустической системы от активной?

sound card ) - дополнительное оборудование персонального компьютера , позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения , устанавливаемые в соответствующий слот . В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC’97 или Intel HD Audio).

Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным (на то оно и общение). Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой, гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту, сомневаюсь, что вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Однако пока многие ортодоксально настроенные программисты/ проектировщики до сих пор не хотят признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения и/или нежелания не используют в своих проектах возможность невизуального общения человека с ЭВМ, но даже они никогда не смотрят телевизор без звука. В настоящее время любой крупный проект, не оснощенный средствами multimedia (в дальнейшем под словом "средства multimedia" мы будем прежде всего понимать совокупность аппаратно/программных средств, дополняющие традиционно визуальные способы взаимодействия человека с ЭВМ) обречен на провал.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЗВУЧИВАНИЯ

Есть много способов заставить компьютер заговорить или заиграть.

1. Цифроаналоговое преобразование (Digital to Analogue (D/A) conversion). Любой звук (музыка или речь) содержаться в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформируются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники, колонки, etc.

2. Синтез. Компьютер посылает в звуковую карту нотную информацию, а карта преобразует ее в аналоговый сигнал (музыку). Существует два способа синтеза:

а) Frequency Modulation (FM) synthesis , при котором звук воспроизводит специальный синтезатор, который оперирует математическим представлением звуковой волны (частота, амплитуда, etc) и из совокупности таких искусственных звуков создается практически любое необходимое звучание.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом показывают очень неплохие результаты на проигрывании "компьютерной" музыки, но попытка симулировать звучание живых инструментов не очень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том, что с его помощью очень сложно (практически невозможно) создать действительно реалистическую инструментальную музыку, с большим наличием высоких тонов (флейта, гитара, etc). Первой звуковой картой, которая стала использовать эту технологию, был легендарный Adlib, который для этой целей использовал чип из синтеза Yamaha YM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) также используют эту технологию, только на других более современных типах микросхем, таких как Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез по таблице волн (Wavetable synthesis), при этом методе синтеза заданный звук "набирается" не из синусов математических волн, а из набора реально озвученных инструментов - самплов. Самплы сохраняются в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над самлами (с помощью различного рода математических преобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами).

Так как самплы - оцифровки реальных инструментов, они делают звук крайне реалистичным. До не давнего времени подобная техника использовалась только в hi-end инструментах, но она становится все более популярной теперь. Пример популярной карты, использующей WS Gravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды, каждый из которых обозначает действие, которое должен произ вести MIDI-устройство (обычно это синтезатор) (General) MIDI - это основной стандарт большинства звуковых плат. Звуковая плата, самостоятельно интерпретирует, посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хранящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На PC - совместимых компьютерах исторически сложились два MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый рализован в SoundBlaster"s картах, второй использовался в ранних моделях Roland.

ЗВУКОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЕМЕЙСТВА IBM PC

Уже на самых первых моделях IBM PC имелся встроенный динамик, который однако не был предназначен для точного воспроизведения звука: он не обеспечивал воспроизведения всех частот слышимого диапазона и не имел средств управления громкостью звучания. И хотя PC speaker сохранился на всех клонах IBM до сего дня - это скорее дань традиции, чем жизненная необходимость, ибо динамик никогда не играл сколь-нибудь серьезной роли в общении человека с ЭВМ.

Однако, уже в модели PCjr появился специальный звуковой генератор TI SN76496A, который можно считать предвестником современных звуковых процессоров. Выход этого звукового генератора, мог быть подключен к стерео-усилителю, а сам он имел 4 голоса (не совсем корректное высказывание - на самом деле микросхема TI имела четыре независимых звуковых генератора, но с точки зрения программиста это была одна микросхема, имеющая четыре независимых канала). Все четыре голоса имели независимое управление громкостью и частотой звучания. Однако из-за маркетинговых ошибок модель PCjr так и не получила широкого распространения, была об"явлена неперспективной, снята с производства и поддержка ее была прекращена. С этого момента фирма IBM больше не оснащала свои компьютеры звуковыми средствами собственной разработки. И с этого момента место на рынке прочно заняли звуковые платы.

знать:

• 
  
• 
  
• 
  

Звуковая система ПК. Состав звуковой системы ПК. Принцип работы и технические характеристики звуковых плат. Направления совершенствования звуковой системы. Принцип обработки звуковой информации. Спецификация звуковых систем.
Методические указания
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.

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.

Рисунок 10 - Структура звуковой системы ПК
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
Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Звуковая система ПК;
2. 
   Состав звуковой системы ПК;
3. 
   Принцип работы и технические характеристики звуковых плат;
4. 
   Направления совершенствования звуковой системы;
5. 
   Принцип обработки звуковой информации;
6. 
   Спецификация звуковых систем.

Тема 6.2 Модуль интерфейсов обработки звуковой информации
Студент должен:
иметь представление:

• 
  о звуковой системе ПК

знать:

• 
  состав звуковой подсистемы ПК;
• 
  принцип работы модуля записи и воспроизведения;
• 
  принцип работы модуля синтезатора;
• 
  принцип работы модуля интерфейсов;
• 
  принцип работы модуля микшера;
• 
  организацию работы акустической системы.

Состав звуковой подсистемы ПК. Модуль записи и воспроизведения. Модуля синтезатора. Модуль интерфейсов. Модуль микшера. Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение. Форматы звуковых файлов. Средства распознавания речи.
Методические указания
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).

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.

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.

^ 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.

Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигна­ла и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рисунке 11 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

^ Рисунок 11 - Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала
Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­товании зависит от количества разрядов кодового слова.

^ Рисунок 12 - Дискретизация по времени и квантование по уровню аналого­вого сигнала квантования амплитуды отсчета.
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 рисунке 12. 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 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.

^ Рисунок 13 - Схема цифроаналогового преобразования
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).

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.

Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рисунке 14.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рисунке 15, 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 рисунке 15, б. 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).

Рисунок 15 - Принцип действия современного синтезатора: а - фазы звукового сигнала; 6 - схема синтезатора
Основные характеристики модуля синтезатора:

1. 
   метод синтеза звука;
2. 
   объем памяти;
3. 
   возможность аппаратной обработки сигнала для создания зву­ковых эффектов;
4. 
   полифония - максимальное число одновременно воспроиз­водимых элементов звуков.

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.

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.

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.

Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуко­вой системой и другими внешними и внутренними устройствами.

Интерфейс PCI 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

Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

1. 
   коммутацию (подключение/отключение) источников и при­емников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
2. 
   микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

1. 
   число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
2. 
   регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом ка­нале;
3. 
   регулирование уровня суммарного сигнала;
4. 
   выходная мощность усилителя;
5. 
   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: Joystick/MIDI - для подключе­ния джойстика или MIDI-адаптера; MicIn - для подключения микрофона; LineIn - линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов; LineOut - 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.

Акустическая система (АС) непосредственно преобразует зву­ковой электрический сигнал в акустические колебания и являет­ся последним звеном звуковоспроизводящего тракта. 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.

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.

^ 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 соответствии 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. АС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

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 (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.

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 производят не­большой Chipset, установленный в колонках.
Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Состав звуковой подсистемы ПК;
2. 
   Модуль записи и воспроизведения;
3. 
   Модуля синтезатора;
4. 
   Модуль интерфейсов;
5. 
   Модуль микшера;
6. 
   Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение;
7. 
   Форматы звуковых файлов;
8. 
   Средства распознавания речи.

Практическая работа 8. Звуковая система ПК
Студент должен:
иметь представление:

• 
  о звуковой системе ПК

знать:

• 
  принципы обработки звуковой информации;
• 
  состав звуковой подсистемы ПК;
• 
  основные характеристики звуковых плат

уметь:

• 
  подключать и настраивать звуковые подсистемы ПК;
• 
  производить запись звуковых файлов.

Раздел 7. Устройства вывода информации на печать
Тема 7.1 Принтер
Студент должен:
иметь представление:

• 
  об устройствах вывод информации на печать

знать:

• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать матричного принтера. Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики;
• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать струйного принтера Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики;
• 
  принцип работы устройств вывода информации на печать лазерного принтера Основные узлы и особенности эксплуатации, технические характеристики.

Общие характеристики устройств вывода на печать. Классификация печатающих устройств. Принтеры ударного типа: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.

^ Струйные принтеры: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.

Лазерные принтеры: принцип действия, механические узлы, особенности работы, технические характеристики, правила эксплуатации. Основные современные модели.
Методические указания
Принтеры - устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и фиксирующие эти символы на бумаге.

Классификацию принтеров можно выполнить по целому ряду характеристик:

1. 
   способу формирования символов (знакопечатающие и знак о синтезирующие);
2. 
   цветности (черно-белые и цветные);
3. 
   способу формирования строк (последовательные и параллельные);
4. 
   способу печати (посимвольные, построчные и постраничные)
5. 
   скорости печати;
6. 
   разрешающей способности.

Принтеры обычно работают в двух режимах: текстовом и графическом.

При работе в текстовом режиме принтер принимает от компьютера коды символов, которые необходимо распечатать из знаки генератора самого принтера. Многие изготовители оборудуют свои принтеры большим количеством встроенных шрифтов. Эти шрифты записаны в ROM принтера и считываются только оттуда.

Для печати текстовой информации существуют режимы печати, обеспечивающие различное качество:

• 
  черновая печать (Draft);
• 
  типографское качество печати (NLQ - Near Letter Quality);
• 
  качество печати, близкое к типографскому (LQ - Letter Quality);
• 
  высококачественный режим (SQL - Super Letter Quality).

В графическом режиме на принтер направляются коды, опреде­ляющие последовательности и местоположение точек изображе­нии.

По способу нанесения изображения на бумагу принтеры подразделяются на принтеры ударного действия, струйные, фотоэлектронные и термические.