Автоматизированные системы обработки информации и управления (стр. 15 из 37)
- Звуковая карта с разрядностью 8 или 16 бит и частотой дискретизации 11,22 или 44 Кгц.
- Аналоговый порт ввода/вывода MIDI;
- Совместимость с Microsoft Windows Multimedia Extension.
Вывод: для обеспечения высокой производительности системы такой конфигурации нужен более быстродействующий процессор и винчестер большой емкостью:
- Процессор класса не ниже Celeron 266;
- Не менее 32 Мб RAM;
- Винчестер емкостью не менее 2 Гб;
- Графическая карта с 3D-ускорителем и видеопамятью не менее 4 Мб.
Аудио
С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись новые возможности РС. Появилась новая (звуковая) подсистема РС - комплекс программно-аппаратных средств, предназначенных для:
- Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона. В процессе записи входной аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере;
- Воспроизведение записанных ранее звуковых данных с помощью внешней системы или головных телефонов (наушников) (звуковой сигнал считывается с винчестера, преобразуется из цифрового в аналоговый и направляется к акустической системы);
- Микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников;
- Одновременной записи и воспроизведение звуковых сигналов;
- Обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигналов, фильтрация его уровня и т.п.
- Управление панорамой стереофонического звукового сигнала;
- Обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного - 3D Sound) звучания, что позволяет получить объемное звуковое поле даже при использовании обычной стереофонической акустической системы.
- Генерация с помощью синтезатора звучание музыкальных инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков;
- Управление работой внешних электронных музыкальных инструментов (ЭМИ) через специальный интерфейс MIDI;
- Воспроизведение звуковых компакт-дисков;
Рис. 4.1.1. Звуковая система РС
В классическую звуковую систему (Рис. 4.1.1.) входят;
- Модуль записи и воспроизведения звука;
- Модуль синтезатора;
- Модуль интерфейсов;
- Модуль микшера;
- Акустическая система.
Каждый из модулей может выполняться в виде отдельной микросхемы или входит в состав многофункциональной микросхемы.
4.1.2. Звуковая карта. Назначение, состав и принцип работы
Модуль записи и воспроизведения
Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны сжатия и разряжения, свободно распространяющихся в воздухе или иной среде, поэтому звуковое давление (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.
Чтобы получить звуковой сигнал в аналоговой форме, достаточно воспользоваться микрофоном (Рис. 4.1.2.).
Напомним, что амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а её частота - высоту звукового тона, поэтому для сохранения достоверной информации о звуке амплитуда электрического напряжения должна быть пропорциональна амплитуде звукового сигнала, а его частота должна точно соответствовать частоте колебаний звукового давления.
Чтобы получить звуковой сигнал в цифровой форме, необходимо в дискретные моменты времени измерять значения звукового давления, причем чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить достаточно часто - не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала.
В настоящее время на вход звуковой карты РС в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. А поскольку РС оперирует только цифровыми сигналами, исходный аналоговый сигнал перед использованием должен быть преобразован в цифровой. В свою очередь, акустическая система воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому на выход звуковой карты РС должен выдать звуковой сигнал в аналоговой форме.
Таким образом, модуль записи и воспроизведения звуковой системы как раз и осуществляет аналого-цифровой и цифро-аналоговое преобразование в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA.
Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
4.1.3. Аналого-цифровое преобразование
Преобразование звукового сигнала из аналогового в цифровой происходит в несколько этапов (Рис. 4.1.3.):
Рис. 4.1.3. Схема преобразования звукового сигнала из аналогового в цифровой
Сначала аналоговый звуковой сигнал источника подается на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала;
Далее осуществляется дискретизация, т.е. выборка отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов определяется частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники исходного звукового сигнала. В противном случае оцифрованный звуковой сигнал нельзя преобразовать в аналоговый, точно соответствующий исходному сигналу.
Так как человек способен слышать звуки, частота которых находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, следовательно, максимальная частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц., т.е. отсчеты требуется проводить 40000 раз в секунду. В большинстве современных звуковых подсистем РС максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.
Одновременно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по амплитуде - мгновенные значения амплитуды измеряются и преобразуются в цифровой код. При этом точность измерения зависит от количества разрядов кодового слова. Таким образом, чем выше разрядность, тем ближе к реальному.
Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электронным устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором дискретные отсчеты преобразуются в последовательность чисел, причем поток цифровых данных, представляющий сигнал, включает как полезный, так и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех, полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с высокой крутизной амплитудно-частотной характеристики и малыми фазовыми искажениями.
Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)
Цифро-аналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа (Рис. 4.1.4.).
Рис. 4.1.4. Схема цифро-аналогового преобразования
На первом этапе из потока данных с помощью ЦАП выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой дискретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглаживания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сигнал. Это делает фильтр низкой частоты, который подавляет периодические составляющие спектра дискретного сигнала.
4.1.4. Кодирование звуковых данных. Характеристики модулей записи и воспроизведения.
Кодирование звуковых данных
Чем выше требования к качеству записываемого звука, тем больше должна емкость носителя. Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 кГц, при 16-разрядном квантовании для хранения потребует на винчестере около 10 Мб. Кроме этого повышается требования к производительность (пропускной способности) канала звукозаписи. Таким образом, все это требует существенно снизить объем цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, можно с помощью компрессии, т.е. путем уменьшения количества отсчетов и уровня квантования или числа бит, приходящих на один отсчет.
Выбор метода кодирования при записи звукового фрагмента зависит от набора программ сжатия, установленных в операционной системе РС. Программы аудиосжатия поставляются вместе с программным обеспечением звуковой карты или могут входить в состав операционной системы. Программы аудиосжатия реализуют, например, следующие методы:
- Импульсно-кодовая модуляция;
- Дельта - импульсно-кодовая модуляция;
- Адаптивно разностная дельта-модуляция.
Способ кодирования задается непосредственно перед записью.
Характеристики модуля записи и воспроизведения
Основными характеристиками модуля записи и воспроизведения являются:
- Частота дискретизации;
- Тип и разрядность АЦП и ЦАП;
- Способ кодирования аудиоданных;
- Возможность работы в режиме Full Duplex (возможность осуществлять одновременно запись и воспроизведение звукового сигнала).
4.1.5. Модуль синтезатора. Синтез звука на основе частотной модуляции, таблицы волн, физического моделирования и их характеристики.
Модуль синтезатора
Электромузыкальный цифровой синтезатор (далее - синтезатор) звуковой подсистемы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов.
Принцип синтезирования заключается в воссоздании структуры музыкального тона (ноты) созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал, как правило, имеет несколько временных фаз: атака, поддержка и затухание (Рис. 4.1.5.).