Музыкальные возможности ПК (стр. 2 из 11)

В популярных сейчас бытовых проигрывателях компакт-дисков используется частота дискретизации 44.1 кГц и отсчеты в 16 двоичных разрядов (65536 фиксированных уровней). В цифровых телефонных линиях применяется 8-разрядная (256 уровней) оцифровка на 8 кГц, а в студийных системах обработки звука - 24-разрядная (16777216 уровней) с частотой 96 кГц. Понятно, что с ростом частоты дискретизации и разрядности отсчета растет и объем данных, занимаемый звуком. Например, один компакт-диск вмещает 74 минуты стереозвучания, однако при записи на нем звука в монофоническом телефонном формате время непрерывного звучания составит более суток.

Самый простой ЦАП делается при помощи так называемой резистивной матрицы, когда все разряды двоичного числа, представляющего отсчет, через резисторы с различным сопротивлением сводятся в одну точку, причем сопротивление резисторов падает с ростом старшинства разрядов двоичного числа. Таким образом, изменение старшего разряда из 0 в 1 и наоборот будет вносить в линию максимальное изменение напряжения, а то же самое в младшем разряде - минимальное, и в случае 8 разрядов разница составит в точности 256 раз. При последовательном переборе всех чисел от 0 до 255 сигнал на выходе будет ступенчато изменяться от нуля до максимума - в 256 раз более плавно, чем простой цифровой переход от 0 к 1.

Лет десять назад на компьютерах IBM PC подобные 8-разрядные ЦАП делались при помощи параллельного порта принтера, имеющего как раз 8 линий данных, а при использовании дополнительных линий управления - и более качественный 12-разрядный. Выводя из программы в порт отсчеты с нужной скоростью, можно получить достаточно чистый звук, сравнимый по качеству с телефоном или дешевым магнитофоном.

Сейчас выпускается широчайший ассортимент звуковых адаптеров, или карт, для всех видов персональных компьютеров, а во многих моделях они являются компонентом системной платы. Современный звуковой адаптер содержит 16-разрядные стереофонические ЦАП и АЦП, работающие на частоте 5..48 кГц, которые передают и получают цифровой звук по каналам прямого доступа к памяти (DMA), без прямого участия программ, которым остается только вовремя забирать готовый оцифрованный фрагмент с АЦП, или подавать очередной цифровой фрагмент на ЦАП. Многие адаптеры могут записывать и воспроизводить звук одновременно, и программа при должном быстродействии может синхронно воспроизводить записанный звук в уже обработанном виде.

1.3. Процессоры DSP (Digital Signal Processing)

В принципе DSP (Рис.3) нужен чтобы разгрузить центральный процессор (CPU) компьютера, да и вообще поменьше от него зависеть. Это делает работу платы устойчивей и позволяет избежать многих проблем совместимости с разными компьютерами.

Обработка цифрового звука - отдельная и весьма обширная область, которая, по

Рис.3.

Процессор-DSP.

сути, сводится к выполнению над числами-отсчетами тех же математических операций, которые в аналоговых устройствах выполняются электронными схемами. Например, усилению или ослаблению соответствует умножение или деление отсчетов, смешиванию двух сигналов - попарное сложение их отсчетов, фазовому сдвигу - задержка одних отсчетов относительно других. Единственная проблема состоит в том, что для выполнения сложных преобразований вроде фильтрования или модуляции требуется очень большое число элементарных числовых операций, которое рядовой компьютер не в состоянии делать синхронно с поступающим сигналом (как говорят - в реальном времени). В таких случаях либо применяются специальные цифровые сигнальные процессоры (DSP), либо обработка проводится основным процессором, но после предварительной записи звука в память или на жесткий диск, с воспроизведением оттуда после окончания обработки. Эта так называемая нелинейная обработка занимает больше времени и не позволяет тут же слышать результат, однако никак не ограничена по сложности и глубине воздействия на звук.

Частным случаем обработки является простой монтаж фонограмм, с которым постоянно сталкиваются операторы самых различных звуковых студий. То, что на обычном магнитофоне делается за минуты, часы и дни путем многократной перезаписи с ленты на ленту, даже на самом простом компьютере занимает считанные секунды или часы, благодаря полному визуальному контролю и точности вплоть до одного цифрового отсчета (при 44.1 кГц - 23 мкс).

Однако компьютер способен не только сохранить и воспроизвести однажды записанный в него звук, даже после цифровой обработки - он может создавать совершенно новые звуки при помощи аппаратного или программного синтеза. Простейший метод синтеза состоит в генерации серии отсчетов и циклическом их воспроизведении, в результате чего получается периодический (тональный) звуковой сигнал. Например, при воспроизведении значений функции sin (x), вычисленных с некоторым шагом в границах периода, получается чистый синусоидальный звуковой сигнал с мягким звучанием и четкой музыкальной высотой; при усложнении вычислительной функции звуковые колебания будут повторять ее график - с точностью до параметров оцифровки и погрешностей ЦАП. График можно и нарисовать прямо на экране при помощи мыши; при этом плавному графику будут соответствовать более мягкие, глухие звуки, а крутому - более резкие, яркие и звонкие.

Если взять какой-либо физический процесс, приводящий к появлению звука - разряд молнии, шум ветра или колебания скрипичных струн - то всегда можно разработать достаточно точную математическую модель этого явления, которая сведется к системе уравнений. Решая эти уравнения, можно получить график звуковых колебаний, возникающих в этом процессе, и затем воспроизвести их. Подобным образом был получен предполагаемый звук московского Царь-Колокола при помощи только его наружных измерений и структурного анализа сплава. Этот метод физического моделирования - самый точный для имитации реальных звуков, однако он же - самый трудоемкий и длительный.

1.4. Частотная модуляция (FM)

Другой, более простой, метод синтеза состоит в генерации синусоидального сигнала, частота которого управляется другими генераторами таких же сигналов - это разновидность частотной модуляции (англ. FM). В результате получается сигнал весьма сложной структуры, тембр которого может меняться в чрезвычайно широких пределах. При достаточном количестве управляющих друг другом генераторов (так называемых операторов) и точном подборе их параметров можно не только синтезировать необычные звуки, но и достаточно точно имитировать звуки природы и музыкальных инструментов. Однако на практике количество операторов не превышает десяти, и разумное управление даже таким небольшим их числом сильно затруднено. В большинстве звуковых адаптеров есть аппаратный FM-синтезатор с двумя или четырьмя операторами, при помощи которого можно синтезировать различные шумы, стуки и звоны, однако для имитации музыкальных инструментов он в силу своей простоты совершенно непригоден.

1.5. Таблично-волновой метод синтеза звуков (Wave table)

Наиболее распространенный сейчас метод синтеза музыкальных звуков - таблично-волновой (wave table - WT). Он заключается в записи характерных фрагментов звучания реальных инструментов - начального и среднего по времени всего звучания ноты - и использования их для синтеза всех прочих звуков, издаваемых этими инструментами. Записанные фрагменты образуют основной тембр инструмента, а различные приемы обработки в реальном времени - изменение частоты, амплитуды, добавление гармоник или их фильтрация - придают тембру оттенки и динамику, свойственные различным приемам игры. Для повышения достоверности имитации берется больше образцов (англ. samples) звучания и выполняется больше работы по их обработке во время синтеза; в простейшем случае таблично-волновой метод вырождается в так называемый сэмплерный, при котором звучание инструмента записывается и воспроизводится целиком от начала до конца. Пионером в реализации WT-синтеза стала в 1984 году фирма Ensoning. Вскоре WT-синтезаторы стали производить такие известные фирмы, как Emu, Korg, Roland и Yamaha.

В качестве образцов звучаний в таблично-волновом и сэмплерном методах могут использоваться и результаты других методов синтеза или обработки. Например, многие модные сейчас "электронные" звучания получены путем сложной обработки различных ударных звуков, звука падения капель и даже скрежета ржавого железа. Путем намеренного огрубления, внесения искажений и дополнительных призвуков изначально мягкие звуки делаются более резкими и пронзительными (яркий пример - дисторшн или овердрайв для гитары), а изначально звонкие и яркие - смягчаются и выравниваются. При помощи даже сравнительно простых операций вроде суммирования сигналов с фазовым сдвигом можно получать совершенно не похожие на оригиналы звуки.

В последнее время все большее число звуковых адаптеров оснащается таблично-волновыми синтезаторами, возможности которых приближаются к профессиональным синтезаторам, используемым на музыкальной сцене. Все они содержат заранее заданный стандартный набор звуков мелодических и ударных инструментов, что позволяет им более-менее похоже исполнять одни и те же музыкальные произведения в нотной форме, а некоторые вдобавок позволяют использовать дополнительные - готовые или самостоятельно созданные - наборы звуков. Все синтезаторы предоставляют возможности по управлению артикуляцией, амплитудной и частотной модуляцией звучания, а наиболее развитые позволяют "на ходу" в широких пределах менять спектр звука, создавать эффекты реверберации, хорового звучания, вращения звука и т.п.

Управляются компьютерные синтезаторы, как и их "старшие братья", при помощи специального музыкального цифрового интерфейса MIDI. Внутри компьютера он представляет собой просто расширение нотной системы записи музыки с дополнительными командами для управления ее исполнением; вдобавок к этому большинство звуковых адаптеров содержит внешний MIDI-интерфейс, к которому можно подключить любое количество клавишных или модульных музыкальных синтезаторов, блоков обработки звука, датчиков, систем освещения и т.п. Компьютер в этом случае выступает в роли "мозгового центра", управляющего всем этим электронным зверинцем - как дома или на дискотеке, так и в профессиональной музыкальной, театральной студии или в концертном зале. В этих областях персональные компьютеры обосновались так же давно и прочно, как в лабораториях математиков и физиков; но самое главное состоит в том, что многие вещи, которые еще недавно были возможны лишь на очень сложной и дорогой аппаратуре, становятся доступны каждому, у кого есть современный персональный компьютер со звуковым адаптером - даже самым простым и дешевым. Достаточно научиться его правильно применять - и для вас уже не будет ничего принципиально невозможного в мире звука.