Поскольку ЭВМ работает с дискретными сигналами - импульсами, а звук представляет собой аналоговый (т.е. непрерывно изменяющийся) сигнал, для ввода звуковых сигналов необходимо их оцифровывать.
Способов оцифровки аналогового сигнала существует много. Рассмотрим три из них.
1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), работающий по принципу измерения напряжения.
2. Время-импульсное кодирование аналогового сигнала (клиппирование).
3. Спектральный анализатор.
Измерительные АЦП имеют следующий принцип действия. Амплитуда аналогового сигнала измеряется через определенные промежутки времени - кванты. Полученные числовые значения являются цифровыми величинами, характеризующими аудиосигнал. Величина промежутков времени, через которые производится измерение амплитуды аудиосигнала называется шагом квантования, а сам процесс называется оцифровкой звука.
Клиппирование аналоговых сигналов заключается в фиксации моментов времени, когда акустический сигнал, увеличиваясь, достигает верхней критической (заранее определенной) амплитуды (BKA) и, уменьшаясь, - нижней критической амплитуды (НКА).
Значения верхней и нижней критических амплитуд подбираются экспериментально. Весь остальной процесс клиппирования выполняется по строгому алгоритму:
при достижении увеличивающимся аналоговым сигналом уровня верхней критической амплитуды фиксируется время, и цифровой выход включается в 1;
при достижении уменьшающимся аналоговым сигналом НКА фиксируется время, а цифровой выход переключается в 0.
По накопленным значениям t и соответствующим им значениям цифрового выхода определяются временные параметры аналогового сигнала: длительность импульсов и длительность пауз, которые и являются цифровыми значениями аналогового сигнала.
Аналого-цифровое преобразование на основе спектрального анализа заключается в том, что звуковые колебания сложной формы раскладываются на ряд гармоник. Частоты и амплитуды, характеризующие гармонические составляющие аудиосигнала, и являются оцифрованным звуком.
Для преобразования звукового сигнала в цифровой код используются специальные устройства ввода.
Для улучшения качества звука применяется дополнительное устройство ПЭВМ - звуковая плата (аудиоплата).
Обычно звуковая плата состоит из трех модулей:
модуля оцифрованного звука;
многоголосого частотного синтезатора (Freguency Modulation Synthesizer);
модуля интерфейсов внешних устройств.
Модуль оцифрованного звука предназначен для цифровой записи, воспроизведения и обработки оцифрованного звука.
В его состав входят аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи и усилитель. Модуль позволяет преобразовывать вводимый аналоговый сигнал в цифровую форму, записывать его в оперативную память ЭВМ, проводить обратное преобразование оцифрованного звука из памяти ЭВМ в аналоговую форму, усиливать его по мощности для последующего вывода на внешний динамик или головные телефоны. В состав модуля часто входит микшер для смешивания сигналов с линейного входа и с микрофона.
Многоголосый частотный синтезатор предназначен для генерации звуковых сигналов сложной формы. Существуют два принципиально различных способа синтеза звуковых сигналов:
частотныйсинтез (FM - Fregueney Modulation);
волновой синтез (WS - Ware Synthesys).
Частотные синтезаторы генерируют звуковые колебания синусоидальной формы заданной частоты и амплитуды, благодаря чему значительно улучшается качество звука (по сравнению с попытками генерировать звук с помощью прямоугольных колебаний). Наличие нескольких генераторов позволяет использовать эти устройства для синтеза сложных звуковых сигналов, в том числе речи.
Волновой синтезатор имеет запоминающее устройство, в которое записаны образцы звучания различных музыкальных инструментов в виде волновых таблиц или алгоритмов. Генерация звука заключается в воспроизведении оцифрованной записи звука, полученной при игре на соответствующем инструменте. Волновые таблицы позволяют учесть особенности звучания различных инструментов, но набор их не является исчерпывающе полным. При работе под Windows результат волнового синтеза оформляется в файлы с расширением "Wav".
Сопряжение ЭВМ с электромузыкальными инструментами осуществляется с помощью интерфейса электромузыкальных инструментов (MIDI - Musical Instruments Digital mterface).
В состав стандарта MIDI входят: стандарт электрический, стандарт на протоколы обмена данными, драйверы устройств и звуковые файлы.
В соответствии со стандартом МШ1 ЭВМ передает в звуковую плату номер музыкального инструмента, номер ноты, характеристику игры музыканта (длительность, сила и способ нажатия клавиши). Эти же данные хранятся и в MTOI-файлах. MTDI-файлы не содержат звуков, в связи с чем по размеру они значительно меньше звуковых файлов. Звуки находятся в звуковых библиотеках. При использовании MIDI-музыки необходимо иметь таблицу музыкальных инструментов (состав таблицы не стандартизован), в которой указываются номера инструментов (используемые затем в MTDI-файлах) и их название.
Основные характеристики звуковой карты - разрядность, частота дискретизации, количество каналов (моно, стерео), функциональные возможности синтезатора, совместимость.
Под разрядностью звуковой карты понимается количество бит, используемых для кодирования цифрового звука.
Частота дискретизации определяет, сколько раз в секунду производится измерение амплитуды аналогового сигнала. Чем больше частота дискретизации, тем точнее оцифрованный звук будет соответствовать исходному. Но при каждом измерении формируется 8 - или 16-битовый код измеренного значения (1 или 2 байта), в связи с чем этот параметр оказывает сильное влияние на требуемый для хранения оцифрованного звука объем памяти. Для записи/воспроизведения речи достаточно иметь частоту дискретизации 6-8 КГц, для музыки среднего качества - 20-25 КГц, для высококачественного звука - не менее 44 КГц.
Звуковые карты, обеспечивающие работу со стереофоническим звуком, имеют два одинаковых канала, тогда как для работы с монозвуком требуется более простая карта. Стереозвук, кроме того, требует вдвое большего объема памяти.
Функциональные возможности карты характеризуют наличие на ней специальных комплектов микросхем: РМ-синтезатора, обеспечивающего частотный синтез звука; WT-синтезатора, обеспечивающего волновой синтез звука (при котором образцы звучания инструментов могут быть записаны в файле вместе с волновыми таблицами (например, формат WAV) или могут находиться в ПЗУ звуковой карты (например, формат MID)). Кроме того, большое значение имеют возможности синтезаторов по обработке звуков (количество голосов, модуляция, фильтрование и др.), наличие аппаратных ускорителей (спецпроцессоров) и аппаратурных средств сжатия - восстановления, возможность загрузки новых образцов звучания инструментов и др.
Совместимость обычно оценивается по отношению к моделям Sound Biaster фирмы Creativ Labs: SB Pro и SB 16. SB Pro - это 8-битовая карта, обеспечивающая запись/воспроизведение одного канала с частотой дискретизации 44.1 КГц либо двух каналов с частотой дискретизации 22.05 КГц, имеет FM - и WT-синтезаторы. SB 16 - 16-битовая карта допускает запись/воспроизведение стереозвука с частотой дискретизации от 8 до 44/1 КГц; имеет автоматическую регулировку уровня записи с микрофона и программную регулировку тембра; в ее состав входят FM - и WT-синтезаторы.
Для сравнения приведем характеристики двух звуковых карт. Карта AMD InterWave имеет 32 голоса, частоту дискретизации до 48 кГц, встроенное ПЗУ емкостью 1 Мбайт с инструментами стандарта General MIDI (GM) и шестью наборами ударных стандарта Roland General Standart (GS). Имеет возможность расширения за счет установки модулей ОЗУ емкостью до 8 Мбайт и эффект - процессора. При наличии ОЗУ обеспечивается аппаратурная совместимость со звуковыми картами GUS (Gravis Ultrasound Standart).
Звуковая карта AWE32 производства Creative Labs предназначена для записи и воспроизведения высококачественного стереозвука, обеспечивает 8 - и 16-битовое кодирование оцифрованного звука, частоту дискретизации от 5 до 44 КГц, имеет программируемый сигнальный процессор, позволяющий работать со звуком в реальном масштабе времени, осуществляющий в этом режиме сжатие и восстановление звуковых файлов, 20-голосый FM-стереосинтезатор, WT-синтезатор, работающий в соответствии со стандартами GM, GS и МТ-32 (Sound Canvas Multi-Timbral-32) ПЗУ, емкостью 1 Мбайт, в котором содержится 128 GM-совместимых инструментов и 10 GS-совместимых наборов ударных инструментов. Карта обеспечивает одновременное воспроизведение 32 голосов, имеет цифровой десятиканальный стереомикшер, оперативное ЗУ емкостью 512 Кбайт для дополнительных пользовательских библиотек звуков (память может быть расширена до 28 Мбайт). Предусмотрена возможность расширения дополнительным табличным синтезатором Wave Biaster II для получения 64-голосовой полифонии и еще 10 наборов ударных. Имеются интерфейс для подключения CDROM, встроенный усилитель мощности (4 Вт на канал), разъем для подключения голосового модема, обеспечивается работа в стандарте PlugSPlay.
Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов; сопровождение фонового процесса звуковыми эффектами способствует возникновению образного представления об особенностях их протекания, информирует пользователя о наступлении ожидаемого события, привлекает к себе внимание и др. (так, о появлении сообщения в электронной почте может информировать звук падающей газеты или защелкивание крышки почтового ящика; перекачка информации может сопровождаться журчанием ручейка,. .).