3.2. Звуковой тракт

Звуковая система персонального компьютера содержит каналы записи и воспроизведения звука, которые могут быть или совмещены, или выполнены в виде отдельных устройств.

В самом простом случае, например, при записи звук, звуковой тракт звуковой карты можно представить (рис.1) из микрофона, усилителя, регуляторов тембра, регулятора громко­сти звука и громкоговорителя.

Рис.1

Совокупность электрически связанных устройств, предназначенных для передачи соответствующих звуку электрических сигналов от их источника к приемнику, называется звуковым трактом или звуковым каналом.

Для преобразования колебаний звукового давления в электрический сигнал используется микрофон. Далее сигнал по проводникам передается к приемнику. На приемной сто­роне электрический сигнал с помощью акустической системы преобразу­ется в звук.

При воспроизведении звука будет иметь место обратный процесс — преобразование изменений физических (механических, магнитных, опти­ческих и т. п.) свойств носителя звука в соответствующие им акустические процессы.

Несмотря на все разнообразие моделей звуковых карт, их возможностей, качества звука и размеров все они имеют примерно одну структуру и основные блоки.

3.3. Структура звуковой карты

Звуковая карта начинается со входов (Рис.2.), которые расположены на металлической панели, выходящей на заднюю стенку системного блока. Ко входам подключаются внешние аудиоустройства - микрофоны, магнитофоны, электрогитары и т.д. На рис. 2 показаны 4 входа.

Рис.2

Линейный вход (Line in) платы. Этот входной разъем используется при микшировании или записи звукового сигнала, поступающего от внешней аудиосистемы на жесткий диск.

Микрофонный вход, или вход монофонического сигнала. К этому разъему подключается микрофон для записи на диск голоса или других звуков. Запись с микрофона является монофонической. Для повышения качества сигнала во многих звуковых платах используется автоматическая регулировка усиления (Automatic Gain Control — AGC). Уровень входного сигнала при этом поддерживается постоянным и оптимальным для преобразования.

Разъем для джойстика/MIDI. Для подключения джойстика используется 15-контактный D-образный разъем. Два его контакта можно использовать для управления устройством MIDI, например клавишным синтезатором. (В этом случае необходимо приобрести Y-образный кабель.) Некоторые звуковые платы для устройств MIDI имеют отдельный разъем. В современных компьютерах порт для джойстика может иногда находиться на системной плате или на отдельной плате расширения. В этом случае при подключении игрового контроллера необходимо уточнить, какой именно используется в текущей конфигурации операционной системы. В некоторых новейших аудиоадаптерах и встроенных звуковых системах этот разъем отсутствует, поскольку новое поколение игровых манипуляторов подключается к разъему USB

Вход Aux. Обеспечивает подключение к звуковой карте других источников сигнала, например телетюнера.

Порт USB. Позволяет подключать звуковую плату к акустической системе USB, игровым контроллерам и другим USB-устройствам.

Вход СD-in. Многие звуковые платы имеют специальный 4-контактный разъем для подключения ко внутреннему накопителю CD-ROM. Подобное соединение позволяет передавать аудиосигналы с дисковода CD-ROM непосредственно к аудиоадаптеру и прослушивать аудиокомпакт-диски через акустическую систему.

Данные по этому внутреннему разъему не передаются на шину компьютера. При установке CD-ROM, CD-RW, дисковода DVD или нового звукового адаптера не забудьте соединить дисковод и звуковую плату с помощью внутреннего кабеля; в противном случае могут возникнуть проблемы с воспроизведением музыкальных компакт-дисков или звуковым сопровождением некоторых игр.

Линейный выход (Line-out) платы. Сигнал с этого разъема можно подать на внешние устройства — акустические системы, наушники или вход стереоусилителя, с помощью которого сигнал можно усилить до определенного уровня.

Простейшая однокристальная карта состоит из трех функционально независимых узлов, составляющих три основных устройства большинства звуковых карт:

1. Узел цифрового тракта.

2. Узел аналогового микшера. выполняющего смешивание сигналов с двух предыдущих узлов, а также с линейного и микрофонного входов карты.

3. Узел музыкального синтезатора.

Узел цифрового тракта.

Ответственен за преобразование звука из аналоговой формы в цифровую и обратно, а также обмен цифровым потоком с центральным процессором или памятью компьютера.

В состав звуковой платы входит небольшая микросхема — аналого-цифровой преобразователь, или АЦП (Analog-to-Digital Converter — ADC), который при записи преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, понятную компьютеру. Аналогично при воспроизведении цифроаналоговый преобразователь (Digital-to-Analog Converter — DAC) преобразует аудиозапись в звук, который способен воспринимать человек.

Поскольку компьютер оперирует данными, представленными в цифро­вой форме, звуковой тракт ПК содержит участок, в котором звуковой сигнал представлен в аналоговой форме, и участок, в котором звуковой сигнал пред­ставлен в цифровой форме (рис.3).

Мвх, Мвых –микшеры входа и выхода;

РУ –регулятор уровня

Рис.3

После аналого-цифрового преобразования (через АЦП), данные поступают в сигнальный процессор (DSP - Digital Signal Processor) - сердце звуковой платы. Этот процессор управляет обменом данными со всеми остальными устройствами компьютера через шину PCI, преимущество которой заключается в высокой пропускной способности и прямым доступом к оперативной памяти.

Если центральный процессор выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера (это зависит от выполняемой программы). Если в дальнейшем присвоить этим данным любое имя - получится звуковой файл.

Узел аналогового микшера

Микшер (в буквальном переводе с английского «смешиватель»), осуществляет суммирование сигналов, поступающих из разных источников. Например, микшер при записи позволяет суммировать звуковые сигналы, поступающие от микрофона и привода компакт-диска. С помощью регулятора уровня -РУ микшера можно изме­нять уровень каждого поступающего на его вход сигнала, определяя тем са­мым вклад этого сигнала в суммарный.

Схемотехнически микшер представляет собой многовходовой аналоговый сумматор с управляемыми коэффициентами усиления по каждому входу, за счет чего он может объединять звук с разных источников карты в одну выходную линию с независимой регулировкой как всех входных, так и выходного уровня и стереобаланса.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы (Рис. 1). Он работает точно так же, как и обычные пульты, с той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект служебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки Windows .

Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. Следует помнить, что цифровая техника очень чувствительна к превышению уровня 0 дБ - при этом возникают неприятные искажения. Слишком же низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента. То есть любая работа по записи живого звука в домашней студии будет начинаться именно с регулировки уровня сигнала при помощи входного микшера звуковой карты.

Узел музыкального синтезатора.

Практически на всех картах устанавливается не один, а два синтезатора: FM (Frequency Modulation - частотная модуляция) и WT (WaveTable - таблица волн)- для получения качественного звука. Именно эти синтезаторы показаны на рисунке 2.

FM-синтезаторы звуковых плат звучат не очень хорошо. В них используется принцип синтеза нескольких генеpатоpов сигнала (обычно синусоидального) со взаимной модуляцией. Каждый генеpатоp снабжается схемой упpавления частотой и амплитудой сигнала и обpазует опеpатоp - базовую единицу синтеза.

Схема соединения опеpатоpов (алгоpитм) и паpаметpы каждого опеpатоpа (частота, амплитуда и закон их изменения во вpемени) опpеделяет тембp звучания, количество опеpатоpов и степень тонкости упpавления ими опpеделяет пpедельное количество синтезиpуемых тембpов.

В музыкальных приложениях такие синтезаторы не применяются - они нужны исключительно для звукового сопровождения игр. Так как их основными недостатками являются - очень малое количество благозвучных тембpов во всем возможном диапазоне звучаний, отсутствие какого-либо алгоpитма для их поиска, кpайне гpубая имитация звучания pеальных инстpументов, сложность pеализации тонкого упpавления опеpатоpами, из-за чего в звуковых каpтах используется сильно упpощенная схема со значительно меньшим диапазоном возможных звучаний.

Мультимедийные Wave Table синтезаторы (GF1, WaveFront, EMU8000 и т.п.), позволяют получить более приличный звук. Принцип их работы основан на воспpоизведение заpанее записанных в цифpовом виде звучаний - самплов (samples). Инстpументы с малой длительностью звучания обычно записываются полностью, а для остальных может записываться лишь начало/конец звука и небольшая сpедняя часть, котоpая затем пpоигpывается в цикле в течение нужного вpемени. Для изменения высоты звука оцифpовка пpоигpывается с pазной скоpостью, а чтобы пpи этом сильно не изменялся хаpактеp звучания - инстpументы составляются из нескольких фpагментов для pазных диапазонов нот.

Большинство плат содеpжит встpоенный набоp инстpументов в ПЗУ, некотоpые платы позволяют дополнительно загpужать собственные инстpументы в ОЗУ..

На Рис.2 можно видить, что у Wave Table синтезатора есть не только постоянная память (ROM), но и оперативная (RAM). Оперативной памятью обладают семплеры, и используется она для загрузки любых звуковых файлов, которые проигрываются с разной высотой при нажатии клавиш на подключенной клавиатуре или поступлении команд от секвенсера. То есть Wave Table синтезатор, имеющий оперативную память помимо постоянной - это ни что иное, как комбинация синтезатора и семплера, которая может выполнять функции обоих устройств. Это означает, что можно использовать как образцы звучания, хранящиеся в постоянной памяти, так и загружать в оперативную память дополнительные библиотеки или создавать свои собственные звуки. Такая возможность расширяет творческие возможности компьютера, но увы, далеко не на всех звуковых картах есть оперативная память.

Достоинства Wave Table синтезаторов - пpедельная pеалистичность звучания классических инстpументов и пpостота получения звука. Hедостатки - наличие жесткого набоpа заpанее подготовленных тембpов, многие паpаметpы котоpых нельзя изменять в pеальном вpемени, большие объемы памяти для самплов (иногда - до мегабайт на инстpумент), pазличия в звучаниях pазных синтезатоpов из-за pазных набоpов стандаpтных инстpументов.

Чтобы синтезаторы, установленные на звуковой карте можно было использовать в качестве музыкальных инструментов к MIDI/джойстик порту (Блок MPU) подключают либо MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры. Сигналы, поступающие с клавиатуры, подаются в процессор (Рис.2), который направляет их либо через системную шину к центральному процессору, либо к синтезаторам звуковой карты. Путь MIDI-сигнала зависит от выполняющихся программ и можно коммутировать MIDI порты и устройства произвольным образом.

Каждый из синтезаторов, установленных на звуковой карте имеет свой собственный ЦАП. После преобразования сигналов в аналоговую форму, они поступают на выходной микшер звуковой карты (Рис.2). Такая возможность оказывается крайне полезной при окончательном микшировании композиций, записанных при помощи компьютера. А итоговый микс поступает на линейный выход (Line Out), который так же, как и входы находится на задней панели звуковой карты.

Чтобы работать с современными музыкальными программами звуковая карта должна поддерживать запись в режиме full duplex [фулл дуплекс]. При записи в этом режиме сигнальный процессор одновременно может работать с двумя потоками цифровых аудиоданных: идущих с АЦП через шину к другим устройствам компьютера, и поступающих с жесткого диска на ЦАП. То есть режим full duplex - это запись одновременно с воспроизведением. Благодаря этому режиму можно использовать звуковую карту как многоканальный магнитофон.

Процессоры цифровой обработки сигналов

Во многих звуковых платах используются процессоры цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor — DSP). Благодаря им платы стали более "интеллектуальными" и освободили центральный процессор компьютера от выполнения таких трудоемких задач, как очистка сигналов от шума и сжатие данных в реальном времени, преобразование текста в речь и синтез так называемого трехмерного звучания.