Устройства ввода-вывода звуковых сигналов

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.

Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение. Можно выделить три направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:

 бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых -медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров,...). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем - от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;

 мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов,...); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видеотелеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);

 профессиональные мультимедиа системы - это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты,...), воспроизвести или записать на стандартную звукозаписывающую аппаратуру,...).

Физические основы генерации компьютерного звука

Звук - это механические колебания (вибрация) упругой среды (газ, жидкость, твердое тело).

Чистый звуковой тон представляет собой звуковую волну, подчиняющуюся синусоидальному закону:

у =am* sin(wt) = аm*sin(2пft),

где am - максимальная амплитуда синусоиды; w - частота (w=2пf); f- количество колебаний упругой среды в секунду (f=1\T); Т-период; t - время (параметрическая переменная).

Звук характеризуется частотой (f), обычно измеряемой в герцах, т.е. количеством колебаний в секунду, и амплитудой (у). Амплитуда звуковых колебаний определяет громкость звука.

Человек воспринимает механические колебания частотой 20 Гц - 20 КГц (дети - до 30 КГц) как звуковые. Колебания с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, колебания с частотой более 20 КГц -ультразвуком. Для передачи разборчивой речи достаточен диапазон частот от 300 до 3000 Гц.

Если несколько чистых синусоидальных колебаний смешать, то вид колебания изменится - колебания станут несинусоидальными.

Особый случай, когда смешиваются не любые синусоидальные колебания, а строго определенные, частота которых отличается в два раза (гармоники).

Основная гармоника имеет частоту/, и амплитуду а1; вторая гармоника -частоту f2 и амплитуду а2; третья гармоника соответственно f3 и a3.

Причем f1<f2<f3, а1>а2>а3,

При бесконечном количестве таких гармоник образуется периодический сигнал, состоящий из прямоугольных импульсов .

На слух всякое отклонение от синусоиды приводит к изменению звучания. В IBM PC источником звуковых колебаний является динамик (PC Speaker), воспроизводящий частоты приблизительно от 2 до 8 КГц. Для генерации звука в PC Speaker используются прямоугольные импульсы.

Синусоидальные сигналы в ЭВМ можно получить только с помощью специальных устройств - аудиоплат.

Без таких устройств хорошего качества звучания добиться не удается. Для улучшения качества звучания необходимо к ЭВМ подключить внешнюю аппаратуру. При этом следует преобразовать дискретные сигналы ЭВМ в аналоговые сигналы аудиоаппаратуры. Такое преобразование можно выполнить с помощью схемы цифро-аналогового преобразования (ЦАП), например, реализованной на аналоговом сумматоре, подключаемом к параллельному интерфейсу Centronics (LPT1 или LPT2).

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.

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:

 частотный синтез (FM - Fregueney Modulation);

 волновой синтез (WS - Ware Synthesys).

Модуль интерфейсов внешних устройств может включать в себя интерфейс для подключения CD ROM, игровой порт и др.

Основные характеристики звуковой карты - разрядность, частота дискретизации, количество каналов (моно, стерео), функциональные возможности синтезатора, совместимость.

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.