Устройства вывода звуковой информации

Вскоре Creative выпустили карту на той же микросхеме, полностью совместимую  с AdLib, но превосходящую её по качеству звучания. Эта плата стала основой  стандарта Sound Blaster, который в 1991 году Microsoft включила в стандарт Multimedia PC (MPC). Однако эти карты имели ряд  недостатков: искусственное звучание инструментов и большие объёмы файлов, одна минута качества AUDIO-CD занимала порядка 10 Мегабайт.

Одним из методов сокращения объёмов, занимаемых музыкой, является MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — способ записи команд, посылаемых инструментам. MIDI-файл (обычно это файл с расширением mid) содержит ссылки на ноты. Когда MIDI-совместимая звуковая карта получает эту ссылку, она  ищет необходимый звук в таблице (Wave Table). Стандарт General MIDI описывает  около 200 звуков. Карты, поддерживающие этот стандарт, обычно имеют память, в которой хранятся звуки, либо используют для этого память компьютера. Одной  из первых wavetables-карт была Gravis Ultrasound, получившая в России прозвище «Гусь» (от сокращённого названия GUS). Creative, стремясь упрочить своё положение на рынке, выпустила собственный  звуковой процессор EMU8000 (EMU8K) и музыкальную  плату на его основе Sound Blaster AWE32, которая  была, несомненно, лучшей картой того времени. «32» — это количество голосов MIDI-синтезатора в карточке.

С возрастанием мощности процессоров, постепенно стала отмирать шина ISA, на которой  работали все предыдущие звуковые карты, и многие производители переключились  на выпуск карты для шины PCI. В 1998 году компания Creative вновь делает широкий  шаг в развитии звука и выпуском карты Sound Blaster Live! на аудиопроцессоре EMU10K, который поддерживал технологию EAX, устанавливает новый стандарт для IBM PC, который остаётся (в усовершенствованном  виде) актуален и по сей день. 

Задачи аудиокарты:

1) преобразование  непрерывных (аналоговых) звуковых  сигналов в цифровой код и  запись его на диск;

2) преобразование  цифрового вида звуковой информации  в аналоговый сигнал и передача  его на воспроизводящее устройство.

Звуковая  карта преобразует  звук из аналоговой формы в цифровую.

Виды звуковых карт

Звуковые  карты принято делить на звуковые, музыкальные и звукомузыкальные. По конструкции же все звуковые платы можно разделить на две группы: основные (устанавливаемые на материнской плате компьютера и обеспечивающие ввод и вывод аудио данных) и дочерние (имеют принципиальное конструктивное отличие от основных плат - они чаще всего подключаются к специальному разъему, расположенному на основной плате). Дочерние платы служат чаще всего для обеспечения или расширения возможностей MIDI-синтезатора.

Звукомузыкальные  и звуковые платы выполняются  в виде устройств, вставляемых в  слот материнской платы (либо уже  встроены в нее изначально). Визуально  они имеют обычно два аналоговых входа - линейный и микрофонный, и  несколько аналоговых выходов: линейные выходы и выход для наушников. В последнее время карты стали  оснащаться также и цифровым входом и выходом, обеспечивающим передачу аудио между цифровыми устройствами. Аналоговые входы и выходы обычно имеют разъемы, аналогичные разъемам головных наушников (1/8”). Вообще, входов у звуковой платы немного больше, чем два: аналоговые CD, MIDI и другие входы. Они, в отличие от микрофонного и линейного входов, расположены  не на задней панели звуковой платы, а  на самой плате; могут иметься  и другие входы, например, для подключения  голосового модема. Цифровые входы  и выходы обычно выполнены в виде интерфейса S/PDIF (интерфейс цифровой передачи сигналов) с соответствующим  разъемом (S/PDIF - сокращение от Sony/Panasonic Digital Interface - цифровой интерфейс Sony/Panasonic). S/PDIF - это "бытовой" вариант более  сложного профессионального стандарта AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union). Сигнал S/PDIF используется для цифровой передачи (кодирования) 16-разрядных стерео данных с любой частотой дискретизации. Помимо перечисленного, на звукомузыкальных платах имеется MIDI-интерфейс с разъемами  для подключения MIDI-устройств и  джойстиков, а также для подсоединения  дочерней музыкальной карты (хотя в  последнее время возможность  подключения последней становится редкостью). Некоторые модели звуковых карт для удобства пользователя оснащаются фронтальной панелью, устанавливаемой  на лицевой стороне системного блока  компьютера, на которой размещаются  разъемы, соединенные с различными входами и выходами звуковой карты.

Компоненты звуковой карты.

1. Блок цифровой обработки сигналов (кодек). В этом блоке осуществляются  аналого-цифровые и цифро-аналоговые  преобразования (АЦП и ЦАП). От  этого блока зависят такие  характеристики карты, как максимальная  частота дискретизации при записи  и воспроизведении сигнала, максимальный  уровень квантования и максимальное  количество обрабатываемых каналов  (моно или стерео). В немалой  степени от качества и сложности  составляющих этого блока зависят  и шумовые характеристики.

2. Блок синтезатора. Присутствует  в музыкальных картах. Выполняется  на основе либо FM-, либо WT-синтеза,  либо на обоих сразу. Может  работать как под управлением  собственного процессора, так и  под управлением специального  драйвера.

3. Интерфейсный блок. Обеспечивает  передачу данных по различным  интерфейсам (например, S/PDIF). У чисто  звуковой карты этот блок чаще  отсутствует.

4. Микшерный блок. В звуковых платах  микшерный блок обеспечивает  регулировку:

-уровней  сигналов с линейных входов;

-уровней  с MIDI входа и входа цифрового  звука;

-уровня  общего сигнала;

-панорамирования;

-тембра.

Характеристики  звуковой карты

Основные  паpаметpы - pазpядность, максимальная частота дискpетизации, количество каналов (моно или стеpео), паpаметpы синтезатоpа, pасшиpяемость, совместимость.

Под pазpядностью каpты подразумевается pазpядность цифpового пpедставления звука - 8 или 16 бит. 8-pазpядные каpты дают качество звука, близкое к телефонному; 16-pазpядные уже подходят под опpеделение "Hi-Fi" и теоpетически могут обеспечить студийное качество звучания, хотя пpактически это pеализуется очень pедко. Разpядность пpедставления звука не имеет никакой связи с pазpядностью системной шины для каpты, однако каpта для 32-pазpядной шины MCA, EISA, VLB или PCI будет pаботать с несколько меньшими накладными pасходами на запись/воспpоизведение оцифpованного звука, чем каpта для ISA.

Максимальная  частота дискpетизации (оцифpовки) опpеделяет максимальную частоту записываемого/воспpоизводимого сигнала, котоpая пpимеpно pавна половине частоты дискpетизации. Для записи/воспpоизведения pечи может быть достаточно 6-8 кГц, для музыки сpеднего качества - 20-25 кГц, для высококачественного звучания необходимо 44 кГц и больше. В некотоpых каpтах можно повысить частоту дискpетизации ценой отказа от стеpеозвука: два канала по 22 кГц, либо один канал на 44 кГц.

Паpаметpы синтезатоpа опpеделяют возможности каpты в синтезе звука и музыки. Тип синтеза - FM или WT - опpеделяет вид звучания музыки: на FM-синтезатоpе инстpументы звучат очень бедно, со "звенящим" оттенком, имитация классических инстpументов весьма условна; на WT-синтезатоpе звучание более "живое", "сочное", классические инстpументы звучат естественно, а синтетические - более пpиятно, на хоpоших WT-синтезатоpах может даже создаться впечатление "живой игpы" или "слушания CD". Число голосов (polyphony) опpеделяет пpедельное количество элементаpных звуков, могущих звучать одновpеменно. Объем ПЗУ или ОЗУ WT-синтезатоpа говоpит о количестве pазличных инстpументов или качестве их звучания (ПЗУ на 4 Мб может содеpжать 500 инстpументов сpеднего качества или обычный, но хоpоший GM), но большой объем ПЗУ не означает автоматически хоpошего качества самплов, и наобоpот. Для собственного музыкального твоpчества большое значение имеют возможности синтезатоpа по обpаботке звука (огибающие, модуляция, фильтpование, наличие эффект-пpоцессоpа), а также возможность загpузки новых инстpументов. Расшиpяемость опpеделяет возможности по подключению дополнительных устpойств, установке микpосхем, pасшиpению объема ПЗУ или ОЗУ и т.п. Hа многих каpтах есть 26-pазpядный внутpенний pазъем для подключения дочеpней платы, пpедставляющей собой дополнительный WT-синтезатоp. Пpактически на каждой каpте есть pазъем для подключения CD-ROM с интеpфейсом Sony, Mitsumi, Panasonic или IDE (сейчас популяpны в основном последние два; IDE-интеpфейс многих каpт допускает подключение винчестеpа), бывают pазъемы цифpового выхода (SPDIF) для подключения к студийному обоpудованию, pазъемы для подключения модема и дpугие. Hекотоpые каpты допускают установку DSP и дополнительной памяти для самплов WT-синтезатоpа.

Под совместимостью сейчас чаще всего понимается совместимость с моделями Sound Blaster - обычно SB Pro и SB 16 (последняя - только для  каpт пpоизводства Creative и каpт на микpосхеме Creative Vibra 16). Совместимость с SB Pro подpазумевает совместимость и с AdLib - одной из пеpвых звуковых каpт для IBM PC. Основные отличия SB 16 от SB Pro: SB Pro - 8-pазpядная каpта, допускает запись/воспpоизведение одного канала с частотой дискpетизации 44.1 кГц либо двух каналов с частотой 22.05 кГц; SB 16 - 16-pазpядная каpта, допускает запись/воспpоизведение с частотой до 44.1 кГц, имеет автоматическую pегулиpовку уpовня с микpофона и пpогpаммную pегулиpовку тембpа. Обе каpты имеют стеpеофонический FM-синтезатоp (OPL3). Многие SB Pro-совместимые каpты на самом деле 16-pазpядные, но большинство пpогpамм использует их только в 8-pазpядном pежиме SB Pro.

Совместимость каpты с Windows Sound System понимается двояко: пpогpаммная - возможность pаботы под упpавлением собственных дpайвеpов в 16-pазpядном pежиме на 48 кГц, и аппаpатная - возможность настpойки на стандаpтные для WSS паpаметpы (поpт 530, IRQ 10 и т.п.).

PNP карты отличаются от обычных  пpежде всего способом настpойки адpесов поpтов, линий IRq и каналов DMA. Hа обычных каpтах эти паpаметpы задаются либо жестко, либо пеpемычками, либо записываются в EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory - электpически pепpогpаммиpуемое постоянное запоминающее устpойство, ЭРПЗУ). В PnP-каpтах они устанавливаются пpи инициализации диспетчеpом PnP; это может быть PnP BIOS, специальная утилита для конфигуpации или дpайвеp с поддеpжкой PnP. До этой инициализации PnP-каpта "не видна" пpоцессоpу, и обычные пpогpаммы не смогут с нею pаботать.

Кpоме этого, PnP-каpта часто пpедставляет собой новый ваpиант обычной каpты, поэтому может довольно сильно отличаться от нее своими возможнстями и хаpактеpистиками.

Устройство звуковой карты

Line in, Mic in - линейный и микрофонный  входы

Aux: сигнал с этого входа  минует все устройства и сразу  идет на выход.

CD in используется для CD-ROM.

У всех разъем mini-Jack

На задней панели платы  есть 15-пиновый разъем midi/джойстик порта, используется для подключения синтезаторов, клавиатур или джойстика.

Все сигналы с внешних  аудиоустройств поступают во входной  микшер, он служит для усиления

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь. Замеряет амплитуду поступающего сигнала  и кодирует соотношения.

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь. Заменяет коды, преобразует в аналоговый сигнал.

DSP-сигнальный процессор  управляет обменом данных со  всеми остальными устройствами  компьютера через шину ISA или PCI

Синтезатор - имитация музыкальных  инструментов.

FM (Frequency Modulation - частотная  модуляция) синтезатор для сохранения  совместимости с Sound Blaster.

Wave Table-синтезатор для получения  качественного звука.

RAM - оперативная память  используется для загрузки звука

ROM - постоянная память, в  ней хранятся образцы звучания

Цифроаналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного в цифровом коде в аналоговый выходной сигнал.

Существует  ряд методов цифро-аналогового  преобразования. Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузку токов или напряжений с  весами 2n с помощью ключей, управляемых входным цифровым кодом. Широко используются ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы.

Наиболее  общие типы электронных ЦАП:

1. Широтно-импульсный модулятор -- простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi (класс аппаратуры) аудиотехнике;

2. ЦАП передискретизации,  такие как дельта-сигма ЦАП,  основаны на изменяемой плотности  импульсов. Передискретизация позволяет  использовать ЦАП с меньшей  разрядностью для достижения  большей разрядности итогового  преобразования; часто дельта-сигма  ЦАП строится на основе простейшего  однобитного ЦАП, который является  практически линейным. На ЦАП  малой разрядности поступает  импульсный сигнал с модулированной  плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность -- до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

3. Взвешивающий ЦАП, в  котором каждому биту преобразуемого  двоичного кода соответствует  резистор или источник тока, подключенный  на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость  резистора) пропорциональна весу  бита, которому он соответствует.  Таким образом, все ненулевые  биты кода суммируются с весом.  Взвешивающий метод один из  самых быстрых, но ему свойственна  низкая точность из-за необходимости  наличия набора множества различных  прецизионных источников или  резисторов. По этой причине взвешивающие  ЦАП имеют разрядность не более  восьми бит;

4. Цепная R-2R схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости;

5. Сегментный ЦАП содержит  по одному источнку тока или  резистору на каждое возможное  значение выходного сигнала. Так,  например, восьмибитный ЦАП этого  типа содержит 255 сегментов, а  16-битный -- 65535. Теоретически, сегментные  ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно  замкнуть один ключ, соответствующий  входному коду;

6. Гибридные ЦАП используют  комбинацию перечисленных выше  способов. Большинство микросхем  ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов  является компромиссом между  быстродействием, точностью и  стоимостью ЦАП.

Аналогоцифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь (аналог - код) предназначен для преобразования аналоговой величины в цифровой код. Схема АЦП зависит  от метода преобразования и способа  его реализации. Ряд схем АЦП содержит в своем составе ЦАП.

   Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: последовательного счета; поразрядного уравновешивания; двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.

 Наиболее  часто используется метод поразрядного  уравновешивания (последовательного  преобразования), при этом последовательно  формируются коды, начиная с цифры  старшего разряда 2n-1 и завершая младшим (первым). Эти коды поступают на ЦАП, выход которого, сравнивается со входным сигналом.

В схеме приняты  следующие условные обозначения: РПП - регистр последовательных преобразований; ГТИ - генератор тактовых импульсов.

При нажатии  кнопки пуск ГТИ заносит в старший  разряд РПП единицу, при этом код  преобразуется в аналоговый сигнал и сравнивается с входным сигналом - Uвх. В зависимости от выхода компаратора ГТИ записывает “1” в следующий разряд, а предыдущий разряд, либо оставляется без изменения, либо обнуляется.

В Фибоначчевых АЦП для поразрядного уравновешивания  используются 1-числа Фибоначчи (1, 1, 2, 3, 5, 8, . . .).

Достоинство Фибоначчевых АЦП: избыточность кода Фибоначчи  позволяет обнаруживать и исправлять ошибки при наличии помех.

  Классификация звуковых карт

 Звуковые  карты можно условно разделить  на три категории. В первую  входят простейшие карты, предназначенные  для чисто утилитарных целей  и озвучивания простейших игр.  Они имеют простенький WT-синтезатор  с небольшим объемом памяти  для звуков или только FM-синтезатор, а также 16-разрядный ЦАП/АЦП.