Реферат: Музыкальные возможности ПК
ВВЕДЕНИЕ
Мультимедиа (multimedia) — это современнаякомпьютерная информационная технология, позволяющая объединить в компьютернойсистеме текст, звук, видеоизображение, графическое изображение ианимацию(мультипликацию). Мультимедиа — это сумма технологий, позволяющихкомпьютеру вводить, обрабатывать, хранить, передавать и отображать (выводить)такие типы данных как текст, графика, анимация, оцифрованные неподвижныеизображения, видео, звук и речь.
Для построения мультимедиа системы необходима дополнительнаяаппаратная поддержка: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи дляперевода аналоговых аудио и видео сигналов в цифровой эквивалент и обратно,видеопроцессоры для преобразования обычных телевизионных сигналов к виду,воспроизводимому электронно-лучевой трубкой дисплея, декодеры для взаимногопреобразования телевизионных стандартов, специальные интегральные схемы длясжатия данных в файлы допустимых размеров и так далее. Все оборудованиеотвечающее за звук объединяются в так называемые звуковые карты, а за видео ввидео карты. Дальше рассматривается подробно и в отдельности об устройстве ихарактеристиках звуковых карт, стандартах сжатия звука и некоторомспециализированном программном обеспечении.
С течением времени перечень задач выполняемых на ПК вышел зарамки просто использования электронных таблиц или текстовых редакторов. Компакт- диски со звуковыми файлами, подготовка мультимедиа презентаций, проведениевидео конференций и телефонные средства, а также игры и прослушивание аудио CDдля всего этого необходимо чтобы звук стал неотъемлемой частью ПК. Для этогонеобходима звуковая карта Рис.2.
Мы все уже привыкли к тому, что современный персональныйкомпьютер может издавать весьма разнообразные звуки. Вначале они могли толькогудеть и пищать на разные лады, затем появились программы, произносящие вполнеотчетливые слова и играющие отдаленное подобие музыки, слушаемой черезводосточную трубу; компьютерные игры довольно быстро научились даже при помощивстроенного громкоговорителя (рис.1) издавать что-то вроде выстрелов и взрывов.А теперь повсеместное распространение недорогих звуковых карт позволиловоспроизводить с их помощью любые теоретически возможные звуки. Однако вбольшинстве случаев мы с вами слышим только те звуки, которые были, как говорится,заложены при разработке той или иной программы, а между тем многим хочетсягораздо большего. Все это вполне возможно — при наличии требуемых аппаратныхсредств и/или программ, а главное — знаний о способах извлечения нужных звуковиз такого вроде бы немузыкального устройства, как компьютер, так как компьютерпо первоначальному определению это устройство для хранения, обработки ипередачи информации.
<img src="/cache/referats/16062/image002.jpg" v:shapes="_x0000_s1036">
Рис.1.
Встроенный динамик PC-Speaker.
<img src="/cache/referats/16062/image004.jpg" v:shapes="_x0000_s1037">
Рис.2.
Мультимедийный комплекс.
Компьютеры не задумывались своими создателями как устройства для занятиймузыкой. Их изначальное предназначение типично для любой полезной машины — освободить человека от тяжелой и монотонной работы. В данном случае речь идетоб умственной деятельности рутинного характера, связанной с громоздкимивычислениями и сортировкой большого количества данных. Просто так уж случилось,что многие профессионалы в разных сферах, любящие и хорошо понимающие то, чемони занимаются, сумели воспользоваться присущей вычислительным машинамуниверсальностью и использовать ее для пользы своего дела. Легендарный МаксМэтьюз из Bell Laboratoriesначал заниматься машинным синтезом звука еще в 60-е годы, когда компьютерзанимал целый этаж, и вряд ли вызывал у большинства музыкантов приливтворческого вдохновения. Видимо, создатель программы Music 4 достаточно хорошопредставлял, что ему нужно от жизни и от вычислительной машины.
<span Arial",«sans-serif»">Цельюкурсовой работы является закрепление и углубление теоретических знаний иприобретение практических навыков по изучаемой дисциплине и смежнымдисциплинам.
<span Arial",«sans-serif»">Задачаданной курсовой работы – рассказать о наиболее известных программах для работысо звуком, об их преимуществах, показать простоту работы с профессиональным программнымобеспечением. Научиться работать с наиболее популярным музыкальным программнымобеспечением.
<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">1.ОБЗОР ЗВУКОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПК
1.1. Возможности встроенного динамика (PC-Speaker)
Представим себе батарейку, которая через регулятор (дляудобства — прямолинейный, а не круглый) подключена к динамику акустическойсистемы. При перемещении регулятора диффузор динамика будет аналогичноперемещаться между своим нейтральным положением и точкой максимальногоотклонения, в точности повторяя движения ползунка и изменение электрическоготока в цепи. В таком случае говорят, что имеет место аналоговая передача звука, котораяиспользуется почти во всей звуковой аппаратуре. Таким образом, перемещаяползунок с нужной скоростью, мы можем заставить динамик издать любой нужный намзвук — вся проблема только в скорости перемещения ползунка.
В компьютерах, как известно, используется цифровойпринцип передачи информации: электрические сигналы могут принимать только двасостояния — 0 и 1, что соответствует минимальному и максимальному уровнямнапряжения. Графики электрических сигналов при этом даже отдаленно ненапоминают, например, график изменения яркости картинки на мониторе илитраекторию перемещения мыши, поскольку аналоговые сигналы закодированыв цифровых. Подключив динамик к выходу цифровой схемы, мы можем привести егодиффузор только в одно из двух возможных положений; если теперь переключатьцифровой сигнал со звуковой частотой — мы услышим знакомое гудение или пискразной высоты. Именно так и было реализовано управление встроенным динамиком всамых первых персональных компьютерах, таким же оно осталось и в их современныхмоделях — программа либо программирует генератор импульсов на их повторение снужной частотой, либо сама переключает цифровой сигнал на динамике. Изменяячастоту следования импульсов, можно повышать или понижать тон звука, однакоболее приятных звуков таким способом извлечь невозможно. Такой способуправления называется частотной модуляцией (ЧМ/FM).
Однако кое-что все-таки можно сделать, вспомнив, что диффузординамика имеет инерцию и из-за нее не может перемещаться со скоростью,сравнимой со скоростью изменения цифровых сигналов в компьютере. Если подать нанего цифровой сигнал из равномерно меняющихся 0 и 1 с частотой более 20 килогерц — диффузор будет излучать неслышимый ультразвук, сила которого будет очень быстропадать с ростом частоты, и уже на нескольких десятках килогерц диффузорпрактически перестанет двигаться. Однако если изменение между 0 и 1 будет неравномерным,то диффузор уже не сможет оставаться на месте, однако и не будет колебаться вточном соответствии с цифровым сигналом. Можно сказать, что удержание одного изуровней на выходе схемы ускоряет движение диффузора в выбранном направлении, асмена уровня на противоположный — тормозит его, а при удержании нового уровня втечение длительного времени диффузор начнет двигаться в противоположномнаправлении. Этот способ управления называется широтно-импульсной модуляцией(ШИМ).
Таким образом, если достаточно искусно переключать цифровые уровнина схеме управления динамиком, то в принципе из него можно получитьпроизвольные и чистые звуки. Однако на практике это возможно лишь при условииточного знания момента инерции диффузора, параметров усилителя мощности и оченьвысокой (в идеале — бесконечной) точности управления сменой уровней. Поэтомуописанный метод получил довольно ограниченное применение — для имитациивыстрелов и взрывов в играх, простейшего синтеза речи или воспроизведения оченьнизкокачественной музыки.
1.2. Преобразователи АЦП и ЦАП
Наиболее естественным способом «подружить» цифровойкомпьютер с его «рваной» импульсной системой передачи информации, инепрерывный реальный мир является использование преобразователей аналоговыхсигналов в цифровые и обратно, которые и называются аналогово-цифровыми ицифро-аналоговыми преобразователями — АЦП и ЦАП. Первый получает непрерывныйаналоговый сигнал и постоянно выдает поток цифровых сигналов, второй действуетнаоборот. При этом говорят, что АЦП кодирует аналоговый сигнал, а ЦАП — декодируетего. В англоязычной литературе используются обозначения ADC и DAC, а также codec (coder/decoder).
Для преобразования в цифровой код аналоговый сигналприходится подвергать дискретизации — разбиению на фиксированные участки во времени ина ряд фиксированных величин — по уровню. Каждый элементарный участок сигналакодируется одним числом, величина которого пропорциональна среднему уровнюсигнала на этом участке; такое число называется отсчетом. Числа появляются на выходеАЦП синхронно с изменением сигнала на входе; точность преобразования будет темвыше, чем выше частота следования отсчетов и чем больше используетсяфиксированных значений уровня. Частота следования отсчетов называется частотойдискретизации, а диапазон значений отсчета определяется разрядностьюего двоичного представления.
Выбор частоты дискретизации важен в первую очередь дляпередачи частотного диапазона сигнала — при слишком низкой частоте звукстановится глухим и неразборчивым. Чаще всего для хорошей передачи звукадостаточно частоты, вдвое большей максимальной частоты исходного сигнала, хотядля достижения высокого качества используется трех — пятикратное превышение. Аразрядность влияет прежде всего на количество искажений и шумов, вносимых взвук — при недостаточной точности отсчетов звук становится резким и неприятным,как внутри металлической трубы.
В популярных сейчас бытовых проигрывателях компакт-дисковиспользуется частота дискретизации 44.1 кГц и отсчеты в 16 двоичных разрядов(65536 фиксированных уровней). В цифровых телефонных линиях применяется8-разрядная (256 уровней) оцифровка на 8 кГц, а в студийных системах обработкизвука — 24-разрядная (16777216 уровней) с частотой 96 кГц. Понятно, что сростом частоты дискретизации и разрядности отсчета растет и объем данных, занимаемыйзвуком. Например, один компакт-диск вмещает 74 минуты стереозвучания, однакопри записи на нем звука в монофоническом телефонном формате время непрерывногозвучания составит более суток.
Самый простой ЦАП делается при помощи так называемойрезистивной матрицы, когда все разряды двоичного числа, представляющего отсчет,через резисторы с различным сопротивлением сводятся в одну точку, причемсопротивление резисторов падает с ростом старшинства разрядов двоичного числа.Таким образом, изменение старшего разряда из 0 в 1 и наоборот будет вносить влинию максимальное изменение напряжения, а то же самое в младшем разряде — минимальное, и в случае 8 разрядов разница составит в точности 256 раз. Припоследовательном переборе всех чисел от 0 до 255 сигнал на выходе будетступенчато изменяться от нуля до максимума — в 256 раз более плавно, чемпростой цифровой переход от 0 к 1.
Лет десять назад на компьютерах IBM PC подобные 8-разрядныеЦАП делались при помощи параллельного порта принтера, имеющего как раз 8 линийданных, а при использовании дополнительных линий управления — и болеекачественный 12-разрядный. Выводя из программы в порт отсчеты с нужнойскоростью, можно получить достаточно чистый звук, сравнимый по качеству стелефоном или дешевым магнитофоном.
Сейчас выпускается широчайший ассортимент звуковых адаптеров,или карт, для всех видов персональных компьютеров, а во многих моделях ониявляются компонентом системной платы. Современный звуковой адаптер содержит16-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 забиратьготовый оцифрованный фрагмент с АЦП, или подавать очередной цифровой фрагментна ЦАП. Многие адаптеры могут записывать и воспроизводить звук одновременно, ипрограмма при должном быстродействии может синхронно воспроизводить записанныйзвук в уже обработанном виде.
1.3. ПроцессорыDSP(Digital Signal Processing)
В принципе DSP(Рис.3) нужен чтобы разгрузить центральный процессор (CPU) компьютера, да ивообще поменьше от него зависеть. Это делает работу платы устойчивей ипозволяет избежать многих проблем совместимости с разными компьютерами.
Обработкацифрового звука — отдельная и весьма обширная область, которая, по
<img src="/cache/referats/16062/image005.jpg" v:shapes="_x0000_s1038">
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 втом, что для выполнения сложных преобразований вроде фильтрования или модуляциитребуется очень большое число элементарных числовых операций, которое рядовойкомпьютер не в состоянии делать синхронно с поступающим сигналом (как говорят — в реальномвремени). В таких случаях либо применяются специальные цифровые сигнальныепроцессоры (DSP), либо обработка проводится основным процессором, но послепредварительной записи звука в память или на жесткий диск, с воспроизведениемоттуда после окончания обработки. Эта так называемая нелинейная обработка занимает большевремени и не позволяет тут же слышать результат, однако никак не ограничена посложности 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 многократнойперезаписи с ленты на ленту, даже на самом простом компьютере занимаетсчитанные секунды или часы, благодаря полному визуальному контролю и точностивплоть до одного цифрового отсчета (при 44.1 кГц — 23 мкс).
Однако компьютер способен не только сохранить и воспроизвестиоднажды записанный в него звук, даже после цифровой обработки — он можетсоздавать совершенно новые звуки при помощи аппаратного или программного синтеза.Простейший метод синтеза состоит в генерации серии отсчетов и циклическом ихвоспроизведении, в результате чего получается периодический (тональный)звуковой сигнал. Например, при воспроизведении значений функции sin (x),вычисленных с некоторым шагом в границах периода, получается чистыйсинусоидальный звуковой сигнал с мягким звучанием и четкой музыкальной высотой;при усложнении вычислительной функции звуковые колебания будут повторять ееграфик — с точностью до параметров оцифровки и погрешностей ЦАП. График можно инарисовать прямо на экране при помощи мыши; при этом плавному графику будутсоответствовать более мягкие, глухие звуки, а крутому — более резкие, яркие извонкие.
Если взять какой-либо физический процесс, приводящий кпоявлению звука — разряд молнии, шум ветра или колебания скрипичных струн — товсегда можно разработать достаточно точную математическую модель этого явления,которая сведется к системе уравнений. Решая эти уравнения, можно получитьграфик звуковых колебаний, возникающих в этом процессе, и затем воспроизвестиих. Подобным образом был получен предполагаемый звук московского Царь-Колоколапри помощи только его наружных измерений и структурного анализа сплава. Этотметод физическогомоделирования — 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 генерациисинусоидального сигнала, частота которого управляется другими генераторамитаких же сигналов — это разновидность частотной модуляции (англ. FM). Врезультате получается сигнал весьма сложной структуры, тембр которого можетменяться в чрезвычайно широких пределах. При достаточном количестве управляющихдруг другом генераторов (так называемых операторов) и точном подборе их параметровможно не только синтезировать необычные звуки, но и достаточно точноимитировать звуки природы и музыкальных инструментов. Однако на практикеколичество операторов не превышает десяти, и разумное управление даже такимнебольшим их числом сильно затруднено. В большинстве звуковых адаптеров естьаппаратный FM-синтезатор с двумя или четырьмя операторами, при помощи которогоможно синтезировать различные шумы, стуки и звоны, однако для имитациимузыкальных инструментов он в силу своей простоты совершенно непригоден.
1.5. Таблично-волновой метод синтеза звуков(Wavetable)
Наиболее распространенный сейчас метод синтеза музыкальныхзвуков — таблично-волновой (wave table — WT). Он заключается в записихарактерных фрагментов звучания реальных инструментов — начального и среднегопо времени всего звучания ноты — и использования их для синтеза всех прочихзвуков, издаваемых этими инструментами. Записанные фрагменты образуют основнойтембр инструмента, а различные приемы обработки в реальном времени — изменениечастоты, амплитуды, добавление гармоник или их фильтрация — придают тембруоттенки и динамику, свойственные различным приемам игры. Для повышениядостоверности имитации берется больше образцов (англ. samples) звучания ивыполняется больше работы по их обработке во время синтеза; в простейшем случаетаблично-волновой метод вырождается в так называемый сэмплерный, при котором звучание инструмента записывается ивоспроизводится целиком от начала до конца. Пионером в реализации WT-синтезастала в 1984 году фирма Ensoning. Вскоре WT-синтезаторы стали производить такиеизвестные фирмы, как Emu, Korg, Roland и Yamaha.
В качестве образцов звучаний в таблично-волновом и сэмплерномметодах могут использоваться и результаты других методов синтеза или обработки.Например, многие модные сейчас «электронные» звучания получены путемсложной обработки различных ударных звуков, звука падения капель и дажескрежета ржавого железа. Путем намеренного огрубления, внесения искажений идополнительных призвуков изначально мягкие звуки делаются более резкими ипронзительными (яркий пример — дисторшн или овердрайв для гитары), а изначальнозвонкие и яркие — смягчаются и выравниваются. При помощи даже сравнительнопростых операций вроде суммирования сигналов с фазовым сдвигом можно получатьсовершенно не похожие на оригиналы звуки.
В последнее время все большее число звуковых адаптеровоснащается таблично-волновыми синтезаторами, возможности которых приближаются кпрофессиональным синтезаторам, используемым на музыкальной сцене. Все онисодержат заранее заданный стандартный набор звуков мелодических и ударныхинструментов, что позволяет им более-менее похоже исполнять одни и те жемузыкальные произведения в нотной форме, а некоторые вдобавок позволяютиспользовать дополнительные — готовые или самостоятельно созданные — наборызвуков. 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 эффектыреверберации, хорового звучания, вращения звука и т.п.
Управляются компьютерные синтезаторы, как и их «старшиебратья», при помощи специального музыкального цифрового интерфейса MIDI.Внутри компьютера он представляет собой просто расширение нотной системы записимузыки с дополнительными командами для управления ее исполнением; вдобавок кэтому большинство звуковых адаптеров содержит внешний MIDI-интерфейс, ккоторому можно подключить любое количество клавишных или модульных музыкальныхсинтезаторов, 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 ив профессиональной музыкальной, театральной студии или в концертном зале. Вэтих областях персональные компьютеры обосновались так же давно и прочно, как влабораториях математиков и физиков; но самое главное состоит в том, что многиевещи, которые еще недавно были возможны лишь на очень сложной и дорогойаппаратуре, становятся доступны каждому, у кого есть современный персональныйкомпьютер со звуковым адаптером — даже самым простым и дешевым. Достаточнонаучиться его правильно применять — и для вас уже не будет ничего принципиальноневозможного в мире звука.
<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language: AR-SA">2.ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗВУКОВЫХ КАРТ
2.1. Обзор
Для получения приемлемого качества записикомпьютерной музыки необходимо пользоваться аппаратурой, способной егообеспечить. Число различных моделей звуковых карт составляет несколькодесятков. А если учитывать еще и различные версии одних и тех же устройств, топри покупке карты приходится выбирать почти из сотни наименований. Не всякаязвуковая карта способна на большее, чем озвучивание компьютерных игр. Конечно,принадлежность звуковой карты к продукции известных фирм является вескойпричиной того, что именно ее следует выбрать, это скажется в дальнейшем нанадежности работы. К важнейшим параметрам относятся, в первую очередь:
> метод синтеза музыкальных звуков,реализованный в синтезаторе звуковой карты;
> разрядность АЦП/ЦАП звуковойкарты;
> диапазон частотдискретизации;
> отношение сигнал/шум;
> динамический диапазон.
В современных звуковых картах по-прежнему применяется частотный синтеззвуков (FM-синтез), но это делается в основном в целях обеспечения поддержкистарых игр. Основным методом синтеза в настоящее время является волновой метод,или, как его еще называют, метод волновых таблиц (WT-синтез).
После первого же сравнения звучания MIDI-инструментов в FM и WT вариантахможно решить для себя, что FM-инструменты не стоят того, чтобы тратить на нихвремя. Поэтому дальше речь пойдет только о WT-синтезаторах звуковых карт.
2.2. Разрядность звуковой карты
Разрядность звуковой карты существенно влияет на качество звука. Однакоперед тем как перейти к более детальному обсуждению этого вопроса, следуетпояснить, что речь идет о разрядности АЦП и ЦАП. Звуковые карты двойногоназначения имеют в своем составе одновременно два функционально независимыхузла: WT-синтезатор и устройство оцифровки звуковых сигналов, поступающих свнешнего источника. В каждый из узлов входит как минимум по одному ЦАП. Вустройстве оцифровки, кроме того, имеется АЦП. В недавнем прошлом прямоеуказание на разрядность звуковой карты содержалось в ее названии в виде числа 16.Тем самым изготовители подчеркивали, что в их продукции качество цифровогозвука как бы соответствует качеству звука лазерного проигрывателя, а некакой-нибудь там 8-битной карты. В дальнейшем 16 разрядов в ЦАП/АЦП сталинормой, а числа «32» или «64» в названиях стали означать совсем другое —максимальное количество одновременно звучащих голосов синтезатора звуковойкарты (полифонию).
Некоторые высококачественные звуковые карты оборудованы 18-битными и даже24-битными ЦАП/АЦП. Звуковые редакторы, работая с любыми звуковыми картами, втом числе и 16-битными, в процессе преобразований отсчетов сигнала используютарифметику с разрядностью двоичного представления числа, превышающей 16. Этопозволяет уменьшить погрешность, накапливающуюся в процессе выполнения сложныхалгоритмов обработки, которая в противном случае проявлялась бы как искажениезвука.
Почему же столь важно наличие большого числа разрядов в устройствах ЦАП иАЦП? Дело заключается в том, что непрерывный (аналоговый) сигнал преобразуетсяв цифровой с некоторой погрешностью. Эта погрешность тем больше, чем меньшеуровней квантования сигнала, т. е. чем дальше отстоят друг от друга допустимыезначения квантованного сигнала. Число уровней квантования, в свою очередь,зависит от разрядности АЦП/ЦАП. Погрешности, возникающие в результате заменыаналогового сигнала рядом квантованных по уровню отсчетов, можно рассматриватькак его искажения, вызванные воздействием помехи. Эту помеху принято образноназывать шумом квантования. Шумквантования представляет собой разность соответствующих значений реального иквантованного по уровню сигналов.
В случае превышения сигналом значения самого верхнего уровня квантования(«старшего» кванта), а так же в случае, когда значение сигнала оказываетсяменьше нижнего уровня квантования («младшего» кванта), т. е. при ограничениисигнала, возникают искажения, более заметные по сравнению с шумом квантования.Для исключения искажений этого типа динамические диапазоны сигнала и АЦП должнысоответствовать друг другу: значения сигнала должны располагаться междууровнями, соответствующими младшему и старшему квантам.
При записи внешних источников звука это достигается с помощью регулировкиих уровня, кроме того, применяется сжатие (компрессия) динамического диапазона,о которой речь пойдет ниже.
В звуковых редакторах существует операция нормализации амплитуды сигнала.После ее применения наименьшее значение сигнала станет равным верхнему уровнюмладшего кванта, а наибольшее — нижнему уровню старшего. Таким образом, отограничения сигнал сверху и снизу будет защищен промежутками, шириной в одинквант. Разумеется, если при записи уже имело место ограничение амплитуды, тонормализация не избавит сигнал от искажения.
Приемлемым считается 16-разрядное представление сигнала, являющееся внастоящее время стандартным для воспроизведения звука, записанного в цифровойформе. С точки зрения снижения уровня шумов квантования дальнейшее увеличениеразрядности АЦП нецелесообразно, т. к. уровень шумов, возникших по другимпричинам (тепловые шумы, а также импульсные помехи, генерируемые элементамисхем компьютера и распространяющиеся либо по цепям питания, либо в видеэлектромагнитных волн), все равно оказывается значительно выше, чем —96дБ.
Однако увеличение разрядности АЦП обусловлено еще одним фактором —стремлением расширить его динамический диапазон. Динамический диапазон этомаксимальное и минимальное значения сигнала, который может быть преобразован вцифровую форму без искажения и потери информации. Минимальный сигнал не можетбыть меньше, чем напряжение, соответствующее одному кванту, а максимальный — недолжен превышать величины напряжения, соответствующего N квантам. Поэтомудинамический диапазон для 16-разрядного АЦП составляет 96 дБ, для18-разрядного— 108 дБ, для 20-разрядного— 120 дБ. Иными словами, для записизвучания некоторого источника звука, динамический диапазон которого составляет120 дБ, требуется двадцатиразрядный АЦП. Если такого нет, а имеется толькошестнадцатиразрядный, то динамический диапазон звука должен быть сжат на 24 дБ:со 120 дБ до 96 дБ.
В принципе, существуют методы и устройства сжатия (компрессии)динамического диапазона звука. Но то, что они проделывают со звуком, как нисмягчай формулировки, все равно искажает его. Именно поэтому так важно дляоцифровки звука использовать АЦП, имеющий максимальное количество разрядов.Владелец 16-битной звуковой карты может убедиться в отсутствии особых причиндля расстройства: динамические диапазоны большинства источников звука вполнесоответствуют динамическому диапазону такой звуковой карты. Кроме того,18-битное или 20-битное представление сигнала применяется только на этапеобработки звука. Конечная аудиопродукция (CD и DAT) реализуется в 16-битномформате.
После того как мы немного разобрались с разрядностьюзвуковой карты, пришло время поговорить о частоте дискретизации.
2.3. Частота дискретизации
В процессе работы АЦП происходит не только квантование сигнала по уровню,но и его дискретизация во времени. Сигнал, непрерывно изменяющийся во времени,заменяют рядом отсчетов этого сигнала. Обычно отсчеты сигнала берутся черезодинаковые промежутки времени. Интуитивно ясно, что если отсчеты отстоят другот друга на слишком большие интервалы, то при дискретизации может произойтипотеря информации: если важные изменения сигнала произойдут не в те моменты,когда были взяты отсчеты, они могут быть «пропущены» преобразователем.Получается, что отсчеты следует брать с максимальной частотой. Естественнымпределом служит быстродействие преобразователя. Кроме того, чем больше отсчетовприходится на единицу времени, тем больший размер памяти необходим для храненияинформации.
Проблема отыскания разумного компромисса между частотой взятия отсчетовсигнала и расходованием ресурсов трактов преобразования и передачи информациивозникла задолго до того, как на свет появились первые звуковые карты. Врезультате исследований было сформулировано правило, которое в отечественнойнаучно-технической литературе принято называть теоремой Котельникова[Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости.— М., Госэнергоиздат,1956].
Если поставить перед собой задачу обойтись без формул и использованиясерьезных научных терминов типа «система ортогональных функций», то сутьтеоремы Котельникова можно объяснить следующим образом. Сигнал, представленныйпоследовательностью дискретных отсчетов, можно вновь преобразовать в исходный(непрерывный) вид без потери информации только в том случае, если интервалмежду соседними отсчетами не превышает половины периода самого высокочастотногоколебания, содержащегося в спектре сигнала.
Из сказанного следует, что восстановить без искажений можно толькосигнал, спектр которого ограничен некоторой частотой F. Теоретически всереальные сигналы имеют бесконечные спектры. Для того чтобы при дискретизацииизбежать искажений, вызванных этим обстоятельством, сигнал вначале пропускаютчерез фильтр, подавляющий в нем все частоты, которые превышают заданноезначение Fmax и лишь затем производят дискретизацию. Согласно теоремеКотельникова частота, с которой следует брать отсчеты, составляет Fд = 2Fmax Теоремаполучена для идеализированных условий. Если учесть некоторые реальные свойствасигналов и устройств преобразования, то частоту дискретизации следует выбиратьс некоторым запасом по сравнению со значением, полученным из предыдущеговыражения.
В стандарте CD частота дискретизации равна 44,1 кГц. Для цифровыхзвуковых магнитофонов стандартная частота дискретизации составляет 48 кГц.Звуковые карты, как правило, способны работать в широком диапазоне частотдискретизации. Важно, чтобы максимальное значение частоты дискретизации было неменее 44,1 кГц, в противном случае качества звучания CD достичь не удастся.Следует различать частоту дискретизации в АЦП/ЦАП, предназначенных дляоцифровки внешних сигналов, и частоту дискретизации в ЦАП WT-синтезаторазвуковой карты. Значение последней может не совпадать с указанными стандартнымизначениями.
2.4. Дуплекс и наличие цифрового выхода
Довольно часто изготовители, доказывая преимуществосвоих звуковых карт, подчеркивают еще два обстоятельства:
> наличие у звуковой картывыхода, на котором информация представлена в цифровой форме;
> наличие дуплексного режимапрямого доступа к памяти.
Действительно, если звуковая карта имеет выход, на который сигналыпоступают не в аналоговой (после ЦАП), а в цифровой форме, то это позволяетуменьшить искажения, связанные с дополнительными преобразованиями придальнейшей цифровой обработке сигнала вне звуковой карты. Это становитсяактуальным при записи композиции на CD или DAT.
Так, например, в звуковых картах SB AWE32, AWE64 имеется разъеминтерфейса S/PDIF (Sony/PhilipsDigital Interface Format - формат цифрового интерфейса фирм Sonyи Philips), который предназначен для передачи звуковых сигналов отWT-синтезатора в цифровой форме, Но не следует забывать, что S/PDIFпредставляет собой лишь упрощенный вариант профессионального студийногоинтерфейса AES/EBU (Audio EngineersSociety/European Broadcast Union), разработанного Европейскимрадиовещательным союзом.
Для разгрузки центрального процессора работа АЦП/ЦАП звуковых карторганизуется в режиме прямого доступа к памяти [Direct Memory Access — DMA). Полный дуплекс [Full-Duplex) означает способностьзвуковой карты одновременно воспроизводить и записывать звук. Для этоготребуется поддержка звуковой картой одновременно двух каналов DMA. Для звуковыхкарт семейства AWE возможна организация одного 16-ти разрядного и одного 8-миразрядного каналов. По одному из них возможна запись, а по другомувоспроизведение. Это ограничение затрудняет работу с программамимногоканального монтажа и сведения, а также подготовку материала для записи CDна том же компьютере, на котором установлена звуковая карта.
<span Arial",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗВУКА НА КОМПЬЮТЕРЕ
3.1. Что такое MIDI-технология
Появившаяся в начале восьмидесятых годовMIDI-технология вскоре получила новый импульс в связи с широкимраспространением персональных компьютеров.
Миди файл представляет собой список ссылок на звуки в WT синтезаторе звуковой карты, и списоккоманд, таких как тональность, продолжительность, скорость звука и т.д.
Основными недостатками MIDI считаются низкая скорость передачиинформации, узкий диапазон изменения параметров и ограниченная сфераприменения. В то время как одно из главных ее достоинств — небольшой объемфайлов — в последнее время уже потеряло решающее значение: цены на пишущиеCD-приводы и “болванки” для записи становятся все доступнее. А с появлениемшироких возможностей по использованию при создании музыки готовых, заранеезаписанных музыкальных фраз с CD-качеством (всякие “лупы”, “сэмплы” и т.п.)многие “артисты” вообще решили, что таких проблем, как обучение нотной грамоте,владению инструментом, MIDI-технология и пр. для них не существует.
Однако если принять во внимание, что MIDI-технология изначальнопредназначалась не для записи или воспроизведения музыки, а только лишь дляуправления на некоем расстоянии (в пространстве и времени) синтезаторами,звуковыми модулями и прочими “железными” ящиками, то многие претензии к нейбудут сняты. Это все равно, что упрекать виолончель за плохое звучание вофлейтовом регистре.
Итак, чтобы закончить мысль о достоинствах и недостатках MIDI, сделаемнесколько предварительных выводов. Во-первых, MIDI-технология остаётся ведущейв компьютерной и аппаратно-студийной области. Во-вторых, она совершенствуется,учитывает новые требования и новые технические возможн