СТ_Т4.Принципы обработки звуковой информации

Тема - Звуковая система ПК

Студент должен:

иметь представление:

· о звуковой системе ПК

знать:

· принципы обработки звуковой информации;

· состав звуковой подсистемы ПК;

· основные характеристики звуковых плат

Звуковая система ПК. Состав звуковой системы ПК. Принцип работы и технические характеристики звуковых плат. Направления совершенствования звуковой системы. Принцип обработки звуковой информации. Спецификация звуковых систем.

Методические указания

Звуковая система ПК — комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции:

- запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источни­ ков, например, микрофона или магнитофона, путем преобразо­ вания входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и по­ следующего сохранения на жестком диске;

- воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (науш­ ников);

- воспроизведение звуковых компакт-дисков;

- микширование (смешивание) при записи или воспроизведе­ нии сигналов от нескольких источников;

- одновременная запись и воспроизведение звуковых сигналов (режим Full Duplex );

- обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение фрагментов сигнала, фильтрация, изменение его уровня;

- обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного — 3 D - Sound ) звучания;

- генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, а также человеческой речи и других звуков;

- управление работой внешних электронных музыкальных инст­ рументов через специальный интерфейсMIDI .

Звуковая система ПК конструктивно представляет собой зву­ ковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской пла­ ты, либо интегрированные на материнскую плату или карту рас­ ширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные мо­ дули звуковой системы могут выполняться в виде дочернихплат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

Рисунок 10 - Структура звуковой системы ПК

Классическая звуковая система, как показано на рис. 5.1, со­ держит:

· модуль записи и воспроизведения звука;

· модуль синтезатора;

· модуль интерфейсов;

· модуль микшера;

· акустическую систему.

Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на зву­ ковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля син­ тезатора или модуля записи/воспроизведения цифрового звука. Каждый из модулей может быть выполнен либо в виде отдельной микросхемы, либо входить в состав многофункциональной мик­росхемы. Таким образом, Chipset звуковой системы может содер­ жать как несколько, так и одну микросхему.

Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпе­ вают существенные изменения; встречаются материнские платы с установленным на них Chipset для обработки звука.

Однако назначение и функции модулей современной звуковой системы (независимо от ее конструктивного исполнения) не ме­няются. При рассмотрении функциональных модулей звуковой карты принято пользоваться терминами «звуковая система ПК» или «звуковая карта

Вопросы для самоконтроля:

1. Звуковая система ПК;

2. Состав звуковой системы ПК;

3. Принцип работы и технические характеристики звуковых плат;

4. Направления совершенствования звуковой системы;

5. Принцип обработки звуковой информации;

6. Спецификация звуковых систем.

Тема -  Модуль интерфейсов обработки звуковой информации

Студент должен:

иметь представление:

· о звуковой системе ПК

знать:

· состав звуковой подсистемы ПК;

· принцип работы модуля записи и воспроизведения;

· принцип работы модуля синтезатора;

· принцип работы модуля интерфейсов;

· принцип работы модуля микшера;

· организацию работы акустической системы.

Состав звуковой подсистемы ПК. Модуль записи и воспроизведения. Модуля синтезатора. Модуль интерфейсов. Модуль микшера. Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение. Форматы звуковых файлов. Средства распознавания речи.

Методические указания

Модуль записи и воспроизведения звуковой системы осуще­ ствляет аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразования в режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA ( DirectMemory Access — канал прямого доступа к памяти).

Запись звука — это сохранение информации о колебаниях зву­ кового давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются аналоговые и циф­ ровые сигналы. Другими словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой форме.

На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем что ПК опери­ рует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая систе­ ма, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обра­ ботки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразова­ ние цифрового сигнала в аналоговый.

Аналого-цифровое преобразование представляет собой преобра­ зование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования.

Предварительно аналоговый звуковой сигнал поступает на ана­ логовый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала.

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсче­ тов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определя­ ется частотой дискретизации. Причем частота дискретизации дол­ жна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (ча­стотной составляющей) исходного звукового сигнала.

Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигна­ ла и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рисунке 11 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

Рисунок 11 - Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала

Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при кван­ товании зависит от количества разрядов кодового слова.

Рисунок 12 - Дискретизация по времени и квантование по уровню аналого­вого сигнала кван тования амплитуды отсчета.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специаль­ ным электронным устройством — аналого-цифровым преобразова­ телем (АЦП), в котором дискретные отсчеты сигнала преобразу­ ются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелатель­ ные высокочастотные помехи, для фильтрации которых получен­ ные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рисунке 12. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой диск­ ретизации. На втором этапе из дискретных отсчетов путем сглажи­вания (интерполяции) формируется непрерывный аналоговый сиг­нал с помощью фильтра низкой частоты, который подавляет пе­риодические составляющие спектра дискретного сигнала.

Для уменьшения объема цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, исполь­ зуют компрессию (сжатие), заключающуюся в уменьшении количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, при­ходящихся на один отсчет.

Рисунок 13 - Схема цифроаналогового преобразования

Подобные методы кодирования звуковых данных с использо­ ванием специальных кодирующих устройств позволяют сократить объем потока информации почти до 20% первоначального. Выбор метода кодирования при записи аудиоинформации зависит от набора программ сжатия — кодеков (кодирование-декодиро­вание), поставляемых вместе с программным обеспечением зву­ковой карты или входящих в состав операционной системы.

Выполняя функции аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований сигнала, модуль записи и воспроизведения циф­рового звука содержит АЦП, ЦАП и блок управления, которые обычно интегрированы в одну микросхему, также называемую кодеком. Основными характеристиками этого модуля являют­ ся: частота дискретизации; тип и разрядность АЦП и ЦАП; спо­ соб кодирования аудиоданных; возможность работы в режиме Full Duplex .

Частота дискретизации определяет максимальную час­ тоту записываемого или воспроизводимого сигнала. Для записи и воспроизведения человеческой речи достаточно 6 — 8 кГц; му­зыки с невысоким качеством — 20 — 25 кГц; для обеспечения высококачественного звучания (аудиокомпакт-диска) частотадискретизации должна быть не менее 44 кГц. Практически все звуковые карты поддерживают запись и воспроизведение стерео­ фонического звукового сигнала с частотой дискретизации 44,1 или 48 кГц.

Разрядность АЦП и ЦАП определяет разрядность пред­ ставления цифрового сигнала (8, 16 или 18 бит).

Full Duplex (полный дуплекс) — режим передачи данных по каналу, в соответствии с которым звуковая система может одно­временно принимать (записывать) и передавать (воспроизводить) аудиоданные. Однако не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, поскольку не обеспечивают высокое ка­чество звука при интенсивном обмене данными. Такие карты можно использовать для работы с голосовыми данными в Internet , на­ пример, при проведении телеконференций, когда высокое каче­ ство звука не требуется.

Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рисунке 14.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания струк­ туры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкаль­ ного инструмента имеет несколько временных фаз. На рисунке 15, апоказаны фазы звукового сигнала, возникающего при нажатии клавиши рояля. Для каждого музыкального инструмента вид сиг­ нала будет своеобразным, но в нем можно выделить три фазы: атаку, поддержку и затухание. Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей, форма которой зависит от типа музы­ кального инструмента. Длительность атаки для разных музы­ кальных инструментов изменяется от единиц до нескольких де­ сятков или даже до сотен миллисекунд. В фазе, называемой под­ держкой, амплитуда сигнала почти не изменяется, а высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последнейфазе, затуханию, соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала.

В современных синтезаторах звук создается следующим обра­зом. Цифровое устройство, использующее один из методов синте­ за, генерирует так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (ноту), который должен иметь спектральные ха­ рактеристики, максимально близкие к характеристикам имити­руемого музыкального инструмента в фазе поддержки, как пока­ зано на рисунке 15, б. Далее сигнал возбуждения подается на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику реальногомузыкального инструмента. На другой вход фильтра подается сигнал амплитудной огибающей того же инструмента. Далее совокупность сигналов обрабатывается с целью получения специальных звуковыхэффектов, например, эха (реверберация), хорового исполнения (хо- рус). Далее производятся цифроаналоговое преобразование и фильт­ рация сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ).

Рисунок 15 - Принцип действия современного синтезатора: а — фазы звукового сигнала; 6 — схема синтезатора

Основные характеристики модуля синтезатора:

1. метод синтеза звука;

2. объем памяти;

3. возможность аппаратной обработки сигнала для создания зву­ ковых эффектов;

4. полифония — максимальное число одновременно воспроиз­ водимых элементов звуков.

Метод синтеза звука, использующийся в звуковой системе ПК, определяет не только качество звука, но и состав системы. На практике на звуковых картах устанавливаются синтезаторы, гене­рирующие звук с использованием следующих методов.

Метод синтеза на основе частотной модуляции ( Frequency Modulation Synthesis — FM -синтез) предполагает исполь­ зование для генерации голоса музыкального инструмента как ми­нимум двух генераторов сигналов сложной формы. Генератор не­ сущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-мо­дулированный сигналом дополнительных гармоник, обертонов, определяющих тембр звучания конкретного инструмента. Генера­тор огибающей управляет амплитудой результирующего сигнала. FM -генератор обеспечивает приемлемое качество звука, отлича­ ется невысокой стоимостью, но не реализует звуковые эффекты. В связи с этим звуковые карты, использующие этот метод, не рекомендуются в соответствии со стандартом РС99.

Синтез звука на основе таблицы волн ( Wave Table Synthesis — WT -синтез) производится путем использования пред­ варительно оцифрованных образцов звучания реальных музыкаль­ных инструментов и других звуков, хранящихся в специальной ROM , выполненной в виде микросхемы памяти или интегриро­ ванной в микросхему памяти WT -генератора. WT -синтезатор обес­печивает генерацию звука с высоким качеством. Этот метод син­теза реализован в современных звуковых картах.

Объем памяти на звуковых картах с WT -синтезатором может увеличиваться за счет установки дополнительных элементов па­мяти ( ROM ) для хранения банков с инструментами.

Звуковые эффекты формируются с помощью специального эффект процессора, который может быть либо самостоя­ тельным элементом (микросхемой), либо интегрироваться в состав WT -синтезатора. Для подавляющего большинства карт с WT -син тезом эффекты реверберации и хоруса стали стандартными.Синтез звука на основе физического моделирования предусматривает использование математических моделей звуко­ образования реальных музыкальных инструментов для генера­ции в цифровом виде и для дальнейшего преобразования в зву­ ковой сигнал с помощью ЦАП. Звуковые карты, использую­ щие метод физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требует­ся мощный ПК.

Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуко­ вой системой и другими внешними и внутренними устройствами.

Интерфейс PCI обеспечивает широкую полосу пропускания (например, версия 2.1 — более 260 Мбит/с), что позволяет пере­ давать потоки звуковых данных параллельно. Использование шины PCI позволяет повысить качество звука, обеспечив отношение сигнал/шум свыше 90 дБ. Кроме того, шина PCI обеспечиваетвозможность кооперативной обработки звуковых данных, когда задачи обработки и передачи данных распределяются между зву­ ковой системой и CPU .

MIDI ( Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) регламентируется специальным стан­ дартом, содержащим спецификации на аппаратный интерфейс: типы каналов, кабели, порты, при помощи которых MIDI -уст ройства подключаются один к другому, а также описание поряд­ ка обмена данными — протокола обмена информацией между MIDI -устройствами. В частности, с помощью MIDI -команд мож­но управлять светотехнической аппаратурой, видеооборудовани­ ем в процессе выступления музыкальной группы на сцене. Уст­ ройства с MIDI -интерфейсом соединяются последовательно, об­ разуя своеобразную MIDI -сеть, которая включает контроллер — управляющее устройство, в качестве которого может быть исполь­ зован как ПК, так и музыкальный клавишный синтезатор, а так­ же ведомые устройства (приемники), передающие информацию в контроллер по его запросу. Суммарная длина MIDI -цепочки не ограничена, но максимальная длина кабеля между двумя MIDI -устройствами не должна превышать 15 метров.

Подключение ПК в MIDI -сеть осуществляется с помощью спе­ циального MIDI -адаптера, который имеет три MIDI -порта: вво­ да, вывода и сквозной передачи данных, а также два разъема для подключения джойстиков.

В состав звуковой карты входит интерфейс для подключения приводов CD - ROM

Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

1. коммутацию (подключение/отключение) источников и при­ емников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;

2. микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

1. число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;

2. регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом ка­ нале;

3. регулирование уровня суммарного сигнала;

4. выходная мощность усилителя;

5. наличие разъемов для подключения внешних и внутреннихприемников/источников звуковых сигналов.

Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Вне­ шние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней па­ нели корпуса системного блока: Joystick / MIDI — для подключе­ния джойстика или MIDI -адаптера; MicIn — для подключения микрофона;LineIn — линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов; LineOut — линейный выход дляподключения любых приемников звуковых сигналов; Speaker — для подключения головных телефонов (наушников) или пассив­ной акустической системы.

Программное управление микшером осуществляется либо сред­ствами Windows , либо с помощью программы-микшера, поставля­ емой в комплекте с программным обеспечением звуковой карты.

Совместимость звуковой системы с одним из стандартов зву­ковых карт означает, что звуковая система будет обеспечивать качественное воспроизведение звуковых сигналов. Проблемы со­ вместимости особенно важны для DOS -приложений. Каждое из них содержит перечень звуковых карт, на работу с которыми DOS -приложение ориентировано.

Стандарт Sound Blaster поддерживают приложения в виде игр для DOS , в которых звуковое сопровождение запрограммировано с ориентацией на звуковые карты семейства Sound Blaster .

Стандарт Windows Sound System ( WSS ) фирмы Microsoft вклю­чает звуковую карту и пакет программ, ориентированный в ос­новном на бизнес-приложения.

Акустическая система (АС) непосредственно преобразует зву­ ковой электрический сигнал в акустические колебания и являет­ся последним звеном звуковоспроизводящего тракта. В состав АС, как правило, входят несколько звуковых коло­ нок, каждая из которых может иметь один или несколько дина­ миков. Количество колонок в АС зависит от числа компонентов, составляющих звуковой сигнал и образующих отдельные звуко­вые каналы.

Как правило, принцип действия и внутреннее устройство зву­ ковых колонок бытового назначения и используемых в техниче­ ских средствах информатизации в составе акустической системы PC практически не различаются.

В основном АС для ПК состоит из двух звуковых колонок, ко­ торые обеспечивают воспроизведение стереофонического сигна­ ла. Обычно каждая колонка в АС для ПК имеет один динамик, однако в дорогих моделях используются два: для высоких и низ­ ких частот. При этом современные модели акустических систем позволяют воспроизводить звук практически во всем слышимом частотном диапазоне благодаря применению специальной конст­ рукции корпуса колонок или громкоговорителей.

Для воспроизведения низких и сверхнизких частот с высоким качеством в АС помимо двух колонок используется третий звуко­ вой агрегат — сабвуфер ( Subwoofer ), устанавливаемый под ра­ бочим столом. Такая трехкомпонентная АС для ПК состоит из двух так называемых сателлитных колонок, воспроизводящихсредние и высокие частоты (примерно от 150 Гц до 20 кГц), и сабвуфера, воспроизводящего частоты ниже 150 Гц.

Отличительная особенность АС для ПК — возможность нали­чия собственного встроенного усилителя мощности. АС со встро­ енным усилителем называется активной. Пассивная АС усилителя не имеет.

Главное преимущество активной АС состоит в возможности подключения к линейному выходу звуковой карты. Питание ак­ тивной АС осуществляется либо от батареек (аккумуляторов), либо от электрической сети через специальный адаптер, выполненный в виде отдельного внешнего блока или модуля питания, устанав­ ливаемого в корпус одной из колонок.

Выходная мощность акустических систем для ПК может изме­ няться в широком диапазоне и зависит от технических характе­ ристик усилителя и динамиков. Если система предназначена для озвучивания компьютерных игр, достаточно мощности 15 — 20 Вт на колонку для помещения средних размеров. При необходимо­сти обеспечения хорошей слышимости во время лекции или пре­зентации в большой аудитории возможно использовать одну АС, имеющую мощность до 30 Вт на канал. С увеличением мощности АС увеличиваются ее габаритные размеры и повышается сто­имость.

Основные характеристики АС: полоса воспроизводимых час­тот, чувствительность, коэффициент гармоник, мощность.

Полоса воспроизводимых частот ( FrequencyRespon­ se) — это амплитудно-частотная зависимость звукового давления, или зависимость звукового давления (силы звука) от частоты пе­ременного напряжения, подводимого к катушке динамика. Поло­са частот, воспринимаемых ухом человека, находится в диапазо­не от 20 до 20 000 Гц. Колонки, как правило, имеют диапазон, ограниченный в области низких частот 40 — 60 Гц. Решить пробле­му воспроизведения низких частот позволяет использование сабвуфера.

Чувствительность звуковой колонки ( Sensitivity) характеризуется звуковым давлением, которое она создает на рас­стоянии 1 м при подаче на ее вход электрического сигнала мощ­ностью 1 Вт. В соответствии с требованиями стандартов чувстви­тельность определяется как среднее звуковое давление в опреде­ленной полосе частот.

Чем выше значение этой характеристики, тем лучше АС пере­дает динамический диапазон музыкальной программы. Разница между самыми «тихими» и самыми «громкими» звуками совре­менных фонограмм 90 — 95 дБ и более. АС с высокой чувствитель­ностью достаточно хорошо воспроизводят как тихие, так и гром­кие звуки.

Коэффициент гармоник ( Total Harmonic Distortion — THD ) оценивает нелинейные искажения, связанные с появлени­ ем в выходном сигнале новых спектральных составляющих. Коэффициент гармоник нормируется в нескольких диапазонах частот. Например, для высококачественных АС класса Hi - Fi этот коэф­ фициент не должен превышать: 1,5% в диапазоне частот 250 — 1000 Гц; 1,5 % в диапазоне частот 1000 — 2000 Гц и 1,0 % в диапа­ зоне частот 2000 — 6300 Гц. Чем меньше значение коэффициента гармоник, тем качественнее АС.

Электрическая мощность ( Power Handling ), которую выдерживает АС, является одной из основных характеристик. Од­ нако нет прямой взаимосвязи между мощностью и качеством вос­ произведения звука. Максимальное звуковое давление зависит скорее, от чувствительности, а мощность АС- в основном опреде­ляет ее надежность.

Часто на упаковке АС для ПК указывают значение пиковой мощности акустической системы, которая не всегда отражает ре­ альную мощность системы, поскольку может превышать номи­ нальную в 10 раз. Вследствие существенного различия физических процессов, происходящих при испытаниях АС, значения элек­трических мощностей могут отличаться в несколько раз. Для срав­нения мощности различных АС необходимо знать, какую именно мощность указывает производитель продукции и какими метода­ми испытаний она определена.

Некоторые модели колонок фирмы Microsoft подключаются не к звуковой карте, а к порту USB . В этом случае звук поступает на колонки в цифровом виде, а его декодирование производят не­ большой Chipset , установленный в колонках.

Вопросы для самоконтроля:

1. Состав звуковой подсистемы ПК;

2. Модуль записи и воспроизведения;

3. Модуля синтезатора;

4. Модуль интерфейсов;

5. Модуль микшера;

6. Принцип работы и технические характеристики акустических систем. Программное обеспечение;

7. Форматы звуковых файлов;

8. Средства распознавания речи.