Аудиосистема компьютера

Звуковая система компьютера состоит из звукового адаптера (звуковой карты) и электроакустических преобразователях звуковых колебаний (микрофона и звуковых колонок).

Звуковые карты выполняют следующие функции:

§ дискретизацию аналоговых сигналов с частотами 11,025 кГц, 22,05 и 44,1 кГц. Первая частота относится к 8 битовым картам, другие – к 16 битовым;

§ 8- или 16– битовое квантование, кодирование и декодирование с использованием линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ);

§ одновременно производить запись и воспроизведение звуковой информации (режим Full duplex);

§ ввод сигналов через монофонический микрофон с автоматическим регулированием уровня входного сигнала;

§ ввод и вывод аудиосигналов через линейный вход/выход;

§ микширование (смешивание) сигналов от нескольких источников и выдача суммарного сигнала в выходной канал. В качестве источников используются:

а) аналоговый выход CD-ROM;

б) ЦАП;

в) музыкальный синтезатор;

г) внешний источник, подключенный к линейному входу.

§ управление уровнем суммарного сигнала и сигнала каждого из каналов в отдельности;

§ обработка стереофонических сигналов;

§ синтез звуковых колебаний с использованием частотной модуляции (FM) и волновых таблиц (WT).

Звуковая карта должна использовать не более 13% ресурсов процессора ЭВМ при частоте дискретизации 44,1 кГц и не более 7% - при f_g = 22,05 кГц. В звуковой карте осуществляется обработка аналоговых и цифровых сигналов. В соответствии со спецификацией АС-97 (Audio Codec 97 Component Specification), разработанной фирмой Intel в 1997 году, обработка звуковых сигналов разделена между двумя устройствами:

звуковым кодеком (AC-audio codec) и

цифровым контроллером (DC – digital controller).

Аналоговая БИС должна располагаться вблизи звуковых соединителей ввода/вывода и как можно дальше от шумящих цифровых шин. Цифровая БИС располагается ближе к системной шине звуковой карты. Соединение этих микросхем осуществляется по унифицированной внутренней шине AC–link. В современных моделях РС эти микросхемы располагаются на системной плате компьютера. Расширенная модификация БИС звукового кодека дополнительно выполняет функции модема.

В упрощенном виде схема аудиосистемы РС может быть представлена следующим образом (рисунок 10.13). Микрофон (М) осуществляет преобразование акустических колебаний в электрический, а громкоговоритель (Гр.) преобразование электрических колебаний в акустические. Входной сигнал с микрофона усиливается, а с линейного входа подается непосредственно на аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 10.13 - Структура звуковой карты

Дискретный сигнал можно представить в виде произведения исходного сигнала U(t) и дискретизирующей последовательности P(t)

U_д(t) = U(t)P(t) .

Дискретизирующая последовательность состоит из очень коротких импульсов. При теоретическом описании эта последовательность представляется δ – импульсами, которые следуют с частотой дискретизации f_о = 1/Т_о

_∞

P(t) = ∑ δ (t - nT_o)

^{n = - ∞}

Временная диаграмма процесса дискретизации и квантования показана на рисунке 10.14

Синтез звуковых сигналов.Синтезатор предназначен для генерации звуков музыкальных инструментов, соответствующие определенным нотам, а также создавать „немузыкальные” звуки: шум ветра, выстрела и т.п.

Одна и та же нота, воспроизводимая на музыкальном инструменте, звучит по разному (скрипка, труба, саксофон). Это вызвано тем, что хотя определенной ноте соответствует колебание конкретной частоты, звуки различных инструментов, кроме основного тона (синусоиды), характеризуются наличием дополнительных гармоник – обертонов. Именно обертоны определяют тембровый окрас голоса музыкального инструмента.

Рисунок 10.14– Временная диаграмма оцифровки входного сигнала

Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал состоит из трех характерных фрагментов – фаз. Так, например, при нажатии клавиши рояля амплитуда звука сначала быстро растет до максимума, а затем немного спадает (рисунке 10.15). Начальная фаза звукового сигнала называется атакой. Длительность атаки для различных музыкальных инструментов варьируется от единиц до десятков и даже сотен мс. После атаки начинается фаза „поддержки”, в течение которой звуковой сигнал имеет стабильную амплитуду. Слуховое ощущение высоты звука формируется как раз на стадии поддержки.

Рисунок 10.15 – Форма воспроизведения звукового сигнала

Далее следует участок с относительно быстрым затуханием уровня сигнала. Огибающая колебаний во время атаки, поддержки и затухания называется амплитудной огибающей. Различные музыкальные инструменты имеют разные амплитудные огибающие, тем не менее, отмеченные фазы характерны практически для всех музыкальных инструментов, за исключением ударных.

Для создания электронного аналога реального звука, т.е. для синтеза звука, необходимо воссоздать огибающие гармоник, из которых состоит реальный звук. Существует несколько методов синтеза. Одним из первых и наиболее изученных является аддитивный синтез. Звук в процессе синтеза формируется путем сложения нескольких исходных звуковых волн. Этот метод использовали еще в классическом органе. Специальной конструкцией клапанов при нажатии клавиши заставляли звучать сразу несколько труб. При этом звучащие трубы были настроены либо в унисон или в одну две октавы. При нажатии клавиши первыми начинали звучать короткие трубы, дающие высокие обертоны, затем вступала средняя секция и последними – басы.

При цифровом аддитивном синтезе отдельно формируется N гармоник с частотами от f₁ до f_N и амплитудами от A₁(t) до A_N(t). Затем эти гармоники складываются.

Второй метод является разновидностью нелинейного синтеза. Для получения одного музыкального звука используется сигнал одного генератора. Гармоническую окраску получают в результате нелинейных искажений исходного сигнала. Для этого синусоидальный сигнал, формируемый генератором, управляемым кодом (ГУК) с амплитудой A₁ и частотой f₁ (рисунок 10.16 а) пропускают через нелинейный элемент с некоторой характеристикой К(х) (рисунок 10.16 б). Зная амплитуду сигнала A₁ и вид характеристики К(х), можно вычислить спектр сигнала на выходе (рисунок 10.16 в).

Следующим широко распространенным методом является синтез на основе частотной модуляции (широко используется в ЭМИ фирмы Yamaha). При частотной модуляции осуществляется изменение частоты f₀ несущего колебания U(t) = Asin(2πf₀ + φ) по закону модулирующего колебания x(t). Выражения для частотно-модулированного колебание имеет вид

U(t) = Asin (ω_ot + Δω∫[2x(t) - 1]dt),

Величина изменения частоты несущего колебания Δω₀=2π f₀ называется девиацией частоты, аотношение отклонения Δf₀ частоты модулированного колебания к частоте модулирующего колебания f_m называется индексом частотной модуляции m_f = Δf₀/f_m. Изменяя индекс модуляции можно изменять спектр сигнала на выходе модулятора и тем самым достичь качества синтезируемого звука, близкого к естественному звучанию.

Рисунок 10.16 – Синтез звуковых сигналов на основе нелинейного преобразования

Выражения для частотно-модулированного колебание при синусоидальном модулирующем колебании x(t) = sin ω_ot имеет вид

U(t) = Asin [2πf_ot + m_f sin(2πf_mt)].

Спектр модулированных сигналов при различных индексах модуляции изображен на рисунке 10.17.

Рисунок 10.17 – Спектры сигналов с различным индексом модуляции