Оцифровка звукового сигнала

В общем случае IBM PC-совместимые компьютеры имеют несколько воз­можностей для генерирования (воспроизведения) звука с использованием звуковой карты. Выбор способа зависит в первую очередь от типа конкрет­ной карты (аудиоадаптера). Обычно в функциональном составе звуковых плат можно выде­лить следующие узлы:

• модуль для записи и воспроизведения звука;

• модуль синтезатора;

• модуль интерфейсов.

Таким образом, для воспроизведения звука используется циф­ро-аналоговое преобразование. В этом случае цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов) и преобразовываются в аналоговый сигнал через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП - DAC).

В состав аудиоадаптера входит аналого–цифровой преобразователь (АЦП - ADC), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. АЦП служит для дискретизации реального сигнала по времени и квантования по уровню. Для этого, как правило, используются ADC с импульсно-кодовой модуляцией РСМ (Pulse Code Modulation). ADC пред­ставляет из себя устройство, способное формировать из аналогового сигнала эквивалентный цифровой сигнал. Аналоговый сигнал "проверяется" в строго определенные (равноудаленные и дискретные) моменты времени. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (Sampling Interval). Величина, обратная интервалу (точнее времени) выборки, называется частотой пре­образования, или сэмплингом (Sampling Rate).

Полученная в результате амплитуда аналогового сигнала, или значение выборки (Sample Value), делится (квантуется) по уровню и кодируется в со­ответствующий параллельный цифровой код (Digital Sample). Для преобразования выборки аналогового сигнала в цифровой код требуется некоторое время. Оно обычно называется временем преобразования, или временем выборки (Sampling Time).

Преобразование аналогового сигнала в цифровой можно произвести только с какой-то степенью точности. Под разрешающей способностью ADC понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое может привести к изменению цифрового кода. Например, 8-разрядный преобразо­ватель может квантовать амплитуду сигнала на 256 (2⁸), 16-разрядный - на 65536 (2¹⁶) интервалов. Та­ким образом, в заданном входном диапазоне 8-разрядный ADC "заметит" отклонение аналогового сиг­нала, если тот изменится не менее чем на 1/256 часть своего максимального зна­чения.

Значение каждого кванта округляется до ближайшего целого числа, и, если величина амплитуды больше определенного интер­вала, то происходит клиппинг (clipping), т.е. отсечение верхней и нижней вершин волны звукового сигнала. Квантование сигнала может вызвать не­желательный шипящий шум, а клиппинг приводит к большому искажению звука.

ADC звуковых карт обычно имеют разрядность 8, 12 или 16 бит. С увели­чением разрядности АЦП растет его динамический диапазон. Каждый бит соответствует примерно 6 дБ (децибелам). В этом случае 8-разрядное пре­образование может обеспечить динамический диапазон 48 дБ (качество кассетного магнитофона), 12-разрядное - 72 дБ (качество аналогового маг­нитофона с катушками) и 16-разрядное - 96 дБ (качество, ассоциируемое с компакт-диском).

Для воспроизведения звука служит ЦАП, который выполняет обратное преобразование (параллельный код - аналоговый сигнал). После фильтра­ции выходной аналоговый сигнал поступает на усилитель мощности, откуда он может быть выведен на акустическую систему.

Синтез звука

Наряду с воспроизведением звука практикуется его синтез, при котором ком­пьютер передает на звуковую карту некоторую управляющую информацию, по которой и формируется выходной аналоговый сигнал. В настоящее вре­мя главным образом применяются две основные формы синтеза звукового сигнала:

1) синтез с использованием частотной модуляции (Frequency Modulation) - FM-синтез;

2) синтез с использованием таблицы волн (Wave Table) - табличный, или WT-синтез.

Помимо синтеза компьютер также может управлять устройством, которое либо выдает команды для синтеза звука другим устройством, либо само способно воспроизводить (или синтезировать) звук. В этом случае специ­альная управляющая информация между такими устройствами передается по так называемому MIDI-интерфейсу, а устройство, подключаемое к тако­му интерфейсу, называется MIDI-устройством.

Не менее распространенным способом воспроизведения звука с компью­тера со звуковой картой является управление приводом CD-ROM или DVD-ROM, в кото­ром находится компакт-диск с записанной на нем аудиоинформацией.

FM-синтез

Цифровой FМ-синтез звука осуществляется с использованием специаль­ных генераторов сигналов, называемых также операторами. В операторе можно выделить два базовых элемента: фазовый модулятор и генера­тор огибающей.

Фазовый модулятор опреде­ляет частоту (высоту) тона, а ге­нератор огибающей - его ампли­туду (громкость).

При нажатии клавиши н синтезаторе амплитуда сигнала сначала быстро возрастает до максимума, затем немного спадает, после чего следует сравни­тельно короткий, но равномерный участок, и только затем происходит дос­таточно медленный спад амплитуды. Вышеназванные фазы сигнала реализуются генератором огибающей и носят названия соответственно Attack, Decay, Sustain и Release, а сам генератор (по их первым буквам) часто называется ADSR-генератором,

В общем случае, для того чтобы воспроизвести голос одного инструмента, достаточно двух операторов. Первый оператор генерирует несущие коле­бания, то есть основной тон, а второй - модулирующую частоту, или обер­тона - интенсивность звука определяется амплитудой носителя, а тембро­вая окраска, или насыщенность - обертонами, то есть амплитудой модуля­тора и соотношением частот носителя и модулятора (глубиной модуляции).

Комбинации включения операторов называют FM-алгоритмами, при этом каждый из операторов может формировать одну из определенных форм сигнала (waveform). Для четырехоператорных синтезаторов схемы включения более сложные и задаются FM-алгоритмами, которые определяют, какой из операторов выступает генератором основного тона, а какой - модулятором, а также способы их включения и т.д.

WT-синтез

Суть технологии WT-синтеза состоит в следующем. На звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с “зашитыми” в него образцами звучания настоящих музыкальных инструментов - сэмплами (Samplers), при этом WT-процессор с помощью специальных алгоритмов по одному тону инструмента воспроизводит все его остальные звуки. Кроме того, многие производители оснащают свои звуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записывать произвольные сэмплы, но и загружать новые инструменты.

Выборки сигналов (таблицы) сохраняются либо в ПЗУ, либо программно загружаются в ОЗУ звуковой карты. WT-процессор выполня­ет операции над выборками сигнала, изменяя их амплитуду и частоту. Звук инструментов, получаемый таким образом более похож на звучание реальных инструментов, нежели, например, при FM-синтезе.

Управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) устройства. MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDI-сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки. Когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается.