Автоматизированные системы обработки информации и управления

Аудио

С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись

новые возможности РС. Появилась новая (звуковая) подсистема РС - комплекс

программно-аппаратных средств, предназначенных для:

Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например,

микрофона или магнитофона. В процессе записи входной аналоговые звуковые

сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на

винчестере;

Воспроизведение записанных ранее звуковых данных с помощью внешней системы

или головных телефонов (наушников) (звуковой сигнал считывается с

винчестера, преобразуется из цифрового в аналоговый и направляется к

акустической системы);

Микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от

нескольких источников;

Одновременной записи и воспроизведение звуковых сигналов;

Обработка звуковых сигналов: редактирование, объединение или разделение

фрагментов сигналов, фильтрация его уровня и т.п.

Управление панорамой стереофонического звукового сигнала;

Обработка звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного

(трехмерного - 3D Sound) звучания, что позволяет получить объемное звуковое

поле даже при использовании обычной стереофонической акустической системы.

Генерация с помощью синтезатора звучание музыкальных инструментов

(мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков;

Управление работой внешних электронных музыкальных инструментов (ЭМИ) через

специальный интерфейс MIDI;

Воспроизведение звуковых компакт-дисков;

[pic]

Рис. 4.1.1. Звуковая система РС

В классическую звуковую систему (Рис. 4.1.1.) входят;

Модуль записи и воспроизведения звука;

Модуль синтезатора;

Модуль интерфейсов;

Модуль микшера;

Акустическая система.

Каждый из модулей может выполняться в виде отдельной микросхемы или

входит в состав многофункциональной микросхемы.

2 Звуковая карта. Назначение, состав и принцип работы

Модуль записи и воспроизведения

Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны

сжатия и разряжения, свободно распространяющихся в воздухе или иной среде,

поэтому звуковое давление (звуковой сигнал) непрерывно изменяется во

времени и в пространстве.

Запись звука - это сохранение информации о колебаниях звукового

давления в момент записи. В настоящее время для записи и передачи

информации о звуке используются аналоговые и цифровые сигналы. Другими

словами, звуковой сигнал может быть представлен в аналоговой или цифровой

форме.

Чтобы получить звуковой сигнал в аналоговой форме, достаточно

воспользоваться микрофоном (Рис. 4.1.2.).

[pic]

Рис. 4.1.2

Напомним, что амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а

её частота - высоту звукового тона, поэтому для сохранения достоверной

информации о звуке амплитуда электрического напряжения должна быть

пропорциональна амплитуде звукового сигнала, а его частота должна точно

соответствовать частоте колебаний звукового давления.

Чтобы получить звуковой сигнал в цифровой форме, необходимо в

дискретные моменты времени измерять значения звукового давления, причем

чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить

достаточно часто - не менее нескольких раз за период самой высокочастотной

составляющей звукового сигнала.

В настоящее время на вход звуковой карты РС в большинстве случаев

звуковой сигнал подается в аналоговой форме. А поскольку РС оперирует

только цифровыми сигналами, исходный аналоговый сигнал перед использованием

должен быть преобразован в цифровой. В свою очередь, акустическая система

воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому на выход

звуковой карты РС должен выдать звуковой сигнал в аналоговой форме.

Таким образом, модуль записи и воспроизведения звуковой системы как

раз и осуществляет аналого-цифровой и цифро-аналоговое преобразование в

режиме программной передачи звуковых данных или передачи их по каналам DMA.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

3 Аналого-цифровое преобразование

Преобразование звукового сигнала из аналогового в цифровой происходит

в несколько этапов (Рис. 4.1.3.):

[pic]

Рис. 4.1.3. Схема преобразования звукового сигнала из аналогового в

цифровой

Сначала аналоговый звуковой сигнал источника подается на аналоговый

фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала;

Далее осуществляется дискретизация, т.е. выборка отсчетов аналогового

сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов определяется

частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретизации должна быть

не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники исходного звукового сигнала.

В противном случае оцифрованный звуковой сигнал нельзя преобразовать в

аналоговый, точно соответствующий исходному сигналу.

Так как человек способен слышать звуки, частота которых находится в

диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, следовательно, максимальная частота

дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40

кГц., т.е. отсчеты требуется проводить 40000 раз в секунду. В большинстве

современных звуковых подсистем РС максимальная частота дискретизации

звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

Одновременно с дискретизацией осуществляется квантование отсчетов по

амплитуде - мгновенные значения амплитуды измеряются и преобразуются в

цифровой код. При этом точность измерения зависит от количества разрядов

кодового слова. Таким образом, чем выше разрядность, тем ближе к реальному.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электронным

устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором дискретные

отсчеты преобразуются в последовательность чисел, причем поток цифровых

данных, представляющий сигнал, включает как полезный, так и нежелательные

высокочастотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех,

полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с высокой

крутизной амплитудно-частотной характеристики и малыми фазовыми

искажениями.

Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП)

Цифро-аналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа

(Рис. 4.1.4.).

[pic]

Рис. 4.1.4. Схема цифро-аналогового преобразования

На первом этапе из потока данных с помощью ЦАП выделяют отсчеты

сигнала, следующие с частотой дискретизации. На втором этапе из дискретных

отсчетов путем сглаживания (интерполяции) формируется непрерывный

аналоговый сигнал. Это делает фильтр низкой частоты, который подавляет

периодические составляющие спектра дискретного сигнала.

4 Кодирование звуковых данных. Характеристики модулей записи и

воспроизведения.

Кодирование звуковых данных

Чем выше требования к качеству записываемого звука, тем больше должна

емкость носителя. Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью

60 с, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 кГц, при 16-разрядном

квантовании для хранения потребует на винчестере около 10 Мб. Кроме этого

повышается требования к производительность (пропускной способности) канала

звукозаписи. Таким образом, все это требует существенно снизить объем

цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным

качеством, можно с помощью компрессии, т.е. путем уменьшения количества

отсчетов и уровня квантования или числа бит, приходящих на один отсчет.

Выбор метода кодирования при записи звукового фрагмента зависит от

набора программ сжатия, установленных в операционной системе РС. Программы

аудиосжатия поставляются вместе с программным обеспечением звуковой карты

или могут входить в состав операционной системы. Программы аудиосжатия

реализуют, например, следующие методы:

Импульсно-кодовая модуляция;

Дельта - импульсно-кодовая модуляция;

Адаптивно разностная дельта-модуляция.

Способ кодирования задается непосредственно перед записью.

Характеристики модуля записи и воспроизведения

Основными характеристиками модуля записи и воспроизведения являются:

Частота дискретизации;

Тип и разрядность АЦП и ЦАП;

Способ кодирования аудиоданных;

Возможность работы в режиме Full Duplex (возможность осуществлять

одновременно запись и воспроизведение звукового сигнала).

5 Модуль синтезатора. Синтез звука на основе частотной модуляции, таблицы

волн, физического моделирования и их характеристики.

Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор (далее - синтезатор) звуковой

подсистемы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и

звучание реальных музыкальных инструментов.

Принцип синтезирования заключается в воссоздании структуры

музыкального тона (ноты) созданный с помощью музыкального инструмента

звуковой сигнал, как правило, имеет несколько временных фаз: атака,

поддержка и затухание (Рис. 4.1.5.).

Форма амплитудной огибающей зависит от типа музыкального инструмента.

Однако, выделенные фазы характерны для звуков практически всех музыкальных

инструментов (за исключением ударных).

[pic]

Рис. 4.1.5. Фазы звукового сигнала

В общем случае технология создания звука (голоса инструмента) в

современных синтезаторах заключается примерно в следующем (Рис. 4.1.6.).

[pic]

Рис. 4.1.6. Создание голоса инструмента в современных синтезаторах

В настоящее время на звуковых картах устанавливаются синтезаторы,

генерирующие звук с использованием:

Частотной модуляции - FM- синтеза;

Таблицы волн - WT- синтеза;

Физического моделирования.

Синтез звука на основе частотной модуляции

Высота звука зависит от частоты основного тона. Обертоны, даже если их

сила велика, на ощущение высоты звука влияют мало, но придают ему

своеобразную окраску. Способность человеческого уха разложить сложный звук

на гармонические составляющие (основной тон и обертоны) позволяет различать

звуки, например, отличить ноту до, взятую на кларнете, от той же ноты,

взятой на рояле.

Таким образом, если синтезировать сигналы основного тона и обертонов,

присущих звучанию конкретного инструмента, можно имитировать звук

практически любой ноты этого инструмент.

Как уже отмечалось, высота созданного с помощью музыкального

инструмента звукового сигнала характеризуется частотой и формой амплитудной

огибающей. От формы амплитудной огибающей зависит также и спектральный

состав обертонов. Обычно в фазе атаки количество высокочастотных

составляющих максимально и постепенно уменьшается на стадиях поддержки и

затухания. Особенно это свойственно звуку смычковых и клавишных

инструментов. Следовательно, в простейшем случае для генерации голоса

музыкального инструмента достаточно двух генераторов сигналов сложной

формы: генератора несущей частоты и модулирующего генератора (Рис. 4.1.7.).

[pic]

Рис. 4.1.7. Синтез звука на основе частотной модуляции

Генератор несущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-

модулированный сигналом обертонов. Модулирующий генератор (генератор

огибающей) управляет индексом модуляции сигнала основного тона и амплитудой

результирующего сигнала. Управление генераторами (настройка частоты, выбор

формы амплитудной огибающей, режим работы и т. п.) осуществляется путем

подачи на его вход цифрового кода. Эти генераторы называются операторами.

Такой способ не позволяет подучить много спектральных составляющих

звукового сигнала, поэтому в реальных FM-синтезаторах используется не два,

а шесть и более операторов, модулирующих друг друга. При этом создание

новых звуков осуществляется на основе эмпирических методов путем выбора

определенных соотношений частот и схем соединения операторов. Варианты

соединения операторов называют FM-алгоритмами. В первых звуковых картах

использовался двухоператорный синтез, т. е. в создании голоса одного

инструмента (тембра) участвовало только два генератора. FM-синте-заторы

современных звуковых карт могут работать в двух-, четырех- и т. д.

операторных режимах.

Каждый оператор может формировать сигнал одной из определенных форм

(waveform). В соответствии с FM-алгоритмом операторы могут соединяться по-

разному. Например, выходные сигналы операторов могут суммироваться

(аддитивный синтез). При последовательном соединении с петлей обратной

связи второй оператор будет задавать основной тон сигнала (являться

генератором несущей), а первый – определять обертона (является

модулятором). В этом случае сигнал с выхода первого оператора поступает на

вход второго, а с выхода второго – на вход первого.

Звуковые карты с FM-синтезаторами обеспечивают повторяемость тембров,

Например, партия скрипки, записанная с использованием FM-синтезатора одной

модели, будет звучать практически без искажений на FM-синтезаторах других

моделей. К настоящему времени накоплено большое количество FM-алгоритмов

синтеза оригинальных звучаний (тембров).

Однако, поскольку процесс синтеза во времени совмещен с процессом

исполнения музыки, значительно возрастают требования к суммарной

производительности PC и собственно FM-синтезатора. Действительно, чем выше

требования к точности воспроизведения звучания музыкального инструмента,

тем большее количество генераторов должно быть задействовано. При этом

алгоритм управления генераторами окажется достаточно сложным – ведь

необходимо учитывать малейшие оттенки звучания, присущие конкретному

инструменту. Для уменьшения объема вычислений в звуковых картах

используются упрощенные алгоритмы, при этом голос инструмента формируется

минимальным количеством генераторов. Это приводит к тому, что звуковые

карты с FM-синтезом формируют мало благозвучных тембров. Вследствие этого

имитация звучания реальных музыкальных инструментов оказывается очень

грубой.

Синтез звука на основе таблицы волн

При использовании синтеза звука на основе таблицы волн (WТ- синтез)

можно получить более реалистичное и качественное звучание, чем при

использовании FM- синтеза. В WT- синтезаторе используются предварительно

оцифрованные образы звучания реальных музыкальных инструментов, и других

звуков. Каждый образ звучания, называемый патчем, или инструмент, включает

в себя один или несколько сэмплов, организованных определенным образом.

Сэмпл – это оцифрованный фрагмент реального звука, определенный тон

музыкального инструмента или, например, звук выстрела.

Как известно, с помощью специальных алгоритмов даже по одному тону

музыкального инструмента можно воспроизвести все остальные и таким образом

полностью восстановить звучание инструмента во всем рабочем диапазоне

частот (Рис. 4.1.8).

[pic]

Рис. 4.1.8. Синтез звука с помощью WT - синтезатора

Например, если сэмпл, оцифрованный с частотой 44,1 кГц, воспроизвести

с удвоенной частотой 88,2 кГц (вдвое быстрее), то высота звука возрастет на

октаву. Если же воспроизводить сигнал с пониженной частотой, то высота

звука уменьшится. Таким образом, путем воспроизведения сэмпла с разной

скоростью, в принципе, можно получить звук любой высоты.

Такой принцип генерации звука реализован в так называемых сэмплерах –

прообразах WT-синтезаторов. Сэмплер представляет собой устройство, с

помощью которого можно записывать звуки реального инструмента с микрофона и

затем воспроизводить с разной скоростью. Однако при генерации звука таким

способом одновременно с изменением скорости воспроизведения и,

соответственно, высоты звука будет изменяться длительность атаки и

затухания сигнала, что приведет к искажению тембра синтезируемого

инструмента.

Поэтому в WT-синтезаторах применяется другой способ изменения высоты

звука. Оцифровке подвергаются несколько разных по высоте звуков реального

музыкального инструмента, перекрывающих весь его рабочий частотный

диапазон. Шаг по частоте должен быть достаточно мал, чтобы изменения тембра

не были слышны. Для недорогих WT-синтезаторов достаточной считается

оцифровка звучания музыкального инструмента с интервалом пол-октавы.

После оцифровки все сэмплы (или их часть) объединяются в патч, т. е.

набор фрагментов звучания реального инструмента во всем рабочем диапазоне

частот. Именно поэтому термины патч и инструмент являются синонимами.

При генерации звука определенной высоты WT-синтезатор определяет, в

каком частотном диапазоне находится звук, выбирает сэмплы, частота которых

наиболее близка к частоте генерируемого звука, и изменяет частоту основного

тона этих сэмплов на конкретную величину.

Кроме того, звучание некоторых музыкальных инструментов становится

более реалистичным и выразительным при одновременном воспроизведении

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20