Принципи роботи звичайних звукових карт

Крім звичайного каналу звуку на вбудований динамік комп'ютера, фактичним стандартом створення звуків на звичайному комп'ютері є звукові карти, розроблені фірмою Creative Technology . Всі інші виробники звукових карт намагаються зберегти сумісність з цими картами або апаратними, або програмними способами. Звукові карти раніше найчастіше використовували 16-бітну шину ISA , 8-ми розрядні карти вже кілька років не випускаються. З середини 1996 року всі нові моделі звукових карт підтримують режим Plug & Play. Починаючи з осені 1998 року активно почали поширюватися аудіо карти з шиною PCI .

Звукові карти складаються з двох основних частин: синтезатора для обробки MIDI команд і блоку аналогово-цифрового (АЦП - A nalog D igital C onverter - ADC) і цифроаналогового (ЦАП - D igital A nalog C onverter - DAC) перетворювача. Крім цього, на звуковій карті, як правило, розташований контролер джойстика.

За допомогою АЦП і ЦАП забезпечується можливість моно- або стереофонічного запису і відтворення аудіофайлів з рівнем якості від касетного магнітофона до аудіо-CD. Розрядність АЦП і ЦАП (аналого-цифрових і цифроаналогових перетворювачів) зараз, як правило, 16 біт, частота дискретизації від 5 до 44, 1 кГц, можлива компресія звуку (наприклад, за методом ADPCM), що дозволяє зменшувати обсяг створюваних звукових файлів. У ISA картах використовується також 8- і / або 16-бітний канал DMA , Переривання і порти введення-виведення. При використанні двох каналів DMA можливі одночасний запис і відтворення аудіосигналів, що реалізується тільки в Full-Duplex картах. Найбільш часто використовується 5 переривання (IRQ 5) і 1-й і 5-й канали DMA . Можливість двобічної роботи багатьох звукових карт зараз активно використовується для спілкування через Internet, тому рекомендується купувати звукові карти, що підтримують цей режим. PCI аудіокарти за рахунок набагато більш високій швидкості роботи шини завжди підтримують повний дуплекс

Синтезатор забезпечує імітацію звучання музичних інструментів і відтворення різних звуків при виконанні команд MIDI . Синтезатор може бути виконаний як на основі FM синтезу, так і на основі таблиці хвиль . При FM синтезі можливе одночасне звучання до 20 інструментів, а з використанням таблиці хвиль - до 512 і більше. Дуже часто плутають кількість одночасно звучать інструментів і розрядність звукової карти. Ще раз звертаємо увагу на те, що 32-х і 64-х розрядних класичних звукових карт НЕ БУВАЄ. Цифра 32 або 64 (наприклад, Sound Blaster 32 або Sound Blaster AWE64) означає максимальну кількість одночасно звучать інструментів і не більше того. Звукові карти на PCI, як правило, не мають вбудованої таблиці хвиль. Для зменшення їх вартості таблиця (таблиці) завантажуються в звичайну пам'ять комп'ютера, що дозволяє навіть з самими недорогими аудіокарта використовувати хвильові таблиці великого обсягу і, відповідно, з великою кількістю інструментів (до 512) і більш високою якістю звучання.
Звукові карти PCI мають 32-розрядну шину для обміну даними, але процедури цифрової обробки звуку і прийому / передачі результатів обробки можуть бути з розрядністю 64 і більше.

У програмне забезпечення до звукової карти, як правило, входить програма-мікшер, яка забезпечує регулювання рівнів вхідних і вихідних сигналів, регулювання тембру по низьких і високих частотах (не у всіх моделях). У таких операційних системах, як Windows 95 і Windows NT, мікшер входить до складу системи, але, як правило, своя програма-мікшер додається до кожної звукової карти.

Звукова карта має набір роз'ємів для підключення зовнішніх аналогових і цифрових сигналів:

• вхідні - мікрофон, лінійний вхід, CD-ROM аналоговий (роз'єм для його підключення зазвичай розміщений на самій карті для приєднання аудіовиходу CD-ROM приводу), CD-ROM цифровий вхід (на деяких нових PCI картах);

• вихідні - лінійний вихід, вихід на колонки або навушники). Вбудований підсилювач має потужність до 4 Вт на канал, більшість звукових карт з 1999 року мають підсилювач з вихідною потужністю, достатньою лише для навушників.

Для створення мелодій за допомогою синтезатора на звуковій карті існують спеціальні MIDI -клавіатури типу рояльної, найпростіші фіксують і передають тільки факти натискання-відпускання клавіш, більш складні мають динамічні датчики, що реагують на силу і швидкість натискання (в поєднанні з хорошим wavetable - синтезатором можлива досить повна імітація різних інструментів). MIDI-інтерфейс мають багато професійних і напівпрофесійні клавішні синтезатори.

Системи просторового звучання

Dolby Surround AC-3, він же Dolby Digital

Останнім часом системи просторового або об'ємного звучання стають все більш і більш популярними. Система Dolby Surround AC-3 була визначена фірмою Dolby Laboratories як звукова система для домашнього театру. У зв'язку з тим, що реально ця система для кінцевого користувача мало чим відрізняється від просто Dolby Digital (призначеної для професійних застосувань) було прийнято рішення про об'єднання обох технологій під загальною назвою Dolby Digital. Dolby Digital є подальшим поліпшенням раніше розроблених фірмою Dolby технологій Dolby Surround і Dolby Pro Logic . Зміни торкнулися як технології запису / відтворення звуку, так і способів його передачі. Інформація в технології Dolby Digital передається тільки в цифровій формі і за рахунок оптимальних способів кодування займає невеликий об'єм (менше, ніж звичайний аудіо сигнал).

Основне завдання, яке ставили перед собою розробники систем кодування звуку - максимально простими і недорогими способами дати можливість користувачу "бачити" джерела звуку і чітко уявляти, де знаходиться джерело будь-якого звуку. Природно, спочатку ці системи замислювалися тільки для кіноіндустрії, так як в кіно об'єднання високоякісного зображення і об'ємної звуковий картини дає найбільш сильний і помітний навіть для недосвідченого слухача ефект.

Dolby Digital не є форматом 3D звуку і не може використовуватися в іграх для підтримки самої ігрового середовища. Звук, записаний по Dolby Digital, строго кажучи, нічим в сенсі його використання, не відрізняється від звичайного аудіо і не може бути отриманий "штучним" шляхом, а тільки відповідним записом реального, "живого" звуку і не може бути змінений після запису. Тому Dolby Digital звук може супроводжувати фільм, концертний запис і т.п. і буде записаний на звичайній звуковій доріжці до фільму.

Коли з'явилися DVD відеодиски, стало можливим записувати звукову доріжку до фільмів на них в форматі Dolby Digital і одночасно інтерес до технологій від Dolby відразу виник і у виробників звукових карт, так як абсолютно очевидно, що бажання поряд з чудовою картинкою з DVD диска мати об'ємний звук з'явилося у власників комп'ютерів досить швидко.

Що потрібно мати на комп'ютері для прослуховування звуку, записаного за технологією Dolby Digital?

По-перше, власне джерело сигналу з Dolby Digital. Зараз це фактично тільки одне джерело - DVD відеодиск.
По-друге - декодер сигналу Dolby Digital. Не тільки найбільші виробники звукових карт, але і компанії другого ешелону випускають звукові карти з підтримкою декодування Dolby Digital і 6 виходами.
По-третє - акустична система з числом колонок мінімально від 4 до 5 і сабвуфером (він же LFE)
Приблизний ескіз розташування динаміків, рекомендований інженерами Dolby Laboratories, наведено на малюнку нижче:

На цьому малюнку

• LFE - L ow F requence E ffects C hannel - канал для низькочастотних ефектів. Строго кажучи, це не сабвуфер, так як низькочастотні динаміки можуть входити до складу фронтальних акустичних систем і власне низькочастотні звуки будуть відтворюватися саме ними. Сюди можуть бути спрямовані звуки потужних низькочастотних джерел - вибухи, землетруси і т.п. LFE можна не мати, але тоді ці звуки будуть спрямовані на фронтальні системи і вони повинні мати можливість відтворити подібні звуки без спотворень.

• Під підсилювачем з декодером мається на увазі будь-яке джерело декодованого Dolby Digital звуку.

• Під правим і лівим Surround розуміються акустичні системи для лівого і правого бічних каналів об'ємного звуку. Їх не називають просто тиловими, так як в кінотеатрах, в залежності від довжини залу, ліві і праві Surround системи можуть складатися з десятків динаміків як по лівій так і по правій стороні залу для глядачів.

На DVD дисках зазвичай є спеціальне маркування, що вказує тип формату запису звуку. У таблиці нижче наведені умовні позначення видів записи:

позначення

Найменування

моно

стерео

Dolby Surround

дискретний Surround

Квадрафоніческій звук

Dolby Digital 5.1

Будь-диск, на якому є хоча б один звуковий фрагмент, записаний у форматі Dolby Digital, повинен мати таке маркування:

Environmental Audio eXtensions (EAX)

Environmental Audio eXtensions - розширення аудіо середовища. Ця система тривимірного звуку була розроблена фірмою Creative Technologies як одна зі складових її проекту по звукової карти Sound Blaster Live !. Основна мета - слухач (в основному любитель ігор) повинен отримувати інформацію про місцезнаходження джерела кожного звуку і тим самим постійно бути в тривимірному звуковому оточенні. Іншими словами, слухач як би знаходиться в "гущі подій".
Слід чітко розуміти різницю між EAX і, наприклад, Dolby Digital. Dolby Digital призначена для передачі "живого" звуку. EAX же необхідна для генерації об'ємного звуку за алгоритмами, закладеним при розробці ігрової чи іншої програми або обробці вже наявного "живого" звуку під відповідне середовище. Звук відповідно до EAX може бути сформований з звичайного (наприклад, з аудіо компакт-диска) із зазначенням звуковому процесору параметрів середовища, яку бажано імітувати при відтворенні цього звуку. Як звукового середовища може бути концертний зал, стадіон і т.п. Таким же чином може бути сформований звук для будь-якої програми (гри) і в програмне забезпечення до SB Live! входять десятки готових налаштувань під різні ігри. Необхідно тільки пам'ятати, що штучне створення обсягу вимагає жертв, і, не дивлячись на високу продуктивність звукового процесора, оброблений з EAX "живий" звук, як правило, втрачає частину своєї природності.
EAX виконаний як розширення DirectSound3D і заснований на моделюванні реверберації звуку в залежності від навколишнього середовища. У EAX звукове середовище моделюється за координатами X, Y, Z, з урахуванням відображень і "вмісту" середовища, тому що дія може відбуватися в лісі, в квартирі, під водою і т.д. Недоліком EAX є те, що немає обчислень звукової картини під кожну конкретну ситуацію, а використовуються готові зумовлені установки для кожного типу навколишнього середовища. Такий підхід також полегшує життя і розробникам ігор, від яких вимагається лише вказати тип середовища і розмір кімнати (печери, тунелю і т.п.). Цей спосіб дозволяє також мати звук з EAX і для тих ігор, в яких підтримка EAX не закладена розробниками. Досить просто знати середу, в якій відбувається в основному дія гри, і підтримка як би об'ємного звуку легко з'являється.
Одним з найголовніших переімуществ EAX для розробників ігор є те, що стандарт є відкритим і включений в DirectX. Тому, строго кажучи, будь-яка фірма-розробник звукових карт може включити підтримку EAX в свій виріб, підтримуючи EAX апаратно і / або програмно. У основного конкурента, A3D, такої переваги немає. У Aureal все розраховано на використання A3D тільки зі своїми звуковими процесорами, тобто звук по Aureal може бути реалізований на звуковій карті з процесором від Aureal і ніякий інший.
Строго кажучи, різниця між різними конкуруючими системами створення об'ємного звучання визначається якістю алгоритмів і потужністю звукового процесора, який обробляє ці алгоритми. Слухач може лише оцінити результат за критеріями подобається / не подобається, природний звук / неприродний звук і т.п. Очевидно, що створити правдоподібний тривимірний звук через два гучномовці практично нереально, тому, незважаючи на запевнення про можливість прослуховування EAX через звичайну аудіо стереосистему, достовірний звук виходить тільки при підключенні не менш ніж 4-х колонок.
Для прослуховування звуку з EAX рекомендується мати наступні компоненти:

• звукову карту Sound Blaster Live! в будь-якому варіанті (Value, Full Retail, OEM Value і т.д.) або будь-яку іншу PCI звукову карту з підтримкою EAX.

• Або дві пари звичайних активних колонок, або акустичні системи Cambridge PCWorks FourPointSurround .

• Програма (найчастіше це гра), що підтримує висновок звуку в форматі EAX.

Creative Technology продовжує розвиток EAX. Навесні 1999 року була випущена версія 3.0 API EAX. У порівнянні з первісним варіантом у версіях 2.0 і 3.0 з'явилися такі доповнення:

• Дозволяє моделювати ефекти різних перешкод, таких як стіни або перегородки усередині кімнати

• Більш повний інтерфейс для параметризації відображень звуку, включаючи окремі засоби управління для початкових відображень звуку і більш пізнього ефекту його реверберації

• Покращене моделювання відстані для автоматичного управління відображенням звуку залежно від позиції джерел звуку щодо слухача.

• Індивідуальне відстеження реверберації для кожного з багатьох джерел звуків в приміщенні

• Дозволяє динамічну трансформацію між середовищами

A3D

Система просторового звучання, аналогічна за своїми областям застосування (але не за принципами проектування) EAX , Була розроблена фірмою Aureal Semiconductor для підтримки об'ємного звучання в прикладних програмах.
Основна ідея при створенні будь-якої аналогічної системи - отримати тривимірний звук з мінімальними витратами, тобто бажано на 2-х динаміках і без застосування дорогих звукових карт. За відгуками більшості користувачів, саме фірмі Aureal Semiconductor поки вдалося це зробити найкраще. Тут і далі буде викладено погляд на технологію A3D фахівців фірми Aureal Semiconductor .
Якими шляхами до слухача доходить звук? Малюнок нижче ілюструє ці шляхи:

Ця модель, строго кажучи, справедлива для високих частот. Низькочастотні звуки сприймаються інакше, так як вони легко проходять через перешкоди і сприймаються всім тілом людини, досягаючи і його вух. Тому визначити напрямок і місце джерела низькочастотного звуку досить складно і такі звуки зазвичай не використовуються для позиціонування джерела звуку.
Розрахунок формування звуку робиться на основі моделі HRTF . Звичайна модель HRTF складається з двох звукових фільтрів (по одному для кожного вуха). Функціонування фільтрів залежить від трасування звуку до вуха слухача. Саме правильної реалізацією механізму HRTF (отримано велику кількість патентів) і пояснює фірма Aureal високу якість своєї системи об'ємного звучання. Так як, на відміну від EAX, її звукова модель враховує специфічні особливості людських вух, то і об'ємність звуку більш натуральна. Звук на головних навушниках при цьому найбільш правдоподібний, так як звук надходить персонально на кожне вухо. При прослуховуванні через акустичні системи виникає взаємовплив одного каналу на інший і ефект об'ємного звучання стає менш заметені.
Розвиваючи свій успіх, фірма Aureal розробила наступну версію 2.0 системи A3D. Основна увага була приділена математичного алгоритму трасування звуку залежно від геометрії і матеріалу середовища поширення звуку, названому Wavetracing. Алгоритм і відповідне API розроблялися Aureal в кооперації з такими відомими компаніями і організаціями як NASA, Matsushita і Disney. При розрахунку звучання аналізуються не тільки відображення звуку від різних об'єктів, але і переміщення звукових хвиль через відкриту в кімнаті двері, розчинене вікно і т.п. Підтримка версії 2.0 потребує значної обчислювальної потужності звукового процесора, тому вона підтримується тільки процесорами другого покоління, як, наприклад, в звукової карти Diamond Monster Sound MX300 .

При підготовці цієї сторінки використовувалися матеріали з WEB сайтів компаній Creative Technology , Aureal Semiconductor і Dolby Laboratories .