1.Звуковая система ПК

Звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического средства информатизации.

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

запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона, путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;

воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников);

воспроизведение звуковых компакт-дисков;

микширование (смешивание) при записи или воспроизведении 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 инструментов через специальный интерфейс MIDI.

Звуковая система ПК конструктивно представляет собой звуковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

Классическая звуковая система, как показано на рис. 5.1, содержит:

Модуль записи и воспроизведения звука;

модуль синтезатора;
модуль интерфейсов;
модуль микшера;
акустическую систему.

Первые четыре модуля, как правило, устанавливаются на звуковой карте. Причем существуют звуковые карты без модуля синтезатора 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 содержать как несколько, так и одну микросхему.

Конструктивные исполнения звуковой системы ПК претерпевают 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».

2. Модуль записи и воспроизведения

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

Звук, как известно, представляет собой продольные волны, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде, поэтому 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.

Если при записи звука пользуются микрофоном, который преобразует непрерывный во времени звуковой сигнал в непрерывный во времени электрический сигнал , получают звуковой сигнал в аналоговой форме. Поскольку амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, постольку для сохранения достоверной информации о звуке напряжение электрического сигнала должно быть пропорционально звуковому давлению, а его частота должна соответствовать частоте колебаний звукового давления.

На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем что ПК оперирует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая система, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обработки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый.

Аналого-цифровое преобразование представляет собой преобразование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала представлена на рис. 5.2.

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

Дискретизация сигнала заключается в выборке отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью и определяется частотой дискретизации. Причем частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармоники (частотной составляющей) исходного звукового сигнала. Поскольку человек способен слышать звуки в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, максимальная частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц, т. е. отсчеты требуется проводить 40 000 раз в секунду. В связи с этим в большинстве современных звуковых систем ПК максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

Квантование по амплитуде представляет собой измерение мгновенных значений амплитуды дискретного по времени сигнала и преобразование его в дискретный по времени и амплитуде. На рис. 5.3 показан процесс квантования по уровню аналогового сигнала, причем мгновенные значения амплитуды кодируются 3-разрядными числами.

Кодирование заключается в преобразовании в цифровой код квантованного сигнала. При этом точность измерения при квантовании зависит от количества разрядов кодового слова. Если значения амплитуды записать с помощью двоичных чисел и задать длину кодового слова N разрядов, число возможных значений кодовых слов будет равно 2 N . Столько же может быть и уровней квантования амплитуды отсчета. Например, если значение амплитуды отсчета представляется 16-разрядным кодовым словом, максимальное число градаций амплитуды (уровней квантования) составит 2 16 = 65 536. Для 8-разрядного представления соответственно получим 2 8 =256 градаций амплитуды.

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электронным устройством - аналого-цифровым преобразова телем (АЦП), в котором дискретные отсчеты сигнала преобразуются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелательные высокочастотные помехи, для фильтрации которых полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рис. 5.4. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой дискретизации. 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 записи и хранения звукового сигнала в цифровой форме требуется большой объем дискового пространства. Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 с, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 кГц при 16-разрядном квантовании для хранения требует на винчестере около 10 Мбайт.

Для уменьшения объема цифровых данных, необходимых для представления звукового сигнала с заданным качеством, используют компрессию (сжатие), заключающуюся в уменьшении (Количества отсчетов и уровней квантования или числа бит, при-I холящихся на один отсчет.

Подобные методы кодирования звуковых данных с использованием 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 являются: частота дискретизации; тип и разрядность АЦП и ЦАП; способ кодирования аудиоданных; возможность работы в режиме Full Duplex .

Частота дискретизации определяет максимальную частоту 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) частота дискретизации должна быть не менее 44 кГц. Практически все звуковые карты поддерживают запись и воспроизведение стереофонического звукового сигнала с частотой дискретизации 44,1 или 48 кГц.

Разрядность АЦП и ЦАП определяет разрядность представления цифрового сигнала (8, 16 или 18 бит). Подавляющее большинство звуковых карт оснащено 16-разрядными АЦП и ЦАП. Такие звуковые карты теоретически можно отнести к классу Hi-Fi, которые должны обеспечивать студийное качество звучания. Некоторые звуковые карты оснащаются 20- и даже 24-разрядными АЦП и ПАП, что существенно повышает качество записи/воспроизведения звука.

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, например, при проведении телеконференций, когда высокое качество звука не требуется.

3. Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой системы позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов. Принцип действия синтезатора иллюстрирует рис. 5.5.

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания структуры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкального инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5.5, а показаны фазы звукового сигнала, возникающего при нажатии клавиши рояля. Для каждого музыкального инструмента вид сигнала будет своеобразным, но в нем можно выделить три фазы: атаку, поддержку и затухание. Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей, форма которой зависит от типа музыкального инструмента. Длительность атаки для разных музыкальных инструментов изменяется от единиц до нескольких десятков или даже до сотен миллисекунд. В фазе, называемой поддержкой, амплитуда сигнала почти не изменяется, а высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе, затуханию, соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала.

В современных синтезаторах звук создается следующим образом. Цифровое устройство , использующее один из методов синтеза, генерирует так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (ноту), который должен иметь спектральные характеристики, максимально близкие к характеристикам имитируемого музыкального инструмента в фазе поддержки, как показано на рис. 5.5, б. Далее сигнал возбуждения подается на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику реального музыкального инструмента. На другой вход фильтра подается сигнал амплитудной огибающей того же инструмента. Далее совокупность сигналов обрабатывается с целью получения специальных звуковых эффектов, например, эха (реверберация), хорового исполнения (хо-рус). Далее производятся цифроаналоговое преобразование и фильтрация сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ). Основные характеристики модуля синтезатора:

Метод синтеза звука;

Объем памяти;

Возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эффектов;

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 использование для генерации голоса музыкального инструмента как минимум двух генераторов сигналов сложной формы. Генератор несущей 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, отличается 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 предварительно оцифрованных образцов звучания реальных музыкальных инструментов и других звуков, хранящихся в специальной ROM, выполненной в виде микросхемы памяти или интегрированной 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 самостоятельным элементом (микросхемой), либо интегрироваться в состав WT-синтезатора. Для подавляющего большинства карт с WT-синтезом эффекты реверберации и хоруса стали стандартными. Синтез звука на основе физического моделирования предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде и для дальнейшего преобразования в звуковой сигнал с помощью ЦАП. Звуковые карты, использующие метод физического моделирования, пока не получили широкого распространения , поскольку для их работы требуется мощный ПК.

4. Модуль интерфейсов

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

Интерфейс ISA в 1998 г. был вытеснен в звуковых картах интерфейсом PCI.

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

MIDI (Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов) регламентируется специальным стандартом, содержащим спецификации на аппаратный интерфейс: типы каналов, кабели, порты, при помощи которых MIDI-устройства подключаются один к другому, а также описание порядка обмена данными - протокола обмена информацией между MIDI-устройствами. В частности, с помощью MIDI-команд можно управлять светотехнической аппаратурой, видеооборудованием в процессе выступления музыкальной группы на сцене. Устройства с MIDI-интерфейсом соединяются последовательно, образуя своеобразную MIDI-сеть, которая включает контроллер - управляющее устройство, в качестве которого может быть использован как ПК, так и музыкальный клавишный синтезатор, а также 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 специального MIDI-адаптера, который имеет три MIDI-порта: ввода, вывода и сквозной передачи данных, а также два разъема для подключения джойстиков.

В состав звуковой карты входит интерфейс для подключения приводов CD-ROM.
5. Модуль микшера

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

коммутацию (подключение/отключение) источников и приемников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;

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

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом канале;
регулирование уровня суммарного сигнала;
выходная мощность усилителя;
наличие разъемов для подключения внешних и внутренних приемников/источников звуковых сигналов.

Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Внешние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней панели корпуса системного блока: Joystick / MIDI - для подключения джойстика или MIDI-адаптера; Mic In - для подключения микрофона; Line In - линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов; Line Out - линейный выход для подключения 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, поставляемой 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 совместимости 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.

6. Акустическая система

Акустическая система (АС) непосредственно преобразует звуковой электрический сигнал в акустические колебания и является последним звеном звуковоспроизводящего тракта.

В состав АС, как правило, входят несколько звуковых колонок, каждая из которых может иметь один или несколько динамиков. Количество колонок в АС зависит от числа компонентов, составляющих звуковой сигнал и образующих отдельные звуковые каналы.

Например, стереофонический сигнал содержит два компонента - сигналы левого и правого стереоканалов, что требует не менее двух колонок в составе стереофонической акустической системы. Звуковой сигнал в формате Dolby Digital содержит информацию для шести звуковых каналов: два фронтальных стереоканала, центральный канал (канал диалогов), два тыловых канала и канал сверхнизких частот. Следовательно, для воспроизведения сигнала Dolby Digital акустическая система должна иметь шесть звуковых колонок.

Как правило, принцип действия и внутреннее устройство звуковых колонок бытового назначения и используемых в технических средствах информатизации в составе акустической системы PC практически не различаются.

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

Для воспроизведения низких и сверхнизких частот с высоким качеством в АС помимо двух колонок используется третий звуковой агрегат - сабвуфер (Subwoofer ), устанавливаемый под рабочим столом. Такая трехкомпонентная АС для ПК состоит из двух так называемых сателлитных колонок, воспроизводящих средние 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 встроенным усилителем называется активной. Пассивная АС усилителя не имеет.

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

Выходная мощность акустических систем для ПК может изменяться в широком диапазоне и зависит от технических характеристик 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.

Современные модели акустических систем имеют гнездо для головных телефонов, при подключении которых воспроизведение звука через колонки автоматически прекращается.

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 появлением в выходном сигнале новых спектральных составляющих. Коэффициент гармоник нормируется в нескольких диапазонах частот. Например, для высококачественных АС класса Hi-Fi этот коэффициент не должен превышать: 1,5% в диапазоне частот 250- 1000 Гц; 1,5 % в диапазоне частот 1000-2000 Гц и 1,0 % в диапазоне частот 2000 - 6300 Гц. Чем меньше значение коэффициента гармоник, тем качественнее АС.

Электрическая мощность (Power Handling ), которую выдерживает АС, является одной из основных характеристик. Однако нет прямой взаимосвязи между мощностью и качеством воспроизведения 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 реальную мощность системы, поскольку может превышать номинальную 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.

Среди производителей высококачественных и дорогих АС - фирмы Creative, Yamaha, Sony, Aiwa. AC более низкого класса выпускают фирмы Genius, Altec, JAZZ Hipster.

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 производит небольшой Chipset, установленный в колонках.
7. Направления совершенствования звуковой системы

В настоящее время фирмы Intel, Compaq и Microsoft предложили новую архитектуру звуковой системы ПК. Согласно этой архитектуре модули обработки звуковых сигналов выносятся за пределы корпуса ПК, в котором на них действуют электрические помехи, и размещаются, например, в колонках акустической системы. В этом случае звуковые сигналы передаются в цифровой форме, что значительно повышает их помехозащищенность и качество воспроизведения звука. Для передачи цифровых данных в цифровой форме предусматривается использование высокоскоростных шин USB и ШЕЕ 1394.

Еще одним направлением совершенствования звуковой системы является создание объемного (пространственного) звука, называемого трехмерным, или 3D-Sound (Three Dimentional Sound ). Для получения объемного звучания производится специальная обработка фазы сигнала: фазы выходных сигналов левого и правого каналов сдвигаются относительно исходного. При этом используется свойство мозга человека определять положение источника звука путем анализа соотношения амплитуд и фаз звукового сигнала, воспринимаемого каждым ухом. Пользователь звуковой системы, оборудованной специальным модулем обработки 3D-звука, ощущает эффект «перемещения» источника звука.

Новым направлением применения мультимедийных технологий является создание домашнего театра на базе ПК (PC - Theater ), т.е. варианта мультимедийного ПК, предназначенного одновременно нескольким пользователям для наблюдения за игрой, про-

смотра образовательной программы или фильма в стандарте DVD. PC-Theater в своем составе имеет специальную многоканальную акустическую систему, формирующую объемный звук (Surround Sound ). Системы Surround Sound создают в помещении различные звуковые эффекты , причем пользователь ощущает, что он находится в центре звукового поля, а источники звука - вокруг него. Многоканальные звуковые системы Surround Sound используются в кинотеатрах и уже начинают появляться в виде устройств бытового назначения.

В многоканальных системах бытового назначения звук записывается на двух дорожках лазерных видеодисков или видеокассет по технологии Dolby Surround, разработанной фирмой Dolby Laboratories. К наиболее известным разработкам в этом направлении относятся:

Dolby (Surround ) Pro Logic - четырехканальная звуковая система, содержащая левый и правый стереоканалы, центральный канал для диалогов и тыловой канал для эффектов.

Dolby Surround Digital - звуковая система, состоящая из 5 + 1 каналов: левого, правого, центрального, левого и правого каналов тыловых эффектов и канала сверхнизких частот. Запись сигналов для системы выполняется в виде цифровой оптической фонограммы на кинопленке.

В отдельных моделях акустических колонок помимо стандартных регуляторов высоких/низких частот, громкости и баланса имеются кнопки для включения специальных эффектов, например, ЗD-звука, Dolby Surround и др.

Контрольные вопросы

Какие основные функции выполняет звуковая система ПК?

Какие основные компоненты входят в состав звуковой системы ПК?

Исходя из каких соображений выделяется частота дискретизации сигнала в процессе аналого-цифрового преобразования?

Перечислите основные этапы аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.

Какие основные параметры характеризуют модуль записи и воспроизведения звука?

Какие применяют методы синтеза звука?

Какие функции выполняет модуль микшера и что относится к числу его основных характеристик?

В чем отличие пассивной акустической системы от активной?

Введение

04.13

Установка операционной системы Windows 7

Сегодня я устанавливал операционную систему Windows 7. Для этого я проделал следующие действия:

Я вставил DVD диск в CD-ром и перезагрузил компьютер, как только появится экран загрузки windows, нажал клавишу "delete", чтобы перейти в BIOS и загрузиться с установочного диска.

В появившемся окне BIOS перешел во вкладку "Boot".
Далее кликнул на вкладку "Boot Device Priority".
В этом окне, для установки системы windows 7 , я поставил CD-ром первым загрузочным устройством. Далее нажал F10 для сохранения параметров и "OK".
Далее появилось окно, где я выбрал пункт "Установка windows".
Файлы загрузились и в этом окне, я сделал начальные установки windows 7. Выбрал русский язык.
В следующем окне, также выбрал нужный язык и нажал кнопку "Далее".
Далее выбрал 64-разрядную операционную систему для установки windows 7 на компьютер .
Выбрал тип установки windows 7 - "полная установка".
Выбрал раздел для установки windows 7.
После чего ждал пока установятся все компоненты windows 7.
Как все файлы распаковались и установились все компоненты, выбрал имя для учетной записи и нажал "Далее".
Выбрал пункт "Использовать рекомендуемые параметры".

Рис. 1. Окно завершения установки Windows 7

04.13

Ознакомление и изучение параметров ноутбука Sony VAIO CA

Сегодня я занимался ознакомлением и изучением параметров ноутбука Sony VIAO CA

Серия VAIO CA включает в себя ноутбуки, оснащенные последними процессорами от Intel на архитектуре Sandy Bridge. Клавиатура выполнена в островном стиле, клавиши находятся друг от друга на ощутимом расстоянии. Клавиатура оснащена подсветкой. Стандартные клавиши Vaio, Web и Assist остались на месте. Вес ноутбука составляет 2.3 килограмма, а толщина 28 милимметров. Дисплеи Sony VAIO всегда отличались превосходным качеством, 14-дюймовая TFT-панель VAIO CA не стала исключением обладая разрешением 1366 на 768, он выдаёт чёткое изображение. Рабочая поверхность размещена рационально. Интересная особенность дисплея датчик освещения, автоматически регулирующий яркость экрана в зависимости от условий. Над дисплеем располагается HD веб-камера. Интересное дополнение предустановленная программа ArcSoft, позволяющая записывать видеоролики. Для выхода в сеть предусмотрен Wi-Fi приемник и Ethernet-разъем. Производительный процессор Core i3 на Sandy Bridge в тандеме с дискретной графикой от AMD открывает мощные мультимедийные возможности, система способна потянуть даже сорвеменные видеоигры, хоть и на невысоких настройках графики.

Рис. 2. Внешний вид ноутбука Sony VIAO CA

04.13

Замена термопасты в ноутбуке

Сегодня я занимался заменой термопасты в ноутбуке.

Для работы мне понадобилась непосредственно сама термопаста, крестообразная отвертка, игла и салфетки.

Я вытянул штекер от блока питания и положил его на ровную поверхность. Далее начал снимать батарею. Болтики, которые погружены в корпус я не трогал, а остальные открутил. После чего снял крышку и получил доступ ко всем компонентам ноутбука. В центре я увидил 2 модуля ОЗУ, чуть ниже платку Intel Turbo Memory, чуть выше - Wi-Fi адаптер, справа внизу винчестер и чуть выше - видеокарту. Я начал снимать винчестер. Для этого я его горизонтально отодвинул от разъема, потом приподнял сторону и вытащил его оттуда. Видеокарта прижата к радиатору четырьмя болтиками. Я аккуратно их открутил, после чего подцепил отверткой противоположный край видеокарты и аккуратно вытянул вверх из разъема. Дальше я начал удалять термопасту с радиатора и чипа, а так же с видеочипа.

Наконец я приступил к нанесению термопасты. Для этой процедуры мне потребовалось очень немного термопасты. Наносил я специальной лопаточкой, которая идет с ней в комплекте.

Рис. 3. Чип с термопастой

04.13

Восстановление информации на жестком диске

Сегодня я занимался восстановлением информации на жестком диске с помощью утилиты Recuva .

При первом же запуске программы она предложила мне выбрать тип файлов, который нужно будет восстановить. Я выбрал “прочее”. Далее я выбрал место где нужно искать мой файл. Так как он был в папке документов, я указал путь “ C :\ Documents ”. Я поставил галочку на “включить углубленный анализ” и нажал начать. Программа начала производить поиск, а потом выдала нужный мне результат. Я выбрал нужный мне файл и нажал Восстановить”, после чего файл вернулся на то место, где он был изначально перед удалением.

Рис. 4. Интерфейс Recuva

04.13

Настройка WI - FI -сети для Windows Vista

Сегодня я занимался подключением WI - FI -сети для Windows Vista .

Для начала, чтобы подключиться к сети я запустил Центр управления сетями и общим доступом. Потом нажал на Подключиться к сети. В окошке отразился список доступных сетей, после того как я нажал Обновить. Далее я нажал на Подключиться и ввёл ключ к сети, который вводил при настройке точки доступа. Нажал подключить. Закрыл окно и указал размещение.

Результат :

Рис. 5. Окно центра управления сетями и общим доступом в Windows Vista

04.13

Резервное копирование данных

Сегодня я занимался резервным копированием данных с помощью программы Comodo Backup .

Я запустил нужную мне программу, после чего в нижнем окошке выбрал файлы, которые мне нужно скопировать. Нажал далее. Далее я настроил фильтры. Они нужны в тех случаях, когда из заданных папок нужно скопировать только файлы, которые удовлетворяют/не удовлетворяют определенным условиям. В этой программе есть два типа фильтров: - фильтр добавлений. Этот фильтр указывает, какие файлы должны быть добавлены в архив. Остальные файлы добавлены не будут. - Фильтр исключений. Этот фильтр указывает, какие файлы НЕ должны добавляться в архив. Остальные файлы будут добавлены

Фильтру добавлений в архив будут добавляться только файлы с расширениями .doc и .pdf:

В последующем окне меня ничего не интересовало, поэтому я нажал “готово”, для завершения процедуры.

Рис. 6 Интерфейс Comodo Backup

04.13

Проверка оперативной памяти

Сегодня я занимался проверкой оперативной памяти.

Memtest записывает в каждый блок памяти информацию, а затем считывает её и проверяет на ошибки. В процессе тестирования утилита совершает несколько проходов, что позволило мне выявить и составить список плохих блоков памяти в формате BadRAM . Программа запускается с помощью собственного загрузчика, поэтому наличие операционной системы для её работы не обязательно.

Я вставил диск с программой в компьютер, после чего перезагрузился и зашел в BIOS и там выставил загрузку с диска. После чего вышел из BIOS и выждал, пока вместо операционной системы загрузилась программа.

Тест оперативной памяти сразу же запустился.

Рис. 7. Окно BIOS

Так как программа нашла ошибки на нескольких стадиях, я заменил планку оперативной памяти.

.04.13

Изучение функций звуковой системы ПК

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

запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона, путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;
воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников);
воспроизведение звуковых компакт-дисков;
микширование (смешивание) при записи или воспроизведении 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 3D- Sound ) звучания;
генерирование с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов, а также человеческой речи и других звуков;
управление работой внешних электронных музыкальных инструментов через специальный интерфейс MIDI .

Звуковая система ПК конструктивно представляет собой звуковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК, а также устройства записи и воспроизведения аудиоинформации (акустическую систему). Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

04.13

Изучение структуры звуковой системы ПК

Классическая звуковая система, как показано на рис. 8, содержит:

модуль записи и воспроизведения звука;

модуль синтезатора;

модуль интерфейсов;

модуль микшера;

акустическую систему.

Рис. 8 . Структура звуковой системы ПК.

04.13

Изучение модуля записи и воспроизведения

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

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.

Если при записи звука пользуются микрофоном, который преобразует непрерывный во времени звуковой сигнал в непрерывный во времени электрический сигнал, получают звуковой сигнал в аналоговой форме. Поскольку амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота высоту звукового тона, постольку для сохранения достоверной информации о звуке напряжение электрического сигнала должно быть пропорционально звуковому давлению, а его частота должна соответствовать частоте колебаний звукового давления.

На вход звуковой карты ПК в большинстве случаев звуковой сигнал подается в аналоговой форме. В связи с тем, что ПК оперирует только цифровыми сигналами, аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Вместе с тем акустическая система, установленная на выходе звуковой карты ПК, воспринимает только аналоговые электрические сигналы, поэтому после обработки сигнала с помощью ПК необходимо обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый.

04.13

Аналого-цифровое преобразование сигнала

Аналого-цифровое преобразование представляет собой преобразование аналогового сигнала в цифровой и состоит из следующих основных этапов: дискретизации, квантования и кодирования. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала представлена на рис. 9.

Рис. 9. Схема аналого-цифрового преобразования звукового сигнала

Рис. 10. Дискретизация по времени и квантование по уровню аналогового сигнала

Аналого-цифровое преобразование осуществляется специальным электронным устройством аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в котором дискретные отсчеты сигнала преобразуются в последовательность чисел. Полученный поток цифровых данных, т.е. сигнал, включает как полезные, так и нежелательные высокочастотные помехи, для фильтрации которых полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.

04.13

Цифроаналоговое преобразование сигнала

Цифроаналоговое преобразование в общем случае происходит в два этапа, как показано на рис. 11. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой дискретизации. 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.

Рис. 11. Схема цифроаналогового преобразования

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

Подобные методы кодирования звуковых данных с использованием 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 являются: частота дискретизации; тип и разрядность АЦП и ЦАП; способ кодирования аудиоданных; возможность работы в режиме Full Duplex .

.04.13

Изучение цифрового синтезатора

Рис. 12. Принцип действия современного синтезатора: а фазы звукового сигнала; б схема синтезатора

Синтезирование представляет собой процесс воссоздания структуры музыкального тона (ноты). Звуковой сигнал любого музыкального инструмента имеет несколько временных фаз. На рис. 5а показаны фазы звукового сигнала, возникающего при нажатии клавиши рояля. Для каждого музыкального инструмента вид сигнала будет своеобразным, но в нем можно выделить три фазы: атаку, поддержку и затухание. Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей, форма которой зависит от типа музыкального инструмента. Длительность атаки для разных музыкальных инструментов изменяется от единиц до нескольких десятков или даже до сотен миллисекунд. В фазе, называемой поддержкой, амплитуда сигнала почти не изменяется, а высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе, затуханию, соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала.

04.13

Обеспечение обмена данными звуковой системы

Интерфейс ISA в 1998 г. был вытеснен в звуковых картах интерфейсом PCI .

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

MIDI (Musical Instrument Digital Interface цифровой интерфейс музыкальных инструментов) регламентируется специальным стандартом, содержащим спецификации на аппаратный интерфейс: типы каналов, кабели, порты, при помощи которых MIDI -устройства подключаются один к другому, а также описание порядка обмена данными протокола обмена информацией между MIDI -устройствами. В частности, с помощью MIDI -команд можно управлять светотехнической аппаратурой, видеооборудованием в процессе выступления музыкальной группы на сцене. Устройства с MIDI -интерфейсом соединяются последовательно, образуя своеобразную MIDI -сеть, которая включает контроллер управляющее устройство, в качестве которого может быть использован как ПК, так и музыкальный клавишный синтезатор, а также 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 специального MIDI -адаптера, который имеет три MIDI -порта: ввода, вывода и сквозной передачи данных, а также два разъема для подключения джойстиков.

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

.04.13

Изучение модуля микшера звуковой карты

Модуль микшера звуковой карты выполняет:

коммутацию (подключение/отключение) источников и приемников звуковых сигналов, а также регулирование их уровня;
микширование (смешивание) нескольких звуковых сигналов и регулирование уровня результирующего сигнала.

К числу основных характеристик модуля микшера относятся:

число микшируемых сигналов на канале воспроизведения;
регулирование уровня сигнала в каждом микшируемом канале;
регулирование уровня суммарного сигнала;
выходная мощность усилителя;
наличие разъемов для подключения внешних и внутренних
приемников/источников звуковых сигналов.

Источники и приемники звукового сигнала соединяются с модулем микшера через внешние или внутренние разъемы. Внешние разъемы звуковой системы обычно находятся на задней панели корпуса системного блока: Joystick / MIDI для подключения джойстика или MIDI -адаптера; Mic In для подключения микрофона; Line In линейный вход для подключения любых источников звуковых сигналов; Line Out линейный выход для подключения 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, поставляемой 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 совместимости 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.

04.13

Изучение принципа действия акустической систем ы

Например, стереофонический сигнал содержит два компонента сигналы левого и правого стереоканалов, что требует не менее двух колонок в составе стереофонической акустической системы. Звуковой сигнал в формате Dolby Digital содержит информацию для шести звуковых каналов: два фронтальных стереоканала, центральный канал (канал диалогов), два тыловых канала и канал сверхнизких частот. Следовательно, для воспроизведения сигнала Dolby Digital акустическая система должна иметь шесть звуковых колонок.

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

Заключение

Список литературы

Индивидуальное задание

Структурная схема приемо-передающего устройства для беспроводной передачи сигнала

С ростом популярности беспроводных технологий расширяется и сфера их применения. В дипломной работе рассмотрено решение, построенное на принципе передачи медиаданных по беспроводным каналам и предназначенные для объединения ПК и компонентов бытовой аудиотехники в единый мультимедийный комплекс.

В ремя от времени у пользователей персональных компьютеров возникает необходимость подключить это устройство к стационарной аудиоаппаратуре, например к музыкальному центру. Конечно, наиболее простым вариантом в данном случае является подключение посредством кабеля. Однако у подавляющего большинства стационарных аудиокомпонентов разъемы для подключения источников сигнала располагаются на задней панели, добраться до которой обычно не так-то просто. Вторая, более серьезная проблема отсутствие у многих недорогих магнитол и музыкальных центров входов для подключения внешних источников сигнала.

Одним из самых универсальных способов решения подобных проблем является использование маломощных радиопередатчиков, транслирующих звуковой сигнал в УКВ-диапазоне (возможность приема программ на этих частотах реализована практически во всех современных моделях магнитол и музыкальных центров). Стоит также отметить, что транслируемый подобным образом сигнал можно принимать сразу несколькими расположенными неподалеку радиоприемниками.

В случае взаимодействия цифрового плеера с аналоговой аппаратурой (магнитолами, музыкальными центрами и т.п.) передача звука в аналоговом виде является единственно возможным вариантом. Если же рассматривать взаимодействие двух цифровых устройств (например, компьютера и медиацентра), то в данном случае предпочтительнее использовать передачу звуковых данных по беспроводному каналу в цифровом виде.

Традиционным способом передача звука от звуковой карты вашего ПК на усилитель колонок осуществляется с помощью кабелей. В дипломном проекте рассмотрена беспроводная передача звука по лазерному лучу, на расстояние до нескольких метров.

На рис. 6 изображена структурная схема приемника аудио-сигнала:

Рис. 6. Структурная схема приемника аудио-сигнала

На рис. 7 изображена структурная схема передатчика аудио-сигнала:

Рис. 7. Структурная схема передатчика аудио-сигнала

Первичную обмотку непосредственно нужно подключить к выходу аудио сигнала. Минус аккумулятора подключаем к одному из концов вторичной обмотки, плюс аккумулятора подключаем напрямую к плюсу лазерного диода.

Второй конец вторичной обмотки через резистор 15-47 Ом подключаем к минусу лазерного диода.

Выбор элементной базы для построения устройства для исследования звуковой системы ПК

Для сбора устройства для беспроводной передачи сигнала необходимо следующее оборудование: источник аудио сигнала (персональный компьютер, музыкальный центр или мобильный телефон), сетевой трансформатор, мощностью 10-15 Вт, резистор от 5 до 20 Ом и аккумулятор.

Трансформатор можно использовать любой сетевой, мощность не более 20 Вт, содержащий вторичную обмотку на 6 или 12 В., либо намотать самому (первичная обмотка 15 витков провода 0.8 мм., вторичная обмотка 10 витков провода 0.8 мм.).

Для приемного устройства звукового сигнала понадобится фотодиод и усилитель низкой частоты.

Светодиод используется обычный. Его можно заменить лазером (значительно увеличит расстояние передачи), который нужно будет подключить через резистор 5 Ом., 0.5 Вт. Так же источник светового луча можно дополнить оптикой от DVD привода, тем самым сконцентрировать пучок света и увеличить расстояние передачи.

Аккумулятор используется Li Ion (литий ионный) от мобильного телефона. Вместо него, можно использовать стабилизированный блок питания на 3.5 4 В., с силой тока не более 1 А.

Параметры солнечного модуля: максимальное напряжение 14 В., при максимальном токе 100 мА. Модуль можно заменить любым другим фотоприемником.

Принцип работы устройства для исследования звуковой системы ПК

Из маломощного источника звука (персональный компьютер, мобильный телефон) подается звуковой сигнал на первичную обмотку трансформатора, выходит из вторичной обмотки, усиливается с помощью аккумулятора и поступает на светодиод / лазерный диод.

Фотодиод, который служит приемником аудио сигнала, напрямую подключаем к входу усилителя мощности. Далее включаем музыку и направляем луч на фотоприемник. Луч света принимает солнечный модуль, который подключен к усилителю, а усилитель мощности усиливает слабый сигнал и в итоге получается достаточно качественный звук. Вместо лазера также можно применить обыкновенный светодиод, но в таком случае дальность передачи звукового сигнала будет не более 30 сантиметров, желательно применить белые или ультрафиолетовые светодиоды от зажигалок. При использовании лазерной указки, возможно передать звуковой сигнал на дистанцию до 15 метров, и заметьте качество звука достаточно хорошее.

Передаваемый звук достаточно мощный на дистанции 7 метров, усилитель при полной громкости в нагрузку выдавал 80 процентов своей мощности.

Качество передаваемого сигнала довольно хорошее, искажение звука не наблюдается.

Применение устройства

Такое устройство нашло очень широкое применение в науке и технике, на основе именно такого передатчика и приемника основаны лазерные микрофоны для шпионажа.

Такой прибор отличный аксессуар для компьютера, например на компьютере играет музыка, а усилитель мощности не подключен кабелем к компьютеру, таким образом также можно передавать разговор, нужно просто подать на вход устройства сигнал от микрофона (с предварительным усилителем) и в итоге получается беспроводной телефон или рация, или отличный жучек для малых дистанций.

Список литературы по индивидуальному заданию

Петров В.Н. Информационные системы. С-Пб., 2002.

Савельев А.Я. Основы информатики. М., 2001.
Глушаков С.В. Мельников И.В. Персональный компьютер. Учебный курс. - Харьков: Фалио; М.: ООО «Фирма «Издательство ACT », 2000. - 499 с.
Норенков И.П., Трудоношин В.А. Телекоммуникационные технологии. М., 2000.
Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика. М., 2000
Акдосянов В.И. Савельев П.В. Мультимедиа - что это такое? // Компьютер пресс вып.5, 1993. с.15
Грановский Ю.В. Аппаратная поддержка мультимедиа. // Компьютер пресс вып.2, 1995. с.20
Кононович А.В. Музыкальные редакторы. // Software вып.38,1997. с.30
Статьи Веб-сайта журнала «АудиоМагазин» / http://www.audiomagazine.ru/
Статьи Веб-сайта журнала «Наука и жизнь» / http://www.nkj.ru/
Статьи Веб-сайта «Издательство 625» / http://www.625-net.ru/
Статьи Веб-сайта «Со mponent . ru » / http://www.component.ru /

Звуковая система персонального компьютера служит для воспроизведения звуковых эффектов и речи, сопровождающей воспроизводимую видеоинформацию, и включает:

модуль записи/воспроизведения;
синтезатор;
модуль интерфейсов;
микшер;
акустическую систему.

Компоненты звуковой системы (исключая акустическую систему) конструктивно оформляются в виде отдельной звуковой платы или частично реализуются в виде микросхем на материнской плате компьютера.

Как правило, сигналы на входе и выходе модуля записи/воспроизведения имеют аналоговую форму, но обработка звуковых сигналов происходит в цифровой форме. Поэтому основные функции модуля записи/воспроизведения сводятся к аналого-цифровому и цифро-аналоговому преобразованиям.

Для этого входной аналоговый сигнал подвергается импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), суть которой заключается в дискретизации времени и представлении (измерении) амплитуд аналогового сигнала в дискретные моменты времени в виде двоичных чисел. Необходимо так выбрать частоту дискретизации и разрядность двоичных чисел, чтобы точность аналого-цифрового преобразования соответствовала требованиям, предъявляемым к качеству воспроизведения звука.

Согласно теореме Котельникова, если шаг дискретизации по времени, отделяющий соседние отсчеты (измеренные амплитуды), не превышает половины периода колебаний высшей составляющей в частотном спектре преобразуемого сигнала, то дискретизация времени не вносит искажений и не приводит к потерям информации. Если для высококачественного звучания достаточно, чтобы воспроизводился спектр шириной в 20 кГц, то частота дискретизации должна быть не ниже 40 кГц. В звуковых системах персональных компьютеров (ПК) обычно принимают частоту дискретизации, равную 44,1 или 48 кГц.

Ограниченная разрядность двоичных чисел, представляющих амплитуды сигналов, обусловливает дискретизацию величин сигнала. В звуковых картах в большинстве случаев применяют 16-разрядные двоичные числа, что соответствует 216 уровням квантования или 96 дБ. Иногда используют 20- или даже 24-разрядное аналого-цифровое преобразование.

Очевидно, что повышение качества звучания путем увеличения частоты f дискретизации и числа k уровней квантования приводит к существенному росту объема S получающихся цифровых данных, так как

S = f t log2k / 8,

где t — длительность звукового фрагмента, S, f и t — измеряются в Мбайтах, МГц и секундах соответственно. При стереофоническом звучании объем данных увеличивается вдвое. Так, при частоте 44,1 кГц и 216 уровней квантования количество информации для представления звукового стереофонического фрагмента длительностью в 1 мин составляет около 10,6 Мбайт. Для снижения требований как к емкости памяти для хранения звуковой информации, так и к пропускной способности каналов передачи данных используют сжатие (компрессию) информации.

Модуль интерфейсов используется для передачи оцифрованной звуковой информации к другим устройствам ПК (памяти, акустической системе) через посредство шин компьютера. Пропускной способности шины ISA, как правило, недостаточно, поэтому используют другие шины — PCI, специальный интерфейс музыкальных инструментов MIDI или некоторые другие интерфейсы.

С помощью микшера можно смешивать звуковые сигналы, создавая полифоническое звучание, накладывать музыкальное сопровождение на речь, сопровождающую мультимедийные фрагменты и т.п.

Синтезатор предназначен для генерирования звуковых сигналов, чаще всего для имитации звучания различных музыкальных инструментов. Для синтеза используют частотную модуляцию, таблицы волн, математическое моделирование. Исходные данные для синтезаторов (коды нот и типов инструментов) обычно представляют в формате MIDI (расширение MID в имени файлов). Так, при применении метода частотной модуляции управляют частотой и амплитудой суммируемых сигналов от основного генератора и генератора обертонов. Согласно методу таблицы волн результирующий сигнал получают, комбинируя оцифрованные образцы звуков, полученных от реальных музыкальных инструментов. В методе математического моделирования вместо экспериментально полученных образцов используют математические модели звуков.

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;

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)

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.

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 f 1 до f N и амплитудами от A 1 (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 A 1 и частотой f 1 (рисунок 10.16 а) пропускают через нелинейный элемент с некоторой характеристикой К(х) (рисунок 10.16 б). Зная амплитуду сигнала A 1 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 f 0 несущего колебания U(t) = Asin (2πf 0 + φ) по закону модулирующего колебания x (t). Выражения для частотно-модулированного колебание имеет вид

U(t) = Asin (ω o t + Δω∫dt),

Величина изменения частоты несущего колебания Δω 0 =2π f 0 называется девиацией частоты, аотношение отклонения Δf 0 частоты модулированного колебания к частоте модулирующего колебания f m называется индексом частотной модуляции m f = Δf 0 /f m . Изменяя индекс модуляции можно изменять спектр сигнала на выходе модулятора и тем самым достичь качества синтезируемого звука, близкого к естественному звучанию.

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

U(t) = Asin .

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

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

· запись звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона, путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов в цифровые и последующего сохранения на жестком диске;

· воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников);

· воспроизведение звуковых компакт-дисков;

· микширование (смешивание) при записи или воспроизведении 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 - 3D-Sound) звучания;

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

· управление работой внешних электронных музыкальных инструментов через специальный интерфейс MIDI.

Звуковая система ПК конструктивно представляет собой звуковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК, а также устройства записи и воспроизведения аудиоинформации (акустическую систему). Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.

Классическая звуковая система, как показано на рис. 4.23, содержит:

Модуль записи и воспроизведения звука;

Модуль синтезатора;

Модуль интерфейсов;

Модуль микшера;

Акустическую систему.

Рис. 4.23. Структура звуковой системы ПК.