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 - 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.

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».

Для многих пользователей выбор активных акустических систем для компьютера является очень сложной задачей. И это не удивительно, ведь на рынке имеются сотни похожих моделей колонок, а информацию сейчас можно почерпнуть из многочисленных источников — из статей в онлайновой и оффлайновой прессе, с сайтов производителей в сети. Правда, порой имеется лишь скудное описание и список из практически одинаковых для всех моделей технических характеристик.

Пользователю ничего другого не остаётся, как самому выбрать подходящую ему акустику. Мы вам в этом постараемся помочь, разъяснив, на что нужно обращать внимание в первую очередь, а к чему относиться с долей скептицизма. Также мы попытаемся разобраться — какое звучание вы можете услышать от колонок того или иного класса.

Классификация PC-акустики по назначению

В первую очередь нужно определиться: для каких целей вам нужна акустика, и чем вы руководствуетесь при её выборе. Существует два основных направления применения компьютерных колоночек:

Критерии при выборе PC-акустики

Рассмотрим три самых распространенных обстоятельства, на основании которых осуществляют выбор:

Как вы видите, все не так однозначно, как кажется на первый взгляд. Если же окунуться ещё глубже и начать анализировать доступный на текущий момент ассортимент товаров и возможности/потребности конкретного покупателя, то для каждого будет своя наилучшая покупка. Так что посоветовать конкретные модели — необычайно сложно. Однако, мы можем предостеречь читателя хотя бы от элементарных ошибок при выборе акустики.

Хотим сразу предостеречь вас от поспешных выводов при сравнении акустики по техническим характеристикам, приведенным на сайте производителя или в паспорте изделия. Нужно иметь в виду, что отдел маркетинга никогда не упустит возможности «обхитрить» покупателя и указать наиболее выгодные данные. Какие бы вы цифры ни увидели, не обольщайтесь и относитесь к ним скептически. К примеру, на некоторых колонках пишут: «мощность 100 Вт, искажения 0,01%». Всё это замечательно, но проблема в том, что мощность и искажения измерялись отдельно. Мощность — при 10%, а искажения — при 1 Вт. При этом, наверняка такие «странные» условия измерения описаны где-нибудь в углу мелкими буквами, чтобы при возможном разбирательстве у пользователя не было оснований для претензий.

Также мы всегда советуем обязательно послушать перед покупкой, как звучат выбранные вами колонки. Если есть возможность, тут же сравните качество звучания с каким-нибудь альтернативным решением. Причем, чем меньше временной разрыв между этими слуховыми тестами, тем правдоподобней и правильней будут ваши выводы. Никакие памятные ощущения от прослушиваний акустической системы (типа «слушал я на прошлой неделе у соседа») в расчет брать категорически нельзя. Они не годятся потому, что восприятие звука зависит от психофизического состояния индивидуума на данный момент, плюс, слуховые ощущения человека (особенно с непривычки) очень нечёткие и быстро стираются из памяти.

Теперь об акустических системах, включающих в себя несколько колонок. Как вы знаете, среди многоколоночных конфигураций существуют в основном 4.1, 5.1, 6.1-системы. Внешне они отличаются немногим: 5.1-акустика в отличие от 4.1 имеет в комплекте на одну колонку больше (так называемый «центр»). Но на самом деле различие заключается не только в этом. Все зависит от того, какая звуковая карта установлена в вашем компьютере.

Если вы используете с 5.1-набором акустики четырехканальную звуковую карту, то при этом скорее не будут играть центр и сабвуфер. Если же с 4.1-набором акустики вы используете шестиканальную карту, то полноценных шестиканальных форматов Dolby Digital и DTS вам никогда не ощутить, что бы не писал производитель акустики о своей супер-пупер технологии «виртуального центрального канала». Причина кроется в отсутствие на 4.1-системах отдельных входов для центра и сабвуфера (хотя четырехканальный режим работы, как и стереорежим, для таких карт обязательно существуют и могут быть легко выбраны в настройках).

Подробная расшифровка некоторых характеристик акустики

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности скорее говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука , издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы — это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они скорее для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. К примеру, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом — благодаря высокому уровню искажений, на втором — благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS (Root Mean Squared — среднеквадратичное значение). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит о том, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. К примеру, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит о том, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют "китайскими ваттами" из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе — активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому, информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая .

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

АЧХ (Frequency Responce)

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей электрического синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. Причем в точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем просто не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Западные производители предпочитают термин FR (frequency response) — диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц – 16 кГц АЧХ(±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц – 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20-20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц – 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц – 10000 Гц. Сравнивать же диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник (THD)

Аббревиатура THD дословно расшифровывается как суммарные гармонические искажения (Total Harmonic Distortion), но означает вполне определённый термин — коэффициент гармоник. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

THD колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по THD, не прибегая к прослушиванию аппаратуры (хотя по такому легкому пути иногда идут даже самые авторитетные издания). К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30…50%) значение THD производителями не указывается.

Электрическое сопротивление, импеданс (impedans)

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подачи музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно impedans акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (impedans) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь для того, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем у усилителя, в звучании будут присутствовать нелинейные искажения; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с равным сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление. При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

sound card ) - дополнительное оборудование персонального компьютера , позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать). На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения , устанавливаемые в соответствующий слот . В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека (согласно спецификации Intel AC’97 или Intel HD Audio).

Взаимодействие человека с ЭВМ должно быть прежде всего взаимным (на то оно и общение). Взаимность, в свою очередь, предусматривает возможность общения как человека с ЭВМ, так и ЭВМ с человеком. Неоспоримый факт, что визуальная информация, дополненная звуковой, гораздо эффективнее простого зрительного воздействия. Попробуйте, заткнув уши, пообщаться с кем-нибудь хотя бы минуту, сомневаюсь, что вы получите большое удовольствие, равно как и ваш собеседник. Однако пока многие ортодоксально настроенные программисты/ проектировщики до сих пор не хотят признавать, что звуковое воздействие может играть роль не только сигнализатора, но информационного канала, и соответственно от неумения и/или нежелания не используют в своих проектах возможность невизуального общения человека с ЭВМ, но даже они никогда не смотрят телевизор без звука. В настоящее время любой крупный проект, не оснощенный средствами multimedia (в дальнейшем под словом "средства multimedia" мы будем прежде всего понимать совокупность аппаратно/программных средств, дополняющие традиционно визуальные способы взаимодействия человека с ЭВМ) обречен на провал.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЗВУЧИВАНИЯ

Есть много способов заставить компьютер заговорить или заиграть.

1. Цифроаналоговое преобразование (Digital to Analogue (D/A) conversion). Любой звук (музыка или речь) содержаться в памяти компьютера в цифровом виде (в виде самплов) и с помощью DAC трансформируются в аналоговый сигнал, который подается на усиливающую аппаратуру, а затем на наушники, колонки, etc.

2. Синтез. Компьютер посылает в звуковую карту нотную информацию, а карта преобразует ее в аналоговый сигнал (музыку). Существует два способа синтеза:

а) Frequency Modulation (FM) synthesis , при котором звук воспроизводит специальный синтезатор, который оперирует математическим представлением звуковой волны (частота, амплитуда, etc) и из совокупности таких искусственных звуков создается практически любое необходимое звучание.

Большинство систем, оснащенных FM-синтезом показывают очень неплохие результаты на проигрывании "компьютерной" музыки, но попытка симулировать звучание живых инструментов не очень хорошо удается. Ущербность FM-синтеза состоит в том, что с его помощью очень сложно (практически невозможно) создать действительно реалистическую инструментальную музыку, с большим наличием высоких тонов (флейта, гитара, etc). Первой звуковой картой, которая стала использовать эту технологию, был легендарный Adlib, который для этой целей использовал чип из синтеза Yamaha YM3812FM. Большинство Adlib-совместимых карт (SoundBlaster, Pro Audio Spectrum) также используют эту технологию, только на других более современных типах микросхем, таких как Yamaha YMF262 (OPL-3) FM.

б) синтез по таблице волн (Wavetable synthesis), при этом методе синтеза заданный звук "набирается" не из синусов математических волн, а из набора реально озвученных инструментов - самплов. Самплы сохраняются в RAM или ROM звуковой карты. Специальный звуковой процессор выполняет операции над самлами (с помощью различного рода математических преобразований изменяется высота звука, тембр, звук дополняется спецэффектами).

Так как самплы - оцифровки реальных инструментов, они делают звук крайне реалистичным. До не давнего времени подобная техника использовалась только в hi-end инструментах, но она становится все более популярной теперь. Пример популярной карты, использующей WS Gravis Ultra Sound (GUS).

3. MIDI. Компьютер посылает на MIDI-интерфейс специальные коды, каждый из которых обозначает действие, которое должен произ вести MIDI-устройство (обычно это синтезатор) (General) MIDI - это основной стандарт большинства звуковых плат. Звуковая плата, самостоятельно интерпретирует, посылаемые коды и приводит им в соответствие звуковые самлы (или патчи), хранящиеся в памяти карты. Количество этих патчей в стандарте GM равно 128. На PC - совместимых компьютерах исторически сложились два MIDI-интерфейса: UART MIDI и MPU-401. Первый рализован в SoundBlaster"s картах, второй использовался в ранних моделях Roland.

ЗВУКОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СЕМЕЙСТВА IBM PC

Уже на самых первых моделях IBM PC имелся встроенный динамик, который однако не был предназначен для точного воспроизведения звука: он не обеспечивал воспроизведения всех частот слышимого диапазона и не имел средств управления громкостью звучания. И хотя PC speaker сохранился на всех клонах IBM до сего дня - это скорее дань традиции, чем жизненная необходимость, ибо динамик никогда не играл сколь-нибудь серьезной роли в общении человека с ЭВМ.

Однако, уже в модели PCjr появился специальный звуковой генератор TI SN76496A, который можно считать предвестником современных звуковых процессоров. Выход этого звукового генератора, мог быть подключен к стерео-усилителю, а сам он имел 4 голоса (не совсем корректное высказывание - на самом деле микросхема TI имела четыре независимых звуковых генератора, но с точки зрения программиста это была одна микросхема, имеющая четыре независимых канала). Все четыре голоса имели независимое управление громкостью и частотой звучания. Однако из-за маркетинговых ошибок модель PCjr так и не получила широкого распространения, была об"явлена неперспективной, снята с производства и поддержка ее была прекращена. С этого момента фирма IBM больше не оснащала свои компьютеры звуковыми средствами собственной разработки. И с этого момента место на рынке прочно заняли звуковые платы.

Звуковые устройства становятся неотъемлемой частью каждого персонального компьютера. В процессе конкурентной борьбы был выработан универсальный, широко поддерживаемый стандарт звукового программного и аппаратного обеспечения. Звуковые устройства превратились из дорогих экзотических дополнений в привычную часть системы практически любой конфигурации.

В современных компьютерах аппаратная поддержка звука реализуется в одной из следующих форм:

• аудиоадаптер, помещаемый в разъем шины PCI или ISA;
• микросхема на системной плате, выпускаемая компаниями Crystal, Analog Devices, Sigmatel, ESS и др.;
• звуковые устройства, интегрированные в базовый набор микросхем системной платы, к которым относятся наиболее современные наборы микросхем компаний Intel, SiS и VIA Technologies, созданные для недорогих компьютеров.

Кроме основного аудиоустройства, существует еще множество дополнительных аудиоустройств: акустические системы, микрофон и др. В данной главе рассматриваются функциональность и особенности работы всех компонентов аудиосистемы компьютера.

Первые звуковые платы появились в конце 1980-х гг. на базе разработок компаний AdLib, Roland и Creative Labs и использовались только для игр. В 1989 г. компания Creative Labs выпустила стереозвуковую плату Game Blaster; позднее появилась плата Sound Blaster Pro.

Для стабильного функционирования платы требовались определенные программные (MS DOS, Windows) и аппаратные ресурсы (IRQ, DMA и адреса порта ввода-вывода).

В связи с проблемами, возникающими в процессе применения звуковых плат, не совместимых с системой Sound Blaster Pro, в декабре 1995 г. появилась новая разработка компании Microsoft - DirectX, которая представляет собой серию программируемых интерфейсов приложения (Application Program Interfaces - API) для непосредственного взаимодействия с устройствами аппаратного обеспечения.

Сегодня практически каждый компьютер оснащен звуковым адаптером того или иного типа и устройством CD-ROM или

CD-ROM-совместимым дисководом. После принятия стандартов МРС-1-МРС-3, определяющих классификацию компьютеров, системы, оборудованные звуковой платой и CD-ROM-совместимым накопителем, получили название мультимедийных компьютеров (Multimedia PC). Первый стандарт МРС-1 был представлен в 1990 г.; стандарт МРС-3, сменивший его в июне 1995 г., определил следующие минимальные требования к аппаратному и программному обеспечению:

• процессор - Pentium, 75 МГц;
• оперативная память - 8 Мб;
• жесткий диск - 540 Мб;
• дисковод CD-ROM - четырехскоростной (4х);
• разрешающая способность VGA - 640 х 480;
• глубина цвета - 65 536 цветов (16-битовый цвет);
• минимальная операционная система - Windows 3.1.

Любые компьютеры, созданные после 1996 г., содержащие

звуковой адаптер и CD-ROM-совместимый дисковод, полностью удовлетворяют требованиям стандарта МРС-3.

В настоящее время критерии принадлежности компьютера к классу мультимедийных несколько изменились в связи с техническими достижениями в этой области:

• процессор - Pentium III, Celeron, Athlon, Duron или какой-либо другой процессор класса Pentium, 600 МГц;
• оперативная память - 64 Мб;
• жесткий диск - 3,2 Гб;
• гибкий диск - 1,44 Мб (3,5" диск с высокой плотностью размещения данных);
• дисковод CD-ROM - 24-скоростной (24х);
• звуковая частота дискретизации - 16-разрядная;
• разрешающая способность VGA - 1024 х 768;
• глубина цвета - 16,8 млн цветов (24-битовый цвет);
• устройства ввода-вывода - параллельный, последовательный, MIDI, игровой порт;
• минимальная операционная система - Windows 98 или Windows Me.

Несмотря на то, что звуковые колонки или наушники технически не являются частью МРС-спецификации или приведенного выше перечня, они необходимы для воспроизведения звука. Кроме того, для ввода голосовой информации, используемой для записи звука или речевого управления компьютером, требуется микрофон. Системы, оснащенные звуковым адаптером, обычно содержат также недорогие пассивные или активные колонки (могут быть заменены наушниками, обеспечивающими требуемое качество и частотные характеристики воспроизводимого звука).

Мультимедийный компьютер, оснащенный колонками и микрофоном, обладает рядом возможностей и обеспечивает:

• добавление стереозвука к развлекательным (игровым) программам;
• увеличение эффективности образовательных программ (для маленьких детей);
• добавление звуковых эффектов в демонстрационные и обучающие программы;
• создание музыки с помощью аппаратных и программных средств MIDI;
• добавление в файлы звуковых комментариев;
• реализацию звуковых сетевых конференций;
• добавление звуковых эффектов к событиям операционной системы;
• звуковое воспроизведение текста;
• проигрывание аудиокомпакт-дисков;
• проигрывание файлов формата.mp3;
• проигрывание видеоклипов;
• воспроизведение DVD-фильмов;
• поддержку управления голосом.

Компоненты аудиосистемы. При выборе аудиосистемы необходимо учитывать параметры ее компонентов.

Разъемы звуковых плат. Большинство звуковых плат имеет одинаковые миниатюрные (1/8") разъемы, с помощью которых сигналы подаются с платы на акустические системы, наушники и входы стереосистемы; к аналогичным разъемам подключается микрофон, проигрыватель компакт-дисков и магнитофон. На рис. 5.4 показаны четыре типа разъемов, которые как минимум должны быть установлены на звуковой плате. Цветовые обозначения разъемов каждого типа определены в руководстве РС99 Design Guide и варьируются для различных звуковых адаптеров.

Рис. 5.4.

Перечислим наиболее распространенные разъемы:

• линейный выход платы. Сигнал с этого разъема подается на внешние устройства - акустические системы, наушники или на вход стереоусилителя, с помощью которого сигнал усиливают до требуемого уровня;
• линейный вход платы. Используется при микшировании или записи звукового сигнала, поступающего от внешней аудиосистемы на жесткий диск;
• разъем для акустической системы и наушников. Присутствует не во всех платах. Сигналы на акустические системы подаются с того же разъема (линейного выхода), что и на вход стереоусилителя;
• микрофонный вход, или вход монофонического сигнала. Применяется для подключения микрофона. Запись с микрофона является монофонической. Уровень входного сигнала при этом поддерживается постоянным и оптимальным для преобразования. Для записи лучше всего использовать электродинамический или конденсаторный микрофон, рассчитанный на сопротивление нагрузки от 600 Ом до 10 кОм. В некоторых дешевых звуковых платах микрофон подключается к линейному входу;
• разъем для джойстика (MIDI-порт). Представляет собой 15-контактный D-образный разъем. Два его контакта можно использовать для управления устройством MIDI, например клавишным синтезатором. В этом случае необходимо приобрести Y-образный кабель;
• разъем MIDI. Включается в порт джойстика, имеет два круглых 5-контактных разъема DIN, используемых для подключения устройств MIDI, а также разъем для джойстика;
• внутренний контактный разъем - специальный разъем для подключения к внутреннему накопителю CD-ROM. Позволяет воспроизводить звук с компакт-дисков через акустические системы, подключенные к звуковой плате. Этот разъем отличается от разъема для подключения контроллера CD-ROM к звуковой плате, так как данные по нему не передаются на шину компьютера.

Дополнительные разъемы. Большинство современных звуковых адаптеров поддерживает возможности воспроизведения DVD, обработки звука и т. д., а следовательно, имеет несколько дополнительных разъемов, особенности которых приведены ниже:

• вход и выход MIDI. Такой разъем, не совмещенный с игровым портом, позволяет одновременно использовать как джойстик, так и внешние устройства MIDI;
• вход и выход SPDIF (Sony/Philips Digital Interface - SP/DIF). Разъем используется для передачи цифровых аудиосигналов между устройствами без их преобразования к аналоговому виду. Интерфейс SPDIF иногда называют Dolby Digital;
• CD SPDIF. Разъем предназначен для подключения накопителя CD-ROM к звуковой плате с помощью интерфейса SPDIF;
• вход TAD. Разъем для подключения модемов с поддержкой автоответчика (Telephone Answering Device) к звуковой плате;
• цифровой выход DIN. Разъем предназначен для подключения многоканальных цифровых акустических систем;
• вход Аих. Обеспечивает подключение к звуковой карте других источников сигнала, например ТВ-тюнера;
• вход I2S. Позволяет подключать к звуковой карте цифровой выход внешних источников, например DVD.

Дополнительные разъемы обычно располагаются непосредственно на звуковой плате или подсоединяются к внешнему блоку или дочерней плате. Например, Sound Blaster Live! Platinum 5.1 представляет собой устройство, состоящее из двух частей. Сам звуковой адаптер подключается посредством разъема PCI, а дополнительные соединители - к внешнему коммутационному блоку LiveDrive IR, который устанавливается в неиспользуемый отсек дисковода.

Управление громкостью. В некоторых звуковых платах предусмотрено ручное регулирование громкости; на более сложных платах управление громкостью осуществляется программно с помощью комбинаций клавиш, непосредственно в процессе игры в системе Windows или в каком-либо приложении.

Синтезаторы. В настоящее время все выпускаемые платы являются стереофоническими, поддерживающими стандарт MIDI.

Стереофонические звуковые платы одновременно воспроизводят (и записывают) несколько сигналов от двух различных источников. Чем больше сигналов предусмотрено в адаптере, тем натуральнее звук. Каждая расположенная на плате микросхема синтезатора, чаще всего компании Yamaha, позволяет получить 11 (микросхема YM3812 или OPL2) сигналов или более. Для имитации более 20 сигналов (микросхема YMF262 или OPL3) устанавливается одна либо две микросхемы частотных синтезаторов.

В таблично-волновых звуковых платах вместо синтезированных звуков, генерируемых микросхемой частотной модуляции, используются цифровые записи реальных инструментов и звуковых эффектов. Например, при воспроизведении таким аудиоадаптером звука трубы слышится непосредственно звук трубы, а не его имитация. Первые звуковые платы, поддерживающие эту функцию, содержали до 1 Мб звуковых фрагментов, хранящихся в микросхемах памяти адаптера. Но в результате появления высокоскоростной шины PCI и увеличения объема оперативной памяти компьютеров в большинстве звуковых плат в настоящее время используется так называемый программируемый таблично-волновой метод, позволяющий загружать в оперативную память компьютера 2-8 Мб коротких звуковых фрагментов различных музыкальных инструментов.

В современных компьютерных играх MIDI-звук практически не используется, но, несмотря на это, изменения, произведенные в звуковой плате DirectX 8, делают его приемлемым вариантом для игровых фонограмм.

Сжатие данных. В большинстве плат качество звучания соответствует качеству компакт-дисков с частотой дискретизации

44,1 кГц, когда на каждую минуту звучания при записи даже обычного голоса расходуется около 11 Мб дискового пространства. Для того чтобы уменьшить размеры звуковых файлов, во многих платах используется сжатие данных. Например, в плате Sound Blaster ASP 16 сжатие звука осуществляется в реальном времени (непосредственно при записи) со степенью сжатия 2:1, 3: 1 или 4:1.

Поскольку для хранения звукового сигнала необходим большой объем дискового пространства, выполняется его сжатие методом адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (Adaptive Differential Pulse Code Modulation - ADPCM), что позволяет уменьшить размер файла примерно на 50 %. Правда, при этом ухудшается качество звука.

Многофункциональные сигнальные процессоры. Во многих звуковых платах используются процессоры цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor - DSP). Благодаря им платы стали более «интеллектуальными» и освободили центральный процессор компьютера от выполнения таких трудоемких задач, как очистка сигналов от шума и сжатие данных в режиме реального времени.

Процессоры устанавливаются во многих универсальных звуковых платах. Например, программируемый процессор цифровой обработки сигналов EMU10K1 платы Sound Blaster Live! сжимает данные, преобразует текст в речь и синтезирует так называемое трехмерное звучание, создавая эффект отражения звука и хорового сопровождения. При наличии такого процессора звуковая плата превращается в многофункциональное устройство. Например, в коммуникационной плате WindSurfer компании IBM цифровой процессор выполняет функции модема, факса и цифрового автоответчика.

Драйверы звуковых плат. С большинством плат поставляются универсальные драйверы для DOS- и Windows-приложений. В операционных системах Windows 9х и Windows NT уже существуют драйверы для популярных звуковых плат; драйверы для других плат можно приобрести отдельно.

Приложения DOS обычно не имеют широкого выбора драйверов, но компьютерные игры поддерживают адаптеры Sound Blaster Pro.

В последнее время требования к звуковым устройствам существенно возросли, что обусловило в свою очередь повышение мощности аппаратных средств. Современное унифицированное мультимедийное аппаратное обеспечение не может в полной мере считаться совершенной мультимедийной системой, характеризующейся следующими особенностями:

• реалистичный объемный звук в компьютерных играх;
• высококачественный звук в DVD-фильмах;
• распознавание речи и голосовое управление;
• создание и запись звуковых файлов форматов MIDI, MP3, WAV и CD-Audio.

Дополнительные требования к аппаратному и программному обеспечению, необходимые для достижения вышеперечисленных характеристик, представлены в табл. 5.3.

Таблица 5.3. Дополнительные возможности и свойства звуковых адаптеров

Назначение	Необходимые возможности	Дополнительное аппаратное обеспечение	Дополнительное программное обеспечение
	Игровой порт; трехмерный звук; аудиоускорение	Игровой контроллер; задние колонки
Фильмы формата DVD	Декодирование Dolby 5.1	Колонки с аудиоадаптером, совместимые с Dolby 5.1	Программа декодирования файлов MPEG
	Программно-совместимый аудиоадаптер	Микрофон	Программное обеспечение, позволяющее диктовать тексты
Создание файлов MIDI	Аудиоадаптер с MIDI-входом	MIDI-совместимая музыкальная клавиатура	Программа для создания MIDI-файлов
Создание файлов MP3	Оцифровка звуковых файлов	Дисковод CD-R или CD-RW	Программа для создания МРЗ-файлов
Создание файлов WAV	Микрофон		Программа звукозаписи
Создание файлов CDAudio	Внешний источник звука		Программа преобразования файлов WAV или MP3 в CD-Audio

Минимальные требования, предъявляемые к звуковым платам.

Замена прежнего аудиоадаптера Sound Blaster Pro стандарта ISA звуковой платой PCI позволила значительно улучшить рабочие характеристики системы, однако целесообразно использовать все возможности звуковых плат, к которым в частности относятся:

• поддержка трехмерного звука, реализованная в наборе микросхем. Выражение «трехмерный звук» означает, что звуки, соответствующие происходящему на экране, раздаются дальше или ближе, за спиной или где-то в стороне. Интерфейс Microsoft DirectX 8.0 включает поддержку трехмерного звука, однако для этого лучше использовать аудиоадаптер с аппаратно встроенной поддержкой трехмерного звука;
• использование интерфейса DirectX 8.0 наряду с другими интерфейсами API трехмерного звука, к которым относятся, например, ЕАХ компании Creative, 3D Positional Audio компании Sensaura и технология A3D ныне не существующей компании Aureal;
• ЗО-звуковое ускорение. Звуковые платы с наборами микросхем, поддерживающими эту возможность, имеют достаточно низкий коэффициент загрузки процессора, что приводит к общему увеличению скорости игр. Для получения наилучших результатов следует воспользоваться наборами микросхем, поддерживающими ускорение наибольшего числа 3D-потоков; в противном случае обработка трехмерного звука центральным процессором будет затруднена, что в конечном счете скажется на скорости игры;
• игровые порты, поддерживающие игровые контроллеры с силовой обратной связью.

Сегодня существует множество звуковых плат среднего уровня, поддерживающих как минимум две из перечисленных функций. При этом розничная цена аудиоадаптеров не превышает 50-100 долл. Новые наборы микросхем трехмерного звука, поставляемые различными производителями, позволяют любителям компьютерных 3D-игр модернизировать систему в соответствии со своими пожеланиями.

Фильмы в формате DVD на экране компьютера. Для просмотра фильмов в формате DVD на компьютере необходимы следующие компоненты:

• программное обеспечение для воспроизведения цифровых дисков, поддерживающее выход Dolby Digital 5.1. Одним из наиболее приемлемых вариантов является программа PowerDVD;
• аудиоадаптер, поддерживающий входной сигнал Dolby Digital дисковода DVD и выводящий данные на Dolby Digital 5.1-совместимые звуковые аппаратные устройства. При отсутствии соответствующего аппаратного обеспечения вход Dolby 5.1 настраивается для работы с четырьмя колонками; кроме того, можно добавить вход S/PDIF ACS (Dolby Surround), предназначенный для четырехколоночных акустических систем;
• Dolby Digital 5.1-совместимые приемник и колонки. Большинство высококачественных звуковых плат, поддерживающих систему Dolby Digital 5.1, соединены со специальным аналого-входным приемником, но ряд других, например, звуковые платы серии Creative Labs Sound Blaster Live! Platinum, поддерживают и акустические системы с цифровым входом, добавляя к плате дополнительный разъем Digital DIN.

Распознавание речи. Технология распознавания речи пока несовершенна, но уже сегодня существуют программы, позволяющие отдавать компьютеру команды голосом, вызывать нужные приложения, открывать файлы и необходимые диалоговые окна и даже диктовать ему тексты, которые раньше пришлось бы набирать.

Для типичного пользователя приложения этого типа бесполезны. Так, компания Compaq некоторое время поставляла компьютеры с микрофоном и приложением для голосового управления, причем стоило приложение очень дешево. Наблюдать за множеством пользователей в офисе, говорящих с компьютерами, было, конечно, интересно, но производительность фактически не увеличилась, зато много времени было потрачено впустую, поскольку пользователи были вынуждены экспериментировать с программным обеспечением, а кроме того, в офисе стало очень шумно.

Однако для пользователей с ограниченными возможностями по здоровью программное обеспечение этого типа может представлять определенный интерес, поэтому технология распознавания речи непрерывно развивается.

Как уже было сказано выше, существует еще один тип программного обеспечения распознавания речи, которое позволяет преобразовывать речь в текст. Это необычайно трудная задача, прежде всего из-за различий в речевых моделях разных людей, поэтому почти все программное обеспечение, в том числе некоторые приложения для подачи команд голосом, предусматривают этап «обучения» технологии распознавания голоса конкретного пользователя. В процессе такого обучения пользователь читает текст (или слова), бегущий на экране компьютера. Поскольку текст запрограммирован, компьютер быстро адаптируется к манере речи говорящего.

В результате проведенных экспериментов оказалось, что качество распознавания зависит от индивидуальных особенностей речи. Кроме того, некоторые пользователи способны диктовать целые страницы текста без прикосновений к клавиатуре, в то время как другие от этого утомляются.

Существует множество параметров, влияющих на качество распознавания речи. Перечислим основные из них:

• программы распознавания дискретной и слитной речи. Слитная (или связная) речь, позволяющая вести более естественный «диалог» с компьютером, в настоящее время является стандартной, но, с другой стороны, есть ряд неразрешимых пока проблем в достижении приемлемой точности распознавания;
• обучаемые и необучаемые программы. «Обучение» программы для корректного распознавания речи дает хорошие результаты даже в тех приложениях, которые позволяют пропустить этот этап;
• большие активные и общие словари. Программы с большим активным словарем значительно быстрее реагируют на устную речь, а программы, имеющие больший общий словарь, позволяют сохранить уникальный запас слов;
• производительность аппаратного обеспечения компьютера. Увеличение быстродействия процессоров и объема оперативной памяти приводит к ощутимому повышению скорости и точности программ распознавания речи, а также позволяет разработчикам вводить дополнительные возможности в новые версии приложений;
• высококачественная звуковая плата и микрофон: наушники со встроенным микрофоном предназначены не для записи музыки или звуковых эффектов, а именно для распознавания речи.

Звуковые файлы. Для хранения аудиозаписей на персональном компьютере существуют файлы двух основных типов. В файлах первого типа, называемых обычными звуковыми файлами, используются форматы.wav, .voc, .au и.aiff. Звуковой файл содержит данные о форме волны, т. е. представляет собой запись аналоговых аудиосигналов в цифровой форме, пригодной для хранения на компьютере. Определены три уровня качества записи звуков, применяемых в операционных системах Windows 9х и Windows Me, а также уровень качества записи звука с характеристиками 48 кГц, 16-разрядный стерео и 188 Кб/с. Этот уровень предназначен для поддержки воспроизведения звука из таких источников, как DVD и Dolby АС-3.

Для достижения компромисса между высоким качеством звука и малым размером файла можно преобразовать файлы формата.wav в формат.mp3.

Сжатие аудиоданных. Существует две основные области, в которых применяется сжатие звука:

• использование звуковых фрагментов на веб-узлах;
• уменьшение объема высококачественных музыкальных файлов.

Специальные программы редактирования звуковых файлов, в частности, RealProducer компании Real или Microsoft Windows Media Encoder 7, позволяют уменьшать объем звуковых фрагментов при минимальной потере качества.

Самый популярный формат звуковых файлов - .mp3. Качество этих файлов приближается к качеству звучания компакт-диска, а по размеру они намного меньше обычных файлов.wav. Так, звуковой файл продолжительностью звучания 5 мин формата.wav с качеством компакт-диска имеет размер около 50 Мб, в то время как тот же звуковой файл формата.mp3 - около 4 Мб.

Единственным недостатком файлов формата.mp3 является отсутствие защиты от несанкционированного использования, т. е. любой желающий может свободно загрузить такой файл из Интернета (благо веб-узлов, предлагающих эти «пиратские» записи, существует великое множество). Описываемый формат файлов, несмотря на недостатки, получил довольно широкое распространение и обусловил массовое производство трЗ-плееров.

Файлы MIDI. Звуковой файл формата MIDI отличается от формата.wav так же, как векторный рисунок от растра. Файлы MIDI имеют расширение.mid или.rmi и являются полностью цифровыми, содержащими не запись звука, а команды, используемые аудиооборудованием для его создания. Подобно тому как по командам видеоадаптеры создают изображения трехмерных объектов, звуковые платы MIDI работают с файлами MIDI, чтобы синтезировать музыку.

MIDI - мощный язык программирования, который получил распространение в 1980-е гг. и разработан специально для электронных музыкальных инструментов. Стандарт MIDI стал новым словом в области электронной музыки. С помощью MIDI можно создавать, записывать, редактировать и воспроизводить музыкальные файлы на персональном компьютере или на MIDI-co- вместимом электронном музыкальном инструменте, подключенном к компьютеру.

Файлы MIDI в отличие от других типов звуковых файлов требуют относительно небольшого объема дискового пространства. Для записи 1 ч стереомузыки, хранимой в формате MIDI, требуется менее 500 Кбайт. Во многих играх используется запись звуков в формате MIDI, а не записи дискретизированного аналогового сигнала.

Файл MIDI - фактически цифровое отображение музыкальной партитуры, составленное из нескольких выделенных каналов, каждый из которых представляет различный музыкальный документ или тип звука. В каждом канале определены частоты и продолжительность звучания нот: в результате файл MIDI, например, для струнного квартета, содержит четыре канала, которые представляют две скрипки, альт и виолончель.

Все три спецификации МРС, а также РС9х предусматривают поддержку формата MIDI во всех звуковых платах. Стандарт General MIDI для большинства звуковых плат предусматривает до 16 каналов в единственном файле MIDI, но это не обязательно ограничивает звук 16 инструментами. Один канал способен представлять звук группы инструментов; поэтому можно синтезировать полный оркестр.

Поскольку файл MIDI состоит из цифровых команд, редактировать его намного легче, чем звуковой файл типа.wav. Соответствующее программное обеспечение позволяет выбирать любой канал MIDI, записывать ноты, а также добавлять эффекты. Определенные пакеты программ предназначены для записи музыки в файле MIDI, используя стандартную музыкальную систему обозначений. В результате композитор пишет музыку непосредственно на компьютере, редактирует ее при необходимости, а затем распечатывает ноты для исполнителей. Это очень удобно для профессиональных музыкантов, которые вынуждены тратить много времени на переписывание нот.

Проигрывание файлов MIDI. Запуск файла MIDI на персональном компьютере не означает воспроизведение записи. Компьютер фактически создает музыку по записанным командам: система читает файл MIDI, синтезатор генерирует звуки для каждого канала в соответствии с командами в файле, для того чтобы придать нужный тон и длительность звучанию нот. Для получения звука определенного музыкального инструмента синтезатор использует предопределенный образец, т. е. набор команд, с помощью которых создается звук, подобный воспроизводимому конкретным инструментом.

Синтезатор на звуковой плате подобен электронному клавишному синтезатору, но с ограниченными возможностями. В соответствии со спецификацией МРС звуковая плата должна иметь частотный синтезатор, который может одновременно проиграть по крайней мере шесть мелодичных нот и две ударные.

Частотный синтез. Большинство звуковых плат генерирует звуки с помощью частотного синтезатора; эта технология была разработана еще в 1976 г. Используя одну синусоидальную волну для изменения другой, частотный синтезатор создает искусственный звук, который напоминает звучание определенного инструмента. В стандарте MIDI определен набор предварительно запрограммированных звуков, которые можно проиграть с помощью большинства инструментов.

В некоторых частотных синтезаторах используются четыре волны, и воспроизводимые звуки имеют вполне нормальное, хотя и несколько искусственное звучание. Например, синтезируемый звук трубы, несомненно, подобен ее звучанию, но никто и никогда не признает его звуком настоящей трубы.

Таблично-волновой синтез. Особенность частотного синтеза состоит в том, что воспроизводимый звук даже в лучшем случае не полностью совпадает с реальным звучанием музыкального инструмента. Недорогая технология более естественного звучания была разработана корпорацией Ensoniq в 1984 г. Она предусматривает запись звучания любого инструмента (включая фортепьяно, скрипку, гитару, флейту, трубу и барабан) и сохранение оцифрованного звука в специальной таблице. Эта таблица записывается или в микросхемы ROM или на диск, а звуковая плата может извлекать из таблицы оцифрованный звук нужного инструмента.

С помощью таблично-волнового синтезатора можно выбрать инструмент, заставить звучать единственно нужную ноту и при необходимости изменить ее частоту (т. е. воспроизвести заданную ноту из соответствующей октавы). В некоторых адаптерах для улучшения воспроизведения звука используется несколько образцов звучания одного и того же инструмента. Самая высокая нота на фортепьяно отличается от самой низкой высотой тона, поэтому для более естественного звучания нужно выбрать образец, наиболее близкий (по высоте тона) к синтезируемой ноте.

Таким образом, от размера таблицы в значительной степени зависит качество и разнообразие звуков, которые способен воспроизводить синтезатор. Лучшие качественные таблично-волновые адаптеры обычно имеют на плате память объемом в несколько мегабайт для хранения образцов. В некоторых из них предусмотрена возможность подключения дополнительных плат для установки дополнительной памяти и записи образцов звуков в таблицу.

Подключение других устройств к разъему MIDI. Интерфейс MIDI звуковой платы применяется также для подключения электронных инструментов, генераторов звуков, барабанов и других устройств MIDI к компьютеру. В результате файлы MIDI воспроизводит высококачественный музыкальный синтезатор, а не синтезатор звуковой платы, кроме того, можно создавать собственные файлы MIDI, проигрывая ноты на специальной клавиатуре. Правильно подобранное программное обеспечение позволит сочинить симфонию на компьютере типа PC с помощью записи нот каждого инструмента отдельно в собственный канал, а затем разрешить одновременное звучание всех каналов. Многие профессиональные музыканты и композиторы используют устройства MIDI для сочинения музыки прямо на компьютерах, т. е. обходясь без традиционных инструментов.

Существуют также платы MIDI с высоким качеством звучания, которые работают в двунаправленном режиме, т. е. воспроизводят предварительно записанные звуковые дорожки во время записи новой дорожки в тот же файл MIDI. Еще несколько лет назад это можно было сделать только в студии на профессиональном оборудовании, стоившем сотни тысяч долларов.

Устройства MIDI подключаются к двум круглым 5-контактным разъемам DIN звукового адаптера, используемым для входных (MIDI-IN) и выходных (MIDI-OUT) сигналов. Многие устройства также имеют порт MIDI-THRU, который передает сигналы, поступающие на вход устройства, непосредственно на его выход, но звуковые платы, как правило, такого порта не имеют. Интересно, что в соответствии со стандартом MIDI данные передаются только через контакты 1 и 3 разъемов. Контакт 2 экранирован, а контакты 4 и 5 не используются.

Основная функция интерфейса MIDI звуковой платы состоит в конвертировании (преобразовании) потока байтов (т. е. параллельно поступающих 8 бит) данных, которые передаются системной шиной компьютера, в последовательный поток данных в формате MIDI. Устройства MIDI оснащены асинхронными последовательными портами, работающими на скорости 31,25 Кбод. При обмене данными в соответствии со стандартом MIDI используются восемь информационных разрядов с одним стартовым и одним стоповым битами, причем на последовательную передачу 1 байта затрачивается 320 мс.

В соответствии со стандартом MIDI сигналы передаются по специальной неэкранированной витой паре, которая может иметь максимальную длину до 15 м (хотя большинство продаваемых кабелей имеют длину 3 или 6 м). С помощью шлейфа можно также подключить несколько устройств MIDI, чтобы объединить их возможности. Полная длина цепочки устройств MIDI не ограничена, но длина каждого отдельного кабеля не должна превышать 15 м.

В системах типа legacy-free нет разъема игрового порта (MIDI-порта) - все устройства подключаются к шине типа USB.

Программное обеспечение для устройств MIDI. С операционными системами Windows 9х, Windows Me и Windows 2000 поставляется программа «Универсальный проигрыватель» (Media Player), которая воспроизводит файлы MIDI. Для того чтобы использовать все возможности MIDI, рекомендуется приобрести специализированное программное обеспечение для выполнения различных операций редактирования файлов MIDI (задание темпа проигрывания, вырезания, а также вставки различной предварительно записанной музыки).

Ряд звуковых плат поставляется вместе с программами, в которых предусмотрены возможности редактирования файлов MIDI. Кроме того, многие бесплатные и условно-бесплатные инструментальные средства (программы) свободно распространяются через Интернет, но действительно мощное программное обеспечение, которое позволяет создавать и редактировать файлы MIDI, приходится покупать отдельно.

Запись. Практически на всех звуковых платах устанавливается входной разъем, подключив микрофон к которому, можно записать свой голос. С помощью программы «Звукозапись» (Sound Recorder) в системе Windows воспроизводят, редактируют и записывают звуковой файл в специальном формате.wav.

Ниже перечислены основные способы использования файлов формата.wav:

• сопровождение тех или иных событий в системе Windows. Для этого следует воспользоваться опцией «Звук» (Sounds) панели управления Windows;
• добавление речевых комментариев с помощью элементов управления Windows OLE и ActiveX к документам различного типа;
• ввод сопроводительного текста в презентации, создаваемые с помощью программ PowerPoint, Freelance Graphics, Corel Presentations или др.

С целью уменьшения объема и дальнейшего использования в Интернете файлы.wav преобразуют в файлы формата.mp3 или.wma.

Аудиокомпакт-диски. С помощью накопителя CD-ROM можно прослушивать аудиокомпакт-диски не только через акустические системы, но и через наушники, параллельно работая с другими программами. К ряду звуковых плат прилагаются программы для проигрывания компакт-дисков, а через Интернет такие программы зачастую скачивают бесплатно. В этих программах обычно присутствует визуальный дисплей, имитирующий переднюю панель проигрывателя компакт-дисков для управления с помощью клавиатуры или мыши.

Звуковой смеситель (микшер). При наличии нескольких источников звука и только одной акустической системы необходимо воспользоваться звуковым смесителем. Большинство звуковых плат оснащены встроенным смесителем звука (микшером), позволяющим смешивать звук от аудио-, MIDI- и WAV-источников, линейного входа и CD-проигрывателя, воспроизводя его на едином линейном выходе. Обычно интерфейсы программ для смешивания звука на экране выглядят так же, как панель стандартного звукового смесителя. Это позволяет легко управлять громкостью звука каждого источника.

Звуковые платы: основные понятия и термины. Для того чтобы понять, что такое звуковые платы, сначала необходимо разобраться в терминах. Звук - это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают вибрацию и слышится звук.

Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).

Частота - это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Один цикл (период) - это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон.

Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20 кГц (1 кГц = 1000 Гц). Частота звука самой низкой ноты рояля равна 27 Гц, а самой высокой - чуть больше 4 кГц. Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-стан- ции, составляет 15 кГц.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний, которая зависит в первую очередь от мощности источника звука. Например, струна фортепьяно при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее колебаний невелик. Если ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум - около 70 дБ, а близкий удар грома - 120 дБ.

Оценка качества звукового адаптера. Для оценки качества звукового адаптера используются три параметра:

• диапазон частот;
• коэффициент нелинейных искажений;
• отношение сигнал/шум.

Частотная характеристика определяет тот диапазон частот, в котором уровень записываемых и воспроизводимых амплитуд остается постоянным. Для большинства звуковых плат диапазон составляет от 30 Гц до 20 кГц. Чем шире этот диапазон, тем лучше плата.

Коэффициент нелинейных искажений характеризует нелинейность звуковой платы, т. е. отличие реальной кривой частотной характеристики от идеальной прямой, или, проще говоря, коэффициент характеризует чистоту воспроизведения звука. Каждый нелинейный элемент является причиной искажения. Чем меньше этот коэффициент, тем выше качество звука.

Высокие значения отношения сигнал/шум (в децибелах) соответствуют лучшему качеству воспроизведения звука.

Дискретизация. Если в компьютере установлена звуковая плата, то возможна запись звука в цифровой (называемой также дискретной) форме, в этом случае компьютер используется в качестве записывающего устройства. В состав звуковой платы входит небольшая микросхема - аналого-цифровой преобразователь, или АЦП (Analog-to-Digital Converter - ADC), который при записи преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, понятную компьютеру. Аналогично при воспроизведении цифроаналоговый преобразователь (Digital-to-Analog Converter - DAC) преобразует аудиозапись в звук, который способны воспринимать наши уши.

Процесс превращения исходного звукового сигнала в цифровую форму (рис. 5.5), в которой он и хранится для последующего воспроизведения, называется дискретизацией, или оцифровыванием. При этом сохраняются мгновенные значения звукового сигнала в определенные моменты времени, называемые выбор-

Рис. 5.5. Схема преобразования звукового сигнала в цифровую форму ками. Чем чаще берутся выборки, тем точнее цифровая копия звука соответствует оригиналу.

Первым стандартом МРС предусматривался 8-разрядный звук. Разрядность звука характеризует количество бит, используемых для цифрового представления каждой выборки.

Восемь разрядов определяют 256 дискретных уровней звукового сигнала, а если использовать 16 бит, то их количество достигает 65 536 (естественно, качество звука значительно улучшается). Для записи и воспроизведения речи достаточно 8-разрядного представления, а для музыки требуется 16 разрядов. Большинство старых плат поддерживает лишь 8-разрядное представление звука, все современные платы обеспечивают 16 разрядов и более.

Качество записываемого и воспроизводимого звука наряду с разрешением определяется частотой дискретизации (количеством выборок в секунду). Теоретически она должна быть в 2 раза выше максимальной частоты сигнала (т. е. верхней границы частот) плюс 10%-ный запас. Порог слышимости человеческого уха - 20 кГц. Записи с компакт-диска соответствует частота 44,1 кГц.

Звук, дискретизированный на частоте 11 кГц (11 000 выборок в секунду), получается более размытым, чем звук, дискретизированный на частоте 22 кГц. Объем дискового пространства, необходимый для записи 16-разрядного звука с частотой дискретизации 44,1 кГц в течение 1 мин, составит 10,5 Мб. При 8-раз- рядном представлении, монофоническом звучании и частоте дискретизации 11 кГц необходимое дисковое пространство сокращается в 16 раз. Эти данные можно проверить с помощью программы «Звукозапись»: запишите звуковой фрагмент с различными частотами дискретизации и посмотрите на объем полученных файлов.

Трехмерный звук. Одним из наиболее сложных испытаний для звуковых плат, входящих в состав игровых систем, является выполнение задач, связанных с обработкой трехмерного звука. Существует несколько факторов, усложняющих решение задач подобного рода:

• разные стандарты позиционирования звука;
• аппаратное и программное обеспечение, используемое для обработки трехмерного звука;
• проблемы, связанные с поддержкой интерфейса DirectX.

Позиционный звук. Позиционирование звука представляет собой общую технологию для всех зЬ-звуковых плат и включает настройку определенных параметров, таких, как реверберация или отражение звука, выравнивание (баланс) и указание на «расположение» источника звука. Все эти компоненты создают иллюзию звуков, раздающихся впереди, справа, слева от пользователя или даже за его спиной. Наиболее важным элементом позиционного звука является функция преобразования HRTF (Head Related Transfer Function), определяющая изменение восприятия звука в зависимости от формы уха и угла поворота головы слушателя. Параметры этой функции описывают условия, при которых «реалистичный» звук воспринимается совершенно иначе, когда голова слушателя повернута в ту или другую сторону. Использование акустических систем с несколькими колонками, «окружающими» пользователя со всех сторон, а также сложные звуковые алгоритмы, дополняющие воспроизводимый звук управляемой реверберацией, позволяют сделать синтезированный компьютером звук еще более реалистичным.

Обработка трехмерного звука. Важным фактором качественного звучания являются различные способы обработки трехмерного звука в звуковых платах, в частности:

• централизованная (для обработки трехмерного звука используется центральный процессор, что приводит к снижению общего быстродействия системы);
• обработка звуковой платы (3 D-ускорение) с помощью мощного цифрового обработчика сигналов (DSP), выполняющего обработку непосредственно в звуковой плате.

Звуковые платы, осуществляющие централизованную обработку трехмерного звука, могут стать основной причиной снижения частоты смены кадров (числа анимационных кадров, выводимых на экран за каждую секунду) при использовании функции трехмерного звука. В звуковых платах со встроенным аудиопроцессором частота смены кадров при включении или отключении трехмерного звука почти не изменяется.

Как показывает практика, средняя частота смены кадров реалистичной компьютерной игры должна быть не меньше 30 кадр./с (кадров в секунду). При наличии быстродействующего процессора, например, Pentium III 800 МГц, и какой-либо современной ЗЭ-звуковой платы такая частота достигается достаточно легко. При использовании более медленного процессора, скажем, Celeron 300А с рабочей частотой 300 МГц, и платы с централизованной обработкой трехмерного звука частота смены кадров станет намного ниже 30 кадр./с. Для того чтобы увидеть, как влияет обработка трехмерного звука на скорость компьютерных игр, предусмотрена функция отслеживания частоты кадров, встроенная в большинство игр. Частота смены кадров связана непосредственно с коэффициентом использования процессора; повышение ресурсных требований к процессору приведет к уменьшению частоты смены кадров.

Технологии трехмерного звука и трехмерного видеоизображения представляют наибольший интерес прежде всего для разработчиков компьютерных игр, однако их использование в коммерческой среде также не за горами.

Подключение стереосистемы к звуковой плате. Процесс подключения стереосистемы к звуковой плате заключается в их подсоединении с помощью кабеля. Если в звуковой плате есть выход для акустической системы или наушников и линейный стереовыход, то для подключения стереосистемы лучше воспользоваться последним. В этом случае получается более качественный звук, поскольку на линейный выход сигнал поступает, минуя цепи усиления, и поэтому практически не подвергается искажениям, а усиливать сигнал будет только стереосистема.

Соедините этот выход с дополнительным входом вашей стереосистемы. Если стереосистема не имеет вспомогательных входов, следует воспользоваться другими, например, входом для проигрывателя компакт-дисков. Стереоусилитель и компьютер совсем не обязательно располагать рядом, поэтому длина соединительного кабеля может составить несколько метров.

В ряде стереомагнитол и радиоприемников на задней панели предусмотрен разъем для подключения тюнера, магнитофона и проигрывателя компакт-дисков. Используя этот разъем, а также линейные вход и выход звуковой платы, можно прослушивать звук, поступающий от компьютера, а также радиопередачи посредством акустической стереосистемы.

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 словаN разрядов, число возможных значений ко­довых слов будет равно2 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.