Звуковые карты и Компрессия звука

Современные звуковые карты. Методы позиционирования и сжатия звука

Аннотация

В данной курсовой работе изучаются различные аспекты применения звуковых карт. Рассматриваются способы получения звука на компьютере, основные принципы формирования и отличия цифрового звука от аналоговово. Рассмотрен также стандарт MIDI, применяемый во многих профессиональных звуковых синтезаторах и т.п. Далее были подробно рассмотрены звуковые карты, имеющиеся сейчас на рынке (некоторые карты, которые были доступны в процессе создания курсовой были протестированны на реальных приложениях): как и новые, так и уже более распространенные. Т.к. многие звуковые карты сейчас поддерживают различные технологии позиционирования звука в пространстве, то был кратко рассмотрен вопрос теории восприятия звука человеческим ухом и накладываемые этим ограничения. Завершающим этапом стало изучение форматов, применяемых для хранения оцифрованного звука. Изучены были как форматы со сжатием без потерь, так и со сжатием с потерями (mp3 и ему подобные), основанные на особенностях человеческого слуха по восприятию различных частот. В работе использовалась информация из различных источников: сопроводительной документации к картам, сайтов фирм-производителей, независимых тестовых лабораторий, публикации из периодических изданий. Для подготовки данной пояснительной записки использовался текстовый процессор Microsoft Word из состава пакета Microsoft Office 97/2000, браузер Netscape Navigator 6.0. В качестве платформы для субъективной оценки качества звука изспользовалась следующая система:

Intel Celeron 500Mhz

MB FIC CP11Z

HDD Fujitsu 8,4GB

CD-ROM Samsung 24X

Звуковая подсистема:

звуковая плата A-trend Harmony 3DS724A на базе чипа Yamaha-724E

усилитель Вега У-120-СТЕРЕО

колонки Радиотехника С-90Д (трех полосные с фазоинвертором)

1.                       Введение

Компьютер – от английского “compute” – вычислять. Т.е., говоря по-русски, – всего-навсего вычислитель. И когда-то, давным-давно, это соответствовало применению компьютеров. Их использовали англичане для взлома кодов и шифров радиопередач Германии во время ВМВ. Их применяют и для прямо противоположной функции – кодирования и шифрования передаваемой информации. Они применялись для расчета сложнейших траекторий полета первых (да и последних) искусственных спутников Земли и других планет. И существует еще большое число ветвей и отраслей науки и промышленности, в которых невозможно обойтись без вычислительных мощностей компьютеров. Однако, изначально Электронно Вычислительную Машину всегда пытались использовать не только по прямому назначению, но и чуточку по другому. Вначале простые крестики-нолики и морской бой. Потом, когда у машины появился дисплей, ее научили рисовать различные “картинки” из символов. Дальше, до движущихся по экрану различных фигурок, оставалось совсем немного. Сейчас уже игры без графики мало кому нужны, кроме фэнов. Но… Присмотримся к этому процессу чуть внимательней: “символы->картинки из значков->статичные картинки->полномасштабное видео”. Компьютеры становились меньше, надежнее, долговечнее, быстрее…

Как видим, путь проделан немалый, и все-таки - это эволюция, растянувшаяся на полвека. Масштабное же событие, произошедшее около 10 лет назад назвать другим словом, как революция, вряд ли можно. На персональный компьютер пришел звук. Отголоски этого события продолжают сотрясать комьютерный мир до сих пор. Звук позволил сделать компьютер из принадлежности редкого бизнесмена в суровую необходимость для каждого. Он совершил фурор в индустрии производства музыкальной аппаратуры и звукозаписи. Раньше требовалось иметь проигрыватель виниловых дисков, компакт-кассет, компакт-дисков и прочую технику. Теперь достаточно одного – компьютера. Он уже играет, поет и даже обновленную версию рецепта клубничного пирога с джемом может из интернета скачать и переслать СВСВЧП (Сверх Интеллектуально Сверх Высокочастотной Печке). Только вот кофе пока не варит. Но и это, я думаю, скоро кто-нибудь исправит.

Компьютер потеснил такие традиционные истоники дохода и развлечений как казино, кино, театр. Осталось только научить компьютер работать и делать уборку в квартире, и все… Он действительно будет “везде”, и человек не сможет без него обходиться. А вот компьютер без человека?

И все лишь из-за чего? Из-за маленькой платки с несколькими копеечными радиодеталями, кошмарными шумами и огромными амбициями. Sound Blaster так сказать, версии 1.0. Производства фирмы Creative Labs из далекого Сингапура. Не она первой выпустила звуковую карту, но она смогла популяризовать эту идею в массах. Создать имя и завоевать рынок. Словосочетание “Sound Blaster” стало синонимом “звуковой карты”. И теперь компьютер без “звука” – это не компьютер. Как же так! Ведь он сможет проиграть при входе в “Windows” бравурное “Та-да!!!” И все – комьютер становится бесполезной грудой никому не нужного хлама.

Мне кажется, что все вышеприведенное должно немного заинтересовать. Ведь именно появление звука стало первым камнем в той лавине, которая обрушивается сейчас на головы несчастных потребителей услуг и товаров из сферы высоких технологий. “Полная 3Д акселерация” кричат одни, “Потрясающее качество воспроизведения ДВД” заявляют третьи, “Только у нас – самый настоящий трехмерный звук” похваляются третьи. И так – до бесконечности.

Вот почему я выбрал в качестве темы для курсовой это направление. Оно весьма обширно и полно обхватить его не позволяет ни скромный объем пояснительной записки, ни требуемое время. Поэтому я постарался ответить на поставленые вопросы, используя свой небольшой опыт в работе на “железном” (аппаратном) обеспечении компьютеров.

2.                       Цифровое представление звуковых сигналов

Отличия цифрового представления сигналов от аналогового

Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии (аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения) представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре, скорости и т.п.), а также подобии форм электрических сигналов в различных точках усилительного или передающего тракта. Форма электрической кривой, описывающей (также говорят - переносящей) исходный сигнал, максимально приближена к форме кривой этого сигнала.

Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение формы несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же искажение формы и сигнала переносимого. В терминах теории информации, количество информации в несущем сигнале в точности равно количеству информации в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при хранении, передаче и усилении.

Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1.

Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны: нижняя представляет нулевые значения, верхняя - единичные, а промежуточная является запрещенной - внутрь нее могут попадать только помехи. Таким образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины амплитуды несущего сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи значений 0 и 1. Помехи с большей амплитудой также не оказывают влияния, если длительность импульса помехи ощутимо меньше длительности информационного импульса, а на входе приемника установлен фильтр импульсных помех.

Сформированный таким образом цифровой сигнал может переносить любую полезную информацию, которая закодирована в виде последовательности битов - нулей и единиц; частным случаем такой информации являются электрические и звуковые сигналы. Здесь количество информации в несущем цифровом сигнале значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что несущий сигнал имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые искажения формы кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется способность приемника правильно различать нули и единицы, не влияют на достоверность передаваемой этим сигналом информации. Однако в случае воздействия значительных помех форма сигнала может искажаться настолько, что точная передача переносимой информации становится невозможной - в ней появляются ошибки, которые при простом способе кодирования приемник не сможет не только исправить, но и обнаружить. Для еще большего повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое избыточное кодирование двух типов: проверочные (EDC - Error Detection Code, обнаруживающий ошибку код) и корректирующие (ECC - Error Correction Code, исправляющий ошибку код) коды. Цифровое кодирование состоит в простом добавлении к исходной информации дополнительных битов и/или преобразовании исходной битовой цепочки в цепочку большей длины и другой структуры. EDC позволяет просто обнаружить факт ошибки - искажение или выпадение полезной либо появление ложной цифры, однако переносимая информация в этом случае также искажается; ECC позволяет сразу же исправлять обнаруженные ошибки, сохраняя переносимую информацию неизменной. Для удобства и надежности передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры), каждый из которых снабжается собственным набором этих кодов.

Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать и исправлять ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и искажения переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относительно объема исходной информации в общем случае повышает обнаруживающую и корректирующую способность этих кодов.

В качестве EDC популярен циклический избыточный код CRC (Cyclic Redundancy Check), суть которого состоит в сложном перемешивании исходной информации в блоке и формированию коротких двоичных слов, разряды которых находятся в сильной перекрестной зависимости от каждого бита блока. Изменение даже одного бита в блоке вызывает значительное изменение вычисленного по нему CRC, и вероятность такого искажения битов, при котором CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких (единицы процентов от длины блока) словах CRC. В качестве ECC используются коды Хэмминга (Hamming) и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые также включают в себя и функции EDC.

Информационная избыточность несущего цифрового сигнала приводит к значительному (на порядок и более) расширению полосы частот, требуемой для его успешной передачи, по сравнению с передачей исходного сигнала в аналоговой форме. Кроме собственно информационной избыточности, к расширению полосы приводит необходимость сохранения достаточно крутых фронтов цифровых импульсов.

Кроме целей помехозащиты, информация в цифровом сигнале может быть подвергнута также линейному или канальному кодированию, задача которого - оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот, постоянную составляющую, минимальное и максимальное количество нулевых/единичных импульсов в серии и т.п.) под характеристики реального канала передачи или записи сигнала.

Полученный несущий сигнал, в свою очередь, также является обычным электрическим сигналом, и к нему применимы любые операции с такими сигналами - передача по кабелю, усиление, фильтрование, модуляция, запись на магнитный, оптический или другой носитель и т.п. Единственным ограничением является сохранение информационного содержимого - так, чтобы при последующем анализе можно было однозначно выделить и декоди- ровать переносимую информацию, а из нее - исходный сигнал.

Способы представления звука в цифровом виде

Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во  времени - представляется в цифровой форме с помощью "перекрестной  дискретизации" - по времени и по уровню.

Согласно теореме Котельникова, любой непрерывный процесс с ограниченным спектром может быть полностью описан дискретной последовательностью его мгновенных значений, следующих с частотой, как минимум вдвое превышающей частоту наивысшей гармоники процесса; частота Fd выборки мгновенных значений (отсчетов) называется частотой дискретизации.

Из теоремы следует, что сигнал с частотой Fa может быть успешно дискретизирован по времени на частоте 2Fa только в том случае, если он является чистой синусоидой, ибо любое отклонение от синусоидальной формы приводит к выходу спектра за пределы частоты Fa. Таким образом, для временнОй дискретизации произвольного звукового сигнала (обычно имеющего, как известно, плавно спадающий спектр), необходим либо выбор частоты дискретизации с запасом, либо принудительное ограничение спектра входного сигнала ниже половины частоты дискретизации.

Одновременно с временнОй дискретизацией выполняется амплитудная - измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых величин с определенной точностью. Точность измерения (двоичная разрядность N получаемого дискретного значения) определяет соотношение сигнал/шум и динамический диапазон сигнала (теоретически это - взаимно-обратные величины, однако любой реальный тракт имеет также и собственный уровень шумов и помех).

Полученный поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени сигнала представляется собственным цифровым кодом.

Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое значение отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической природы слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это сопряжено с трудностями чисто технического характера.

ВременнАя дискретизация и амплитудное квантование сигнала неизбежно вносят в сигнал шумовые искажения, уровень которых принято оценивать по формуле 6N + 10lg (Fдискр/2Fмакс) + C (дБ), где константа C варьируется для разных типов сигналов: для чистой синусоиды это 1.7 дБ, для звуковых сигналов - от -15 до 2 дБ. Отсюда видно, что к снижению шумов в рабочей полосе частот 0..Fмакс приводит не только увеличение разрядности отсчета, но и повышение частоты дискретизации относительно 2Fмакс, поскольку шумы квантования "размазываются" по всей полосе вплоть до частоты дискретизации, а звуковая информация занимает только нижнюю часть этой полосы.

В большинстве современных цифровых звуковых систем используются стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный диапазон сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-разрядное квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум около 98 дБ. В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения - 18-, 20- и 24-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192 кГц. Это делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые непосредственно не воспринимаются слухом, но влияют на формирование общей звуковой картины.

Для оцифровки более узкополосных и менее качественных сигналов частота и разрядность дискретизации могут снижаться; например, в телефонных линиях применяется 7- или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц.

Представление аналогового сигнала в цифровом виде называется также импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM - Pulse Code Modulation), так как сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (временнАя дискретизация), амплитуда которых передается цифровым кодом (амплитудная дискретизация). PCM-поток может быть как параллельным, когда все биты каждого отсчета передаются одновременно по нескольким линиям с частотой дискретизации, так и последовательным, когда биты передаются друг за другом с более высокой частотой по одной линии.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12