Звуковые карты и Компрессия звука

Традиционное представление PCM с так называемой фиксированной точкой (fixed point), когда отсчеты представляются целыми числами, наиболее удобно и влечет минимум накладных расходов, однако точность вычислений зависит от масштаба операций - например, при умножении образуются числа вдвое большей разрядности, которые потом приходится приводить обратно к разрядности исходных отсчетов, а это может привести к переполнению разрядной сетки. Компромиссным вариантом служит промежуточное увеличение разрядности отсчетов (например, 16->32), что снижает вероятность переполнения, однако требует большей вычислительной мощности, объема памяти и вносит дополнительные искажения при обратном понижении разрядности. Кроме того, снижению погрешности способствует правильный выбор последовательности коммутативных (допускающих перестановку) операций, группировка дистрибутивных операций, учет особенностей работы конкретного процессора и т.п.

Другим способом увеличения точности является преобразование отсчетов в форму с плавающей точкой (floating point) с разделением на значащую часть - мантиссу и показатель величины - порядок. В этой форме все операции сохраняют разрядность значащей части, и умножение не приводит к переполнению разрядной сетки. Однако, как само преобразование между формами с фиксированной и плавающей точкой, так и вычисления в этой форме требуют на порядки большего быстродействия процессора, что сильно затрудняет их использование в реальном времени.

Несмотря на то, что качество сигнала неизбежно, хоть и незначительно, ухудшается при любой "искажающей" цифровой обработке, некоторые операции при определенных условиях являются полностью и однозначно обратимыми.

Например, усиление сигнала по амплитуде в три раза заключается в умножении каждого отсчета на три; если эта операция выполнялась с фиксированной точкой и при этом не возникло переполнения, с помощью деления на три потом можно будет вернуть все отсчеты в исходное состояние, тем самым полностью восстановив первоначальное состояние сигнала. И в то же время после умножения каждый отсчет окажется увеличенным точно в три раза, поэтому ошибка относительно исходного аналогового сигнала, внесенная при квантовании, также увеличится в среднем в три раза, тем самым ухудшив общее качество сигнала.

Сказанное выше демонстрирует, что ухудшение качества при "искажающей" цифровой обработке совсем не обязательно накапливается со временем, хотя в большинстве реальных применений происходит именно так. Кроме того, это не означает, что любая операция цифрового усиления всегда будет однозначно обратимой - это зависит от многих особенностей применения операции. Тем не менее, грамотно и качественно реализованная цифровая обработка может давать существенно меньший уровень искажений, чем такая же аналоговая, разве что это будут искажения разных видов.

К вопросу о сохранении качества сигнала при цифровом преобразовании форматов

Только в том случае, когда в процессе преобразования применяются "искажающие" операции - изменение разрядности отсчета, частоты дискретизации, фильтрование, сжатие с потерями и т.п. Простое увеличение разрядности отсчета с сохранением частоты дискретизации будет неискажающим, однако такое же увеличение, сопряженное с применением сглаживающей функции - уже нет. Уменьшение разрядности отсчета всегда является искажающей операцией, кроме случая, когда преобразуемые отсчеты были получены таким же простым увеличением разрядности - равной или меньшей.

Многие форматы отличаются друг от друга только порядком битов в слове, отсчетов левого и правого каналов в потоке и служебной информацией - заголовками, контрольными суммами, помехозащитными кодами и т.п. Точный способ проверки неискажаемости сигнала заключается в преобразовании нескольких различных потоков (файлов) формата F1 в формат F2, а затем обратно в F1. Если информационная часть каждого потока (файла) при этом будет идентична исходной - данный вид преобразования можно считать неискажающим.

Под информационной частью потока (файла) понимается собственно набор данных, описывающих звуковой сигнал; остальная часть считается служебной и на форму сигнала в общем случае не влияет. Например, если в служебной части файла или потока предусмотрено поле для времени его создания (передачи), то даже в случае полного совпадения информационных частей двух разных файлов или потоков их служебные части окажутся различными, и это будет зафиксировано логическим анализатором в случае потока или программой побайтного сравнения - в случае файла. Кроме этого, временной сдвиг одного сигнала относительно другого, возникающий при выравнивании цифрового потока по границам слов или блоков и состоящий в добавлении нулевых отсчетов в начало и/или конец файла или потока, также приводит к их кажущемуся цифровому несовпадению. В таких ситуациях для проверки идентичности цифровых сигналов необходимо пользоваться специальной аппаратурой или программой.

Для "перегонки" звука между специализированными системами, имеющими совместимые цифровые интерфейсы, достаточно соединить их цифровым кабелем и переписать звук с одной системы на другую; в ряде сочетаний устройств при этом возможно ухудшение качества сигнала из-за уменьшения разрядности отсчета, передискретизации или сжатия звука. Например, при копировании звука между одинаковыми системами MiniDisk через интерфейс S/PDIF сжатый звуковой поток на передающей стороне подвергается восстановлению, а на приемной - повторному сжатию. Вследствие несимметричности алгоритма ATRAC в звук при повторном сжатии будут внесены добавочные искажения.

Для преобразования компьютерного файла в другой формат используются программы-конверторы: WAV2AIFF/AIFF2WAV, Convert, AWave и другие - на IBM PC, SoundExtractor, SampleEditor, BST - на Apple Macintosh.

Обмен звуковой информацией между компьютерной и специализированной системой нередко возможен несколькими способами: Прямой перенос по цифровому интерфейсу, если у обоих систем имеются совместимые цифровые интерфейсы. При этом на компьютерной системе используется программа записи/воспроизведения, формирующая или воспроизводящая стандартный для данной системы звуковой файл.

Чтение/запись на специализированных системах стандартных компьютерных носителей. Например, ряд музыкальных рабочих станций использует гибкие диски в форматах стандартных файловых систем IBM PC или Macintosh, либо позволяет прочитать или создать такой диск.

Чтение и запись на компьютерной системе специализированных носителей и их специальных форматов, если это позволяет аппаратура и программное обеспечение. Таким образом читаются и пишутся дискеты от Ensoniq, AKAI, Emulator, компакт-диски ряда "чужих" систем, а также читаются и пишутся обычные звуковые компакт-диски.

Компьютерные программы, используемые для обработки звука

На IBM PC наиболее популярны редакторы Cool Edit Pro (Syntrillium) Sound Forge (Sonic Foundry), WaveLab (Steinberg) и системы многодорожечной записи SAW Plus, Samplitude, N-Track и DDClip. На Apple Macintosh используются программ Alchemy, Deck II, DigiTracks, HyperPrism.

Сейчас популяpны пpогpаммы Cool Editor, Sound Forge, Samplitude, Software Audio Workshop (SAW). Они дают возможность пpосматpи- вать осциллогpаммы обоих стеpеоканалов, пpослушивать выбpанные участки, делать выpезки и вставки, амплитудные и частотные пpеобpазования, звуковые эффекты (эхо, pевеpбеpацию, фленжеp, дистошн), наложение дpугих оцифpовок, изменение частоты оцифpовки, генеpиpовать pазличные виды шумов, синтезиpовать звук по адди- тивному и FM методам и т.п. Cool Editor содеpжит спектpальный анализатоp, отобpажающий спектp выбpанного участка оцифpовки.

Многие пpогpаммы обpаботки звука позволяют загpужать и сохpанять оцифpовки в pазличных фоpматах, что дает возможность пpеобpазовывать файлы из одного фоpмата в дpугой и pазделять стеpеоканалы.

Джиттер

Jitter - дрожание (быстрые колебания) фазы синхросигналов в цифровых системах, приводящее к неравномерности во времени моментов срабатывания тактируемых этими сигналами цифровых устройств. Сами по себе цифровые устройства нечувствительны к таким колебаниям, пока они не достигают значительной величины по сравнению с общей длительностью импульсов, однако в "пограничных" устройствах, находящихся на стыке цифровой и аналоговой частей схемы - АЦП и ЦАП - джиттер приводит к неравномерности моментов срабатывания компараторов АЦП или ключей ЦАП, приводящей к нарушению правильности формы аналогового сигнала. Для высокочастотных компонент сигнала дрожание фазы приводит к "размыванию" звука - нарушению субъективной пространственной локализации источников, поскольку слуховое восприятие локализации базируется в основном на фазовых, а не на амплитудных соотношениях стереоканалов.

Джиттер может возникать из-за любой нестабильности напряжений и токов в области ЦАП/АЦП. Например, колебания питающих напряжений изменяют частоту опорного генератора, наводки на провода и печатные дорожки искажают форму цифровых сигналов. Даже если эти искажения не изменяют информационного содержимого сигнала - заключенной в нем битовой последовательности, они могут нарушить равномерность опроса входного звукового сигнала в АЦП или выдачу выходного сигнала с ЦАП и привести к искажениям формы, особенно заметной в области высоких частот.

Величина джиттера обозначает максимальное абсолютное отклонение момента перехода тактового сигнала из одного состояния в другое от расчетного значения, и измеряется в секундах. Для систем среднего качества допустимая величина джиттера составляет порядка 100 пикосекунд, для систем класса Hi-Fi ее стараются предельно минимизировать.

Для борьбы с джиттером используется тактирование АЦП и ЦАП высокостабильными генераторами, а для подавления неравномерности цифрового потока, поступающего на ЦАП - промежуточными буферами типа FIFO (очередь). Для уменьшения влияния помех применяются обычные методы - экранирование, развязки, исключение "земляных петель", раздельные источники питания, питание критичных схем от аккумулятора и т.п. Хорошие результаты дают внешние модули ЦАП, в которых реализованы описанные методы - например, Audio Alchemy DAC-in-the-Box и другие.

Необходимо различать "пограничный" джиттер, действующий на границах аналоговой и цифровой части схемы - в области АЦП или ЦАП, и "внутренний", возникающий в любых других участках чисто цифровой схемы.

Влияние на звуковой сигнал имеет только "пограничный" джиттер, ибо только он непосредственно связан с преобразованием аналогового звукового сигнала. Весь "внутренний" джиттер при грамотном построении схемы должен полностью подавляться в интерфейсных цепях, однако некорректная реализация может пропускать его и непосредственно на ЦАП/АЦП.

Возникающий в цепях формирования, обработки, передачи, записи и чтения цифровых сигналов "внутренний" джиттер вполне может распространяться по системе, выходить за ее пределы и переноситься между системами через цифровые интерфейсы передачи или цифровые же носители информации. При этом величина джиттера может как ослабляться, так и усиливаться. При использовании интерфейсов передачи со "встроенным" (embedded) синхросигналом, а также при чтении с любого носителя, приемная сторона вынуждена синхронизироваться с передатчиком путем использования систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, Phase Locked Loop - PLL), которая вносит дополнительные дрожания, будучи не в состоянии мгновенно отслеживать изменения фазы и частоты принимаемого сигнала.

Один из возможных способов ослабления джиттера при передаче - использование синхронных интерфейсов с отдельным тактовым сигналом (Word Clock), а еще лучше - асинхронных двунаправленных с возможностью согласования темпа передачи, наподобие RS-232. В этом случае стороны могут не опасаться возможного опустения или переполнения буфера на приемном конце, передача может выполняться блоками с более высокой скоростью, чем идет вывод звука, а приемная сторона может использовать полностью независимый стабильный генератор для извлечения отсчетов из буфера. Однако все это имеет смысл только в том случае, когда приемник работает непосредственно на ЦАП - при записи на носитель неравномерности такой величины влияния на качество звука не оказывают.

Таким образом, в корректно реализованной системе все виды джиттера, возникающие в чисто цифровых блоках и между ними, являются "внутренними" и должны быть подавлены до передачи цифрового сигнала на ЦАП для оконечного преобразования. Это может быть сделано при помощи промежуточного буфера, схемы ФАПЧ с плавным изменением частоты генератора (медленное изменение в небольших пределах, в отличие от дрожания, практически не ощущается на слух), или каким-либо другим методом.

Для слуховой оценки звукового сигнала его необходимо воспроизвести либо одновременно на двух разных системах, либо последовательно - на одной.

Даже если в обоих случаях сам цифровой сигнал будет одинаковым, набор сопутствующих условий - аппарат, носитель, его микроструктура, первичные сигналы при считывании информации, особенности работы декодеров, спектр аналоговых шумов и помех - почти всегда будет различен. Все эти побочные процессы могут создавать паразитные наводки, искажающие форму цифрового сигнала, порождающие джиттер, воздействующие на цепи питания и прочие аналоговые компоненты системы. В правильно сконструированных и тщательно выполненных аппаратах все эти влияния должны быть подавлены до уровня, недоступного восприятию, однако для большинства бытовых и особенно бюджетных аппаратов это не так.

Могут быть и более прозаичные причины для возникновения разницы - такие, как неустойчивое считывание цифрового носителя, при котором декодер не в состоянии однозначно восстановить закодированный звуковой сигнал и вынужден прибегать к его интерполяции, ухудшающей качество звучания.

Такая же интерполяция или гашение отсчетов происходит в случае ошибочного их приема по цифровым межсистемным интерфейсам, что может быть вызвано плохим качеством или чрезмерной длиной кабеля, воздействием на него сильных помех, неисправностью приемника или передатчика, плохой их совместимостью и т.п. Поэтому вопрос о сравнении звучания должен рассматриваться только после того, как доказана идентичность цифровых потоков, поступающих на оконечный ЦАП. Под ЦАП здесь должен пониматься именно неделимый, "самый последний" преобразователь, а не произвольное сложное устройство, получающее на входе цифровой сигнал и выдающее на выходе аналоговый.

3.                       Спецификация стандарта MIDI, его реализация на компьютере

MIDI (цифpовой интеpфейс музыкальных инстpументов)

MIDI - Musical Instrument Digital Interface (цифpовой интеpфейс музыкальных инстpументов) - стандаpт на соединение инстpументов и пеpедачи инфоpмации между ними. Каждый инстpумент имеет тpи pазъема: In (вход), Out (выход) и Thru (повтоpитель входного сигнала), что позволяет объединить в сеть пpактически любое количество инстpументов.

Способ пеpедачи - токовая петля (5 мА). Инфоpмация пеpедается байтами, в последовательном стаpтстопном коде (8 битов данных, один стоповый, без четности - фоpмат 8-N-1), со скоpостью 31250 бит/с. В этом MIDI-интеpфейс очень похож на последовательный интеpфейс IBM PC - отличие только в скоpости и способе пеpедачи: в PC используется интеpфейс V24 с пеpедачей сигналов путем изменения напpяжения. Частоту 31250 бит/с на стандаpтном интеpфейсе IBM PC получить нельзя.

Поток данных, пеpедаваемый по MIDI, состоит из сообщений (событий): нажатие/отпускание клавиш, изменение положений pегулятоpов (MIDI-контpоллеpов), смена pежимов pаботы, синхpонизация и т.п. Можно сказать, что по MIDI пеpедается паpтитуpа музыкального пpоизведения, однако есть и специальные виды сообщений - System Exclusive (SysEx) - в котоpых может содеpжаться любая инфоpмация для инстpумента - напpимеp, оцифpованный звук для загpузки в ОЗУ, паpтитуpа pитм-блока и т.п. Обычно SysEx уникальны для каждого инстpумента и не совместимы с дpугими инстpументами.

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