Звукова система персонального комп'ютера служить для відтворення звукових ефектів і мови, що супроводжує відтворену відеоінформацію, і включає:
- модуль запису / відтворення;
- синтезатор;
- модуль інтерфейсів;
- мікшер;
- акустичну систему.
Компоненти звукової системи (виключаючи акустичну систему) конструктивно оформляються у вигляді окремої звукової плати або частково реалізуються у вигляді мікросхем на материнській платі комп'ютера.
Як правило, сигнали на вході і виході модуля запису / відтворення мають аналогову форму, але обробка звукових сигналів відбувається в цифровій формі. Тому основні функції модуля запису / відтворення зводяться до аналого-цифрового і цифро-аналоговому перетворенням.
Для цього вхідний аналоговий сигнал піддається імпульсно-кодової модуляції (ІКМ), суть якої полягає в дискретизації часу і поданні (вимірі) амплітуд аналогового сигналу в дискретні моменти часу у вигляді двійкових чисел. Необхідно так вибрати частоту дискретизації і розрядність двійкових чисел, щоб точність аналого-цифрового перетворення відповідала вимогам, що пред'являються до якості відтворення звуку.
Згідно з теоремою Котельникова, якщо крок дискретизації за часом, що відокремлює сусідні відліки (виміряні амплітуди), не перевищує половини періоду коливань вищої складової в частотному спектрі перетворюється сигналу, то дискретизація часу не вносить спотворень і не призводить до втрат інформації. Якщо для високоякісного звучання досить, щоб відтворювався спектр шириною в 20 кГц, то частота дискретизації повинна бути не нижче 40 кГц. У звукових системах персональних комп'ютерів (ПК) зазвичай приймають частоту дискретизації, рівну 44,1 або 48 кГц.
Обмежена розрядність двійкових чисел, що представляють амплітуди сигналів, обумовлює дискретизацию величин сигналу. У звукових картах в більшості випадків застосовують 16-розрядні двійкові числа, що відповідає 216 рівнями квантування або 96 дБ. Іноді використовують 20- або навіть 24-розрядний аналого-цифрове перетворення.
Очевидно, що підвищення якості звучання шляхом збільшення частоти f дискретизації і числа k рівнів квантування приводить до істотного зростання обсягу S виходять цифрових даних, так як
S \u003d f t log2k / 8,
де t - тривалість звукового фрагмента, S, f і t - вимірюються в Мбайтах, МГц і секундах відповідно. При стереофонічному режимі обсяг даних збільшується вдвічі. Так, при частоті 44,1 кГц і 216 рівнів квантування кількість інформації для подання звукового стереофонического фрагмента тривалістю в 1 хв становить близько 10,6 Мбайт. Для зниження вимог як до ємності пам'яті для зберігання звукової інформації, так і до пропускної спроможності каналів передачі даних використовують стиснення (компресію) інформації.
Модуль інтерфейсів використовується для передачі оцифрованої звукової інформації до інших пристроїв ПК (пам'яті, акустичної системі) за посередництвом шин комп'ютера. пропускної спроможності шини ISA, Як правило, недостатньо, тому використовують інші шини - PCI, спеціальний інтерфейс музичних інструментів MIDI або деякі інші інтерфейси.
За допомогою мікшера можна змішувати звукові сигнали, створюючи поліфонічне звучання, накладати музичний супровід на мова, яка супроводжує мультимедійні фрагменти і т.п.
Синтезатор призначений для генерування звукових сигналів, найчастіше для імітації звучання різних музичних інструментів. Для синтезу використовують частотну модуляцію, таблиці хвиль, математичне моделювання. Вихідні дані для синтезаторів (коди нот і типів інструментів) зазвичай представляють у форматі MIDI (розширення MID в імені файлів). Так, при застосуванні методу частотної модуляції керують частотою і амплітудою сумміруемих сигналів від основного генератора і генератора обертонів. Згідно з методом таблиці хвиль результуючий сигнал отримують, комбінуючи оцифровані зразки звуків, отриманих від реальних музичних інструментів. У методі математичного моделювання замість експериментально отриманих зразків використовують математичні моделі звуків.
Правило 2. Перш, ніж включити апарат в мережу, подивіться, що написано на задній стінці апарату.
Перевірте напругу на виході автотрансформатора на холостому ходу перш, ніж підключати до нього апарат.
Проконтролюйте величину яке живить апарат напруги в процесі виготовлення копій.
Закінчивши роботу, вимкніть автотрансформатора з мережі. Не залишайте автотрансформатор під напругою!
Правило 3. Дуже важливо враховувати вимоги до установки копіювального апарату. Встановлювати апарат необхідно на рівній горизонтальній поверхні. Відхилення від горизонтального положення призводить до перерозподілу тонера і носія в картриджі апарату в бік ухилу. Відповідно ускладнюється їх перемішування і порушується рівномірність покриття магнітного вала тонером.
Лабораторна робота. Вивчення принципу роботи пристроїв обробки звуку
Мета роботи
Вивчити структурну схему звукової системи ПК, складові звукової системи.
7.2 Хід роботи:
1) Ознайомитися з структурною схемою звукової системи ПК.
2) Вивчити основні складові (модулі) звукової системи.
3) Ознайомитися з принципом дії модуля синтезатора.
4) Ознайомитися з принципом роботи модуля інтерфейсів.
5) Ознайомитися з принципом роботи модуля мікшера.
1) Тема, мета, хід роботи;
2) Формулювання і опис індивідуального завдання;
1) Назвіть основні модулі класичної звукової системи.
2) В чому полягає сутність синтезування.
3) Назвіть фази звукового сигналу.
4) Які методи синтезу звуку ви знаєте?
5) Перерахуйте сучасні інтерфейси звукових пристроїв.
Методичні вказівки.
Структура звукової системи ПК
Звукова система ПК конструктивно являє собою звукові карти, або встановлюються в слот материнської плати, або інтегровані на материнську плату або карту розширення іншої підсистеми ПК.
Класична звукова система, як показано на Малюнок 23, містить:
1. модуль запису і відтворення звуку;
2. модуль синтезатора;
3. модуль інтерфейсів;
4. модуль мікшера;
5. акустичну систему.
Малюнок 23 - Структура звукової системи ПК
модуль синтезатора
Електромузичний цифровий синтезатор звукової системи дозволяє генерувати практично будь-які звуки, в тому числі і звучання реальних музичних інструментів. Принцип дії синтезатора ілюструє Малюнок 24.
Синтезування являє собою процес відтворення структури музичного тону (ноти). Звуковий сигнал будь-якого музичного інструменту має кілька тимчасових фаз. На Малюнок 24, апоказані фази звукового сигналу, що виникає при натисканні мл виші рояля. Для кожного музичного інструменту вид сигналу буде своєрідним, але в ньому можна виділити три фази: атаку, підтримку і загасання. Сукупність цих фаз називається амплітудної обвідної,форма якої залежить від типу музичного інструменту. Тривалість атаки для різних музичних інструментів змінюється від одиниць до декількох десятків або навіть до сотень мілісекунд. У фазі, званої підтримкою, амплітуда сигналу майже не змінюється, а висота музичного тону формується під час підтримки. Останній фазі, загасання, відповідає ділянку досить швидкого зменшення амплітуди сигналу.
В сучасних синтезаторах звук створюється наступним чином. цифровий пристрій, Що використовує один з методів синтезу, генерує так званий сигнал збудження із заданою висотою звуку (ноту), який повинен мати спектральні характеристики, Максимально близькі до характеристик імітованого музичного інструменту в фазі підтримки, як показано на Малюнок 24, б.Далі сигнал збудження подається на фільтр, що імітує амплітудно-частотну характеристику реального музичного інструменту. На інший вхід фільтра подається сигнал амплітудної обвідної того ж інструменту. Далі сукупності сигналів обробляється з метою отримання спеціальних звукових ефектів, наприклад, відлуння (реверберація), хорового виконання. Далі виробляються цифроаналоговое перетворення і філи рація сигналу за допомогою фільтра низьких частот (ФНЧ).
Основні характеристики модуля синтезатора:
Метод синтезу звуку;
Обсяг пам'яті;
Можливість апаратної обробки сигналу для створення звукових ефектів;
Поліфонія - максимальне число одночасно відтворених елементів звуків.
Метод синтезу звуку,використовується в звуковій системі ПК, визначає не тільки якість звуку, але і склад системи. На практиці на звукових картах встановлюються синтезатори, генеруючі звук з використанням наступних методів.
Малюнок 24 - Принцип дії сучасного синтезатора: а - фази звукового сигналу; б - схема синтезатора
Метод синтезу на основі частотної модуляції ( Frequency Modulation Synthesis -FM-синтез) передбачає використання для генерації голоси музичного інструменту як мінімум двох генераторів сигналів складної форми. Генератор несучої частоти формує сигнал основного тону, частотно-модульований сигналом додаткових гармонік, обертонів, що визначають тембр звучання конкретного інструменту. Генератор обвідної управляє амплітудою результуючого сигналу FM-генератор забезпечує прийнятну якість звуку, відрізняється невисокою вартістю, але не реалізує звукові ефекти. У зв'язку з цим звукові карти, що використовують цей метод, не рекомендуються відповідно до стандарту РС99.
Синтез звуку на основі таблиці хвиль (Wave Table Synthesis -WT-синтез) проводиться шляхом використання попередньо оцифрованих зразків звучання реальних музичних інструментів та інших звуків, що зберігаються в спеціальній ROM, виконаної у вигляді мікросхеми пам'яті або інтегрованої в мікросхему пам'яті WT-генератора. WT-синтезатор забезпечує генерацію звуку з високою якістю. Цей метод синтезу реалізований в сучасних звукових картах.
Обсяг пам'ятіна звукових картах з WT-синтезатором може збільшуватися за рахунок установки додаткових елементів пам'яті (ROM) для зберігання банків з інструментами.
звукові ефектиформуються за допомогою спеціального ефект-процесора, який може бути або самостійним елементом (мікросхемою), або інтегруватися до складу WT-синтезатора. Для переважної більшості карт з WT-синтезом ефекти реверберації і хоруса стали стандартними.
Синтез звуку на основі фізичного моделювання передбачає використання математичних моделей звукоутворення реальних музичних інструментів для генерації в цифровому вигляді і для подальшого перетворення в звуковий сигнал за допомогою ЦАП. Звукові карти, що використовують метод фізичного моделювання, поки не набули широкого поширення, оскільки для їх роботи потрібно потужний ПК.
модуль інтерфейсів
Модуль інтерфейсів забезпечує обмін даними між звуковою системою та іншими зовнішніми і внутрішніми пристроями.
інтерфейс ISAв 1998 році був витіснений в звукових картах інтерфейсом PCI.
інтерфейс PCIзабезпечує широку смугу пропускання (наприклад, версія 2.1 - понад 260 Мбіт / с), що дозволяє передавати потоки звукових даних паралельно. Використання шини PCI дозволяє підвищити якість звуку, забезпечивши відношення сигнал / шум понад 90 дБ. Крім того, шина PCI забезпечує можливість кооперативної обробки звукових даних, коли завдання обробки і передачі даних розподіляються між звуковою системою і CPU.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface- цифровий інтерфейс музичних інструментів) регламентується спеціальним стандартом, що містить специфікації на апаратний інтерфейс: типи каналів, кабелі, порти, за допомогою яких MIDI-пристрої підключаються один до іншого, а також опис порядку обміну даними - протоколу обміну інформацією між MIDI-пристроями. Зокрема, за допомогою MIDI-команд можна управляти світлотехнічної апаратурою, відеоустаткуванням в процесі виступу музичної групи на сцені. Пристрої з MIDI-інтерфейсом з'єднуються послідовно, утворюючи своєрідну MIDI-мережу, яка включає контролер - пристрій, що управляє, в якості якого може бути використано як ПК, так і музичний клавішний синтезатор, а також ведені пристрої (приймачі), передають інформацію в контролер по його запитом. Сумарна довжина MIDI-ланцюжка не обмежена, але максимальна довжина кабелю між двома MIDI-пристроями не повинна перевищувати 15 метрів.
Підключення ПК в MIDI-мережу здійснюється за допомогою спеціального MIDI-адаптера, який має три MIDI-порту: введення, виведення і наскрізний передачі даних, а також два роз'єми для підключення джойстиків.
До складу звукової карти входить інтерфейс для підключення приводів CD-ROM.
7.5.4 Модуль мікшера
Модуль мікшера звукової карти виконує:
Комутацію (підключення / відключення) джерел і приймачів звукових сигналів, а також регулювання їх рівня;
Мікшування (змішування) декількох звукових сигналів і регулювання рівня результуючого сигналу.
До числа основних характеристик модуля мікшера відносяться:
Число мікшіруемих сигналів на каналі відтворення;
Регулювання рівня сигналу в кожному мікшіруемом сигналі;
Регулювання рівня сумарного сигналу;
Вихідна потужність підсилювача;
Наявність роз'ємів для підключення зовнішніх і внутрішніх приймачів / джерел звукових сигналів.
Джерела і приймачі звукового сигналу з'єднуються модулем мікшера через зовнішні або внутрішні роз'єми. Зовнішні роз'єми звукової системи зазвичай знаходяться на задній панелі корпусу системного блоку: Joystick / MIDI- для підключення джойстика або MIDI-адаптера; Mic In- для підключення мікрофона; Line In- лінійний вхід для підключення будь-яких джерел звукових сигналів; Line Out- лінійний вихід для підключення будь-яких приймачів звукових сигналів; Speakerдля підключення головних телефонів (навушників) або пасивної акустичної системи.
програмне управління мікшером здійснюється або засобами Windows, Або за допомогою програми-мікшера, що поставляється в комплекті з програмним забезпеченням звукової карти
Сумісність звукової системи з одним зі стандартів звукових карт означає, що звукова система буде забезпечувати якісне відтворення звукових сигналів. Проблеми сумісності особливо важливі для DOS-додатків. Кожне з них містить перелік звукових карт, на роботу з якими DOS-додаток орієнтоване.
стандарт Sound Blaster підтримують програми у вигляді ігор для DOS, в яких звуковий супровід запрограмовано з орієнтацією на звукові карти сімейства Sound Blaster.
Стандарт Windows Sound System (WSS)фірми Microsoft включає звукову карту і пакет програм, орієнтований в основному на бізнес-додатки.
Приклади виконання індивідуальних завдань
Модель 1 - Звукова карта SB PCI CMI 8738
Малюнок 25 - Зовнішній вигляд звукової карти SB PCI CMI 8738
Опис: Звукова карта з можливістю відтворення звуку у форматі 5.1
Тип обладнання: Мультимедійна звукова карта
Чіп: C-Media 8738
Аналогові входи: 2
Аналогові виходи: 3
Роз'єми: Зовнішні: лінійний вхід, вхід мікрофона, вихід на передні колонки, вихід на задні колонки, вихід на центр / сабвуфер; внутрішні: лінійний вхід, вхід CD
Можливість підключення 4 колонок: Є
Підтримка Dolby Digital 5.1: Є
Підтримка EAX: EAX 1.0 і 2.0
Інтерфейс: PCI
Можливість підключення 6 колонок: Є
Модель 2 - Звукова карта SB PCI Terratec Aureon 5.1 PCI
Малюнок 26 - Зовнішній вигляд звукової карти SB PCI Terratec Aureon 5.1 PCI
Опис: 6-канальна звукова карта.
3D-звук: EAX 1.0, EAX 2.0, Sensaura, Aureal A3D 1.0, Environment FX, Multi Drive, Zoom FX, I3DL2, DirectSound 3D
Чіп: С-media CMI8738 / PCI-6ch-MX
ЦАП: 16 біт / 48 кГц
АЦП: 16 біт / 48 кГц
Кількість колонок: 5.1
Аналогові входи: 1х небалансний miniJack роз'єм, мікрофонний вхід miniJack, внутрішні роз'єми: AUX, CD-in.
Аналогові виходи: Аудіовиходи miniJack для підключення 5.1 акустики (front-out, rear-out, sub / senter-out).
S / PDIF: 16 \u200b\u200bбіт / 48 кГц
Цифрові входи / виходи: Оптичний (TOSLINK) вихід, оптичний (TOSLINK) вхід.
Частота дискретизації: 44.1, 48 кГц
Вимоги до системи (мінімальні): Intel PentiumIII, AMD K6-III 500 МГц 64 Мб пам'яті
Інтерфейс: PCI 2.1, 2.2
Звукова система ПК у вигляді звукової карти з'явилася в 1989 р, істотно розширивши можливості ПК як технічного засобу інформатизації.
Звукова система ПК- комплекс програмно-апаратних засобів, що виконують такі функції:
· Запис звукових сигналів, що надходять від зовнішніх джерел, наприклад, мікрофона або магнітофона, шляхом перетворення вхідних аналогових звукових сигналів в цифрові і подальшого збереження на жорсткому диску;
· Відтворення записаних звукових даних за допомогою зовнішньої акустичної системи або головних телефонів (навушників);
· Відтворення звукових компакт-дисків;
· Мікшування (змішування) при запису або відтворення сигналів від декількох джерел;
· Одночасний запис і відтворення звукових сигналів (режим Full Duplex);
· Обробка звукових сигналів: редагування, об'єднання або поділ фрагментів сигналу, фільтрація, зміна його рівня;
· Обробка звукового сигналу відповідно до алгоритмів об'ємного (тривимірного - 3D-Sound)звучання;
· Генерування за допомогою синтезатора звучання музичних інструментів, а також людської мови та інших звуків;
· Управління роботою зовнішніх електронних музичних інструментів через спеціальний інтерфейс MIDI.
Звукова система ПК конструктивно являє собою звукові карти, або встановлюються в слот материнської плати, або інтегровані на материнську плату або карту розширення іншої підсистеми ПК, а також пристрої запису і відтворення аудіоінформації (акустичну систему). Окремі функціональні модулі звукової системи можуть виконуватися у вигляді дочірніх плат, що встановлюються у відповідні роз'єми звукової карти.
Класична звукова система, як показано на рис. 4.23, містить:
Модуль запису і відтворення звуку;
Модуль синтезатора;
Модуль інтерфейсів;
Модуль мікшера;
Акустичну систему.
Мал. 4.23. Структура звукової системи ПК.
Перші чотири модулі, як правило, встановлюються на звукової карти. Причому існують звукові карти без модуля синтезатора або модуля запису / відтворення цифрового звуку. Кожен з модулів може бути виконаний або у вигляді окремої мікросхеми, або входити до складу багатофункціональної мікросхеми. Таким чином, Chipset звукової системи може містити як кілька, так і одну мікросхему.
Конструктивні виконання звукової системи ПК зазнають суттєвих змін; зустрічаються материнські плати з встановленим на них Chipset для обробки звуку.
Однак призначення і функції модулів сучасної звукової системи (незалежно від її конструктивного виконання) не змінюються. При розгляді функціональних модулів звукової карти прийнято користуватися термінами «звукова система ПК» або «звукова карта».
Звукова система комп'ютера складається з звукового адаптера (Звукової карти) і електроакустичних перетворювачах звукових коливань (мікрофона і звукових колонок).
Звукові карти виконують такі функції:
§ дискретизацию аналогових сигналів з частотами 11,025 кГц, 22,05 і 44,1 кГц. Перша частота відноситься до 8 бітовим картам, інші - до 16 бітовим;
§ 8- або 16- бітове квантування, кодування і декодування з використанням лінійної імпульсно-кодової модуляції (ІКМ);
§ одночасно проводити запис і відтворення звукової інформації (режим Full duplex);
§ введення сигналів через монофонический мікрофон з автоматичним регулюванням рівня вхідного сигналу;
§ введення і виведення аудіосигналів через лінійний вхід / вихід;
§ мікшування (змішування) сигналів від декількох джерел і видача сумарного сигналу в вихідний канал. Як джерела використовуються:
а) аналоговий вихід CD-ROM;
в) музичний синтезатор;
г) зовнішнє джерело, підключений до лінійного входу.
§ управління рівнем сумарного сигналу і сигналу кожного з каналів окремо;
§ обробка стереофонических сигналів;
§ синтез звукових коливань з використанням частотної модуляції (FM) і хвильових таблиць (WT).
Звукова карта повинна використовувати не більше 13% ресурсів процесора ЕОМ при частоті дискретизації 44,1 кГц і не більше 7% - при f g \u003d 22,05 кГц. В звукової карти здійснюється обробка аналогових і цифрових сигналів. Відповідно до специфікації АС-97 ( Audio Codec 97 Component Specification), Розробленої фірмою Intel в 1997 році, обробка звукових сигналів розділена між двома пристроями:
звуковий кодек (AC-audio codec) і
цифровим контролером (DC - digital controller).
Аналогова БІС повинна розташовуватися поблизу звукових з'єднувачів введення / виведення і якомога далі від шумливих цифрових шин. Цифрова БІС розташовується ближче до системної шини звукової карти. Поєднання цих мікросхем здійснюється за уніфікованою внутрішньої шині AC-link. У сучасних моделях РС ці мікросхеми розташовуються на системній платі комп'ютера. Розширена модифікація БІС звукового кодека додатково виконує функції модему.
У спрощеному вигляді схема аудіосистеми РС може бути представлена \u200b\u200bнаступним чином (рисунок 10.13). Мікрофон (М) здійснює перетворення акустичних коливань в електричний, а гучномовець (Гр.) Перетворення електричних коливань в акустичні. Вхідний сигнал з мікрофона посилюється, а з лінійного входу подається безпосередньо на аналого-цифровий перетворювач.
Малюнок 10.13 - Структура звукової карти
Дискретний сигнал можна представити у вигляді добутку вихідного сигналу U (t) і діскретізіруется послідовності P (t)
U д(T) \u003d U (t) P (t).
Діскретізіруется послідовність складається з дуже коротких імпульсів. При теоретичному описі ця послідовність є δ - імпульсами, які слідують з частотою дискретизації f про \u003d 1 / Т про
P (t) \u003d Σ δ (t - nT o)
Тимчасова діаграма процесу дискретизації і квантування показана на малюнку 10.14
Синтез звукових сигналів.Синтезатор призначений для генерації звуків музичних інструментів, що відповідають певним нотах, а також створювати "немузичні" звуки: шум вітру, пострілу і т.п.
Одна і та ж нота, відтворена на музичному інструменті, звучить по різному (скрипка, труба, саксофон). Це викликано тим, що хоча певній ноті відповідає коливання конкретної частоти, звуки різних інструментів, Крім основного тону (синусоїди), характеризуються наявністю додаткових гармонік - обертонів.Саме обертони визначають тембрових забарвлення голосу музичного інструменту.
Малюнок 10.14- Тимчасова діаграма оцифровки вхідного сигналу
Створений за допомогою музичного інструменту звуковий сигнал складається з трьох характерних фрагментів - фаз. Так, наприклад, при натисканні клавіші рояля амплітуда звуку спочатку швидко зростає до максимуму, а потім трохи спадає (малюнку 10.15). Початкова фаза звукового сигналу називається атакою. Тривалість атаки для різних музичних інструментів варіюється від одиниць до десятків і навіть сотень мс. Після атаки починається фаза "підтримки", протягом якої звуковий сигнал має стабільну амплітуду. Слухове відчуття висоти звуку формується якраз на стадії підтримки.
Далі слід ділянку з відносно швидким загасанням рівня сигналу. Що огинає коливань під час атаки, підтримки і загасання називається амплітудної облямовує. Різні музичні інструменти мають різні амплітудні огинають, проте, відмічені фази характерні практично для всіх музичних інструментів, за винятком ударних.
Для створення електронного аналога реального звуку, тобто для синтезу звуку, необхідно відтворити огинають гармонік, з яких складається реальний звук. Існує кілька методів синтезу. Одним з перших і найбільш вивчених є адитивний синтез. Звук в процесі синтезу формується шляхом складання декількох вихідних звукових хвиль. Цей метод використовували ще в класичному органі. Спеціальною конструкцією клапанів при натисканні клавіші змушували звучати відразу кілька труб. При цьому звучать труби були налаштовані або в унісон або в одну дві октави. При натисканні клавіші першими починали звучати короткі труби, що дають високі обертони, потім вступала середня секція і останніми - баси.
При цифровому аддитивном синтезі окремо формується N гармонік з частотами від f 1 до f N і амплітудами від A 1 (t) до A N (t). Потім ці гармоніки складаються.
другий метод є різновидом нелінійного синтезу. Для отримання одного музичного звуку використовується сигнал одного генератора. Гармонійну забарвлення отримують в результаті нелінійних спотворень вихідного сигналу. Для цього синусоїдальний сигнал, що формується генератором, керованим кодом (ГНК) з амплітудою A 1 і частотою f 1 (рисунок 10.16 а) пропускають через нелінійний елемент з деякою характеристикою К (х) (Рисунок 10.16 б). Знаючи амплітуду сигналу A 1 і вид характеристики К (х), Можна обчислити спектр сигналу на виході (рисунок 10.16 в).
Наступним широко поширеним методом є синтез на основі частотної модуляції (Широко використовується в ЕМІ фірми Yamaha). При частотної модуляції здійснюється зміна частоти f 0 несучого коливання U (t) \u003d A sin(2π f 0 + φ) згідно із законом модулирующего коливання x(T). Вирази для частотно-модульованого коливання має вигляд
U (t) \u003d A sin (Ω o t + Δω∫dt),
Величина зміни частоти несучого коливання Δω 0 \u003d 2π f 0 називається девіацією частоти, аотношеніе відхилення Δ f 0 частоти модульованого коливання до частоті модулюючого коливання f m називається індексом частотної модуляції m f \u003d Δ f 0 / f m. Змінюючи індекс модуляції можна змінювати спектр сигналу на виході модулятора і тим самим досягти якості синтезованого звуку, близького до природного звучання.
Вирази для частотно-модульованого коливання при синусоидальном модулирующем коливанні x(T) \u003d sin ω o t має вигляд
U (t) \u003d A sin .
Спектр модульованих сигналів при різних індексах модуляції зображений на малюнку 10.17.
знати:
Звукова система ПК. Склад звукової системи ПК. Принцип роботи і технічні характеристики звукових плат. Напрямки вдосконалення звукової системи. Принцип обробки звукової інформації. Специфікація звукових систем.
Методичні вказівки
Звукова система ПК - комплекс програмно-апаратних засобів, що виконують такі функції:
запис звукових сигналів, що надходять від зовнішніх джерел, наприклад, мікрофона або магнітофона, шляхом перетворення вхідних аналогових звукових сигналів в цифрові і подальшого збереження на жорсткому диску;
відтворення записаних звукових даних за допомогою зовнішньої акустичної системи або головних телефонів (навушників);
відтворення звукових компакт-дисків;
мікшування (змішування) при запису або відтворення сигналів від декількох джерел;
одночасний запис і відтворення звукових сигналів (режим Full Duplex);
обробка звукових сигналів: редагування, об'єднання або поділ фрагментів сигналу, фільтрація, зміна його рівня;
обробка звукового сигналу відповідно до алгоритмів об'ємного (тривимірного - 3D-Sound) звучання;
генерування за допомогою синтезатора звучання музичних інструментів, а також людської мови та інших звуків;
управління роботою зовнішніх електронних музичних інструментів через спеціальний інтерфейс MIDI.
Малюнок 10 - Структура звукової системи ПК
Класична звукова система, як показано на рис. 5.1, містить:
модуль запису і відтворення звуку;
модуль синтезатора;
модуль інтерфейсів;
модуль мікшера;
акустичну систему.
Конструктивні виконання звукової системи ПК зазнають суттєвих змін; зустрічаються материнські плати з встановленим на них Chipset для обробки звуку.
Однак призначення і функції модулів сучасної звукової системи (незалежно від її конструктивного виконання) не змінюються. При розгляді функціональних модулів звукової карти прийнято користуватися термінами «звукова система ПК» або «звукова карта
Питання для самоконтролю:
Звукова система ПК;
Склад звукової системи ПК;
Принцип роботи і технічні характеристики звукових плат;
Напрямки вдосконалення звукової системи;
Принцип обробки звукової інформації;
Специфікація звукових систем.
Тема 6.2 Модуль інтерфейсів обробки звукової інформації
Студент повинен:
мати уявлення:
про звуковий системі ПК
знати:
склад звукової підсистеми ПК;
принцип роботи модуля запису і відтворення;
принцип роботи модуля синтезатора;
принцип роботи модуля інтерфейсів;
принцип роботи модуля мікшера;
організацію роботи акустичної системи.
Склад звукової підсистеми ПК. Модуль запису і відтворення. Модуля синтезатора. Модуль інтерфейсів. Модуль мікшера. Принцип роботи і технічні характеристики акустичних систем. Програмне забезпечення. Формати звукових файлів. Засоби розпізнавання мови.
Методичні вказівки
Модуль запису і відтворення звукової системи здійснює аналого-цифрове і цифроаналоговое перетворення в режимі програмної передачі звукових даних або передачі їх по каналах DMA (Direct Memory Access - канал прямого доступу до пам'яті).
Запис звуку - це збереження інформації про коливання звукового тиску в момент запису. В даний час для запису і передачі інформації про звук використовуються аналогові і цифрові сигнали. Іншими словами, звуковий сигнал може бути представлений в аналоговій або цифровій формі.
На вхід звукової карти ПК в більшості випадків звуковий сигнал подається в аналоговій формі. У зв'язку з тим що ПК оперує тільки цифровими сигналами, аналоговий сигнал повинен бути перетворений в цифровий. Разом з тим акустична система, встановлена \u200b\u200bна виході звукової карти ПК, сприймає тільки аналогові електричні сигнали, тому після обробки сигналу за допомогою ПК необхідно зворотне перетворення цифрового сигналу в аналоговий.
Аналого-цифрове перетворення є перетворення аналогового сигналу в цифровий і складається з наступних основних етапів: дискретизації, квантування і кодування.
^ Попередньо аналоговий звуковий сигнал надходить на аналоговий фільтр, який обмежує смугу частот сигналу.
Дискретизація сигналу полягає у вибірці відліків аналогового сигналу із заданою періодичністю і визначається частотою дискретизації. Причому частота дискретизації повинна бути не менше подвоєної частоти найвищої гармоніки (частотної складової) вихідного звукового сигналу.
Квантування по амплітуді є вимір миттєвих значень амплітуди дискретного за часом сигналу і перетворення його в дискретний за часом і амплітуді. На малюнку 11 показаний процес квантування по рівню аналогового сигналу, причому миттєві значення амплітуди кодуються 3-розрядними числами.
^
Малюнок 11 - Схема аналого-цифрового перетворення звукового сигналу
Кодування полягає в перетворенні в цифровий код квантованного сигналу. При цьому точність вимірювання при квантуванні залежить від кількості розрядів кодового слова.
^
Малюнок 12 - Дискретизація за часом і квантування за рівнем аналогового сигналу квантування амплітуди відліку.
Аналого-цифрове перетворення здійснюється спеціальним електронним пристроєм - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), в якому дискретні відліки сигналу перетворюються в послідовність чисел. Отриманий потік цифрових даних, тобто сигнал, включає як корисні, так і небажані високочастотні перешкоди, для фільтрації яких отримані цифрові дані пропускаються через цифровий фільтр.
Цифроаналоговое перетворення в загальному випадку відбувається в два етапи, як показано на малюнку 12. На першому етапі з потоку цифрових даних за допомогою цифроаналогового перетворювача (ЦАП) виділяють відліки сигналу, що випливають із частотою дискретизації. На другому етапі з дискретних відліків шляхом згладжування (інтерполяції) формується безперервний аналоговий сигнал за допомогою фільтра низької частоти, який пригнічує періодичні складові спектра дискретного сигналу.
Для зменшення обсягу цифрових даних, необхідних для подання звукового сигналу з заданою якістю, використовують компресію (стиск), яка полягає в зменшенні кількості відліків і рівнів квантування або числа біт, що припадають на один відлік.
^
Малюнок 13 - Схема цифроаналогового перетворення
Подібні методи кодування звукових даних з використанням спеціальних кодують пристроїв дозволяють скоротити обсяг потоку інформації майже до 20% початкового. Вибір методу кодування при запису аудіоінформації залежить від набору програм стиснення - кодеків (кодування-декодування), що поставляються разом з програмним забезпеченням звукової карти або входять до складу операційної системи.
Виконуючи функції аналого-цифрового і цифроаналогового перетворень сигналу, модуль запису і відтворення цифрового звуку містить АЦП, ЦАП і блок управління, які зазвичай інтегровані в одну мікросхему, також звану кодеком. Основними характеристиками цього модуля є: частота дискретизації; тип і розрядність АЦП і ЦАП; спосіб кодування звукової інформації; можливість роботи в режимі Full Duplex.
Частота дискретизації визначає максимальну частоту записуваного або відтворюваного сигналу. Для запису і відтворення людської мови досить 6 - 8 кГц; музики з невисокою якістю - 20 - 25 кГц; для забезпечення високоякісного звучання (аудиокомпакт-диска) частота дискретизації повинна бути не менше 44 кГц. Практично всі звукові карти підтримують запис і відтворення стереофонічного звукового сигналу з частотою дискретизації 44,1 або 48 кГц.
^ Розрядність АЦП і ЦАП визначає розрядність подання цифрового сигналу (8, 16 або 18 біт).
Full Duplex (повний дуплекс) - режим передачі даних по каналу, відповідно до якого звукова система може одночасно приймати (записувати) і передавати (відтворювати) звукові дані. Однак не всі звукові карти підтримують цей режим в повному обсязі, оскільки не забезпечують високу якість звуку при інтенсивному обміні даними. Такі карти можна використовувати для роботи з голосовими даними в Internet, наприклад, при проведенні телеконференцій, коли висока якість звуку не потрібно.
модуль синтезатора
Електромузичний цифровий синтезатор звукової системи дозволяє генерувати практично будь-які звуки, в тому числі і звучання реальних музичних інструментів. Принцип дії синтезатора ілюструє малюнку 14.
Синтезування являє собою процес відтворення структури музичного тону (ноти). Звуковий сигнал будь-якого музичного інструменту має кілька тимчасових фаз. На малюнку 15, а показані фази звукового сигналу, що виникає при натисканні клавіші рояля. Для кожного музичного інструменту вид сигналу буде своєрідним, але в ньому можна виділити три фази: атаку, підтримку і загасання. Сукупність цих фаз називається амплітудної облямовує, форма якої залежить від типу музичного інструменту. Тривалість атаки для різних музичних інструментів змінюється від одиниць до декількох десятків або навіть до сотень мілісекунд. У фазі, званої підтримкою, амплітуда сигналу майже не змінюється, а висота музичного тону формується під час підтримки. Останній фазі, загасання, відповідає ділянку досить швидкого зменшення амплітуди сигналу.
В сучасних синтезаторах звук створюється наступним чином. Цифровий пристрій, що використовує один з методів синтезу, генерує так званий сигнал збудження із заданою висотою звуку (ноту), який повинен мати спектральні характеристики, максимально близькі до характеристик імітованого музичного інструменту в фазі підтримки, як показано на малюнку 15, б. Далі сигнал збудження подається на фільтр, що імітує амплітудно-частотну характеристику реального музичного інструменту. На інший вхід фільтра подається сигнал амплітудної обвідної того ж інструменту. Далі сукупність сигналів обробляється з метою отримання спеціальних звукових ефектів, наприклад, відлуння (реверберація), хорового виконання (хо-рус). Далі виробляються цифроаналоговое перетворення і фільтрація сигналу за допомогою фільтра низьких частот (ФНЧ).
Малюнок 15 - Принцип дії сучасного синтезатора: а - фази звукового сигналу; 6 - схема синтезатора
Основні характеристики модуля синтезатора:
метод синтезу звуку;
обсяг пам'яті;
можливість апаратної обробки сигналу для створення звукових ефектів;
поліфонія - максимальне число одночасно відтворених елементів звуків.
Метод синтезу на основі частотної модуляції (Frequency Modulation Synthesis - FM-синтез) передбачає використання для генерації голоси музичного інструменту як мінімум двох генераторів сигналів складної форми. Генератор несучої частоти формує сигнал основного тону, частотно-модульований сигналом додаткових гармонік, обертонів, що визначають тембр звучання конкретного інструменту. Генератор обвідної управляє амплітудою результуючого сигналу. FM-генератор забезпечує прийнятну якість звуку, відрізняється невисокою вартістю, але не реалізує звукові ефекти. У зв'язку з цим звукові карти, що використовують цей метод, не рекомендуються відповідно до стандарту РС99.
Синтез звуку на основі таблиці хвиль (Wave Table Synthesis - WT-синтез) проводиться шляхом використання попередньо оцифрованих зразків звучання реальних музичних інструментів та інших звуків, що зберігаються в спеціальній ROM, виконаної у вигляді мікросхеми пам'яті або інтегрованої в мікросхему пам'яті WT-генератора. WT-синтезатор забезпечує генерацію звуку з високою якістю. Цей метод синтезу реалізований в сучасних звукових картах.
^ Обсяг пам'яті на звукових картах з WT-синтезатором може збільшуватися за рахунок установки додаткових елементів пам'яті (ROM) для зберігання банків з інструментами.
Звукові ефекти формуються за допомогою спеціального ефект процесора, який може бути або самостійним елементом (мікросхемою), або інтегруватися до складу WT-синтезатора. Для переважної більшості карт з WT-синтезом ефекти реверберації і хоруса стали стандартними. Синтез звуку на основі фізичного моделювання передбачає використання математичних моделей звукоутворення реальних музичних інструментів для генерації в цифровому вигляді і для подальшого перетворення в звуковий сигнал за допомогою ЦАП. Звукові карти, що використовують метод фізичного моделювання, поки не набули широкого поширення, оскільки для їх роботи потрібно потужний ПК.
модуль інтерфейсів забезпечує обмін даними між звуковою системою та іншими зовнішніми і внутрішніми пристроями.
Інтерфейс PCI забезпечує широку смугу пропускання (наприклад, версія 2.1 - понад 260 Мбіт / с), що дозволяє передавати потоки звукових даних паралельно. Використання шини PCI дозволяє підвищити якість звуку, забезпечивши відношення сигнал / шум понад 90 дБ. Крім того, шина PCI забезпечує можливість кооперативної обробки звукових даних, коли завдання обробки і передачі даних розподіляються між звуковою системою і CPU.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface - цифровий інтерфейс музичних інструментів) регламентується спеціальним стандартом, що містить специфікації на апаратний інтерфейс: типи каналів, кабелі, порти, за допомогою яких MIDI-пристрої підключаються один до іншого, а також опис порядку обміну даними - протоколу обміну інформацією між MIDI-пристроями. Зокрема, за допомогою MIDI-команд можна управляти світлотехнічної апаратурою, відеоустаткуванням в процесі виступу музичної групи на сцені. Пристрої з MIDI-інтерфейсом з'єднуються послідовно, утворюючи своєрідну MIDI-мережу, яка включає контролер - пристрій, що управляє, в якості якого може бути використаний як ПК, так і музичний клавішний синтезатор, а також ведені пристрої (приймачі), передають інформацію в контролер по його запитом. Сумарна довжина MIDI-ланцюжка не обмежена, але максимальна довжина кабелю між двома MIDI-пристроями не повинна перевищувати 15 метрів.
Підключення ПК в MIDI-мережу здійснюється за допомогою спеціального MIDI-адаптера, який має три MIDI-порту: введення, виведення і наскрізний передачі даних, а також два роз'єми для підключення джойстиків.
^ До складу звукової карти входить інтерфейс для підключення приводів CD-ROM
модуль мікшера
Модуль мікшера звукової карти виконує:
комутацію (підключення / відключення) джерел і приймачів звукових сигналів, а також регулювання їх рівня;
мікшування (змішування) декількох звукових сигналів і регулювання рівня результуючого сигналу.
число мікшіруемих сигналів на каналі відтворення;
регулювання рівня сигналу в кожному мікшіруемом каналі;
регулювання рівня сумарного сигналу;
вихідна потужність підсилювача;
наявність роз'ємів для підключення зовнішніх і внутрішніх
приймачів / джерел звукових сигналів.
Програмне управління мікшером здійснюється або засобами Windows, або за допомогою програми-мікшера, що поставляється в комплекті з програмним забезпеченням звукової карти.
Сумісність звукової системи з одним зі стандартів звукових карт означає, що звукова система буде забезпечувати якісне відтворення звукових сигналів. Проблеми сумісності особливо важливі для DOS-додатків. Кожне з них містить перелік звукових карт, на роботу з якими DOS-додаток орієнтоване.
Стандарт Sound Blaster підтримують програми у вигляді ігор для DOS, в яких звуковий супровід запрограмовано з орієнтацією на звукові карти сімейства Sound Blaster.
^ Стандарт Windows Sound System (WSS) фірми Microsoft включає звукову карту і пакет програм, орієнтований в основному на бізнес-додатки.
Акустична система (АС) безпосередньо перетворює звуковий електричний сигнал в акустичні коливання і є останньою ланкою звуковідтворювального тракту. До складу АС, як правило, входять кілька звукових колонок, кожна з яких може мати один або кілька динаміків. Кількість колонок в АС залежить від числа компонентів, що складають звуковий сигнал і утворюють окремі звукові канали.
Як правило, принцип дії і внутрішній пристрій звукових колонок побутового призначення і використовуваних в технічних засобах інформатизації в складі акустичної системи PC практично не розрізняються.
В основному АС для ПК складається з двох звукових колонок, які забезпечують відтворення стереофонічного сигналу. Зазвичай кожна колонка в АС для ПК має один динамік, проте в дорогих моделях використовуються два: для високих і низьких частот. При цьому сучасні моделі акустичних систем дозволяють відтворювати звук практично в усьому чутному частотному діапазоні завдяки застосуванню спеціальної конструкції корпусу колонок або гучномовців.
Для відтворення низьких і наднизьких частот з високою якістю в АС крім двох колонок використовується третій звуковий агрегат - сабвуфер (Subwoofer), що встановлюється під робочим столом. Така трикомпонентна АС для ПК складається з двох так званих сателітних колонок, відтворюють середні і високі частоти (приблизно від 150 Гц до 20 кГц), і сабвуфера, що відтворює частоти нижче 150 Гц.
Відмітна особливість АС для ПК - можливість наявності власного вбудованого підсилювача потужності. АС з вбудованим підсилювачем називається активною. Пасивна АС підсилювача не має.
Головна перевага активної АС полягає в можливості підключення до лінійного виходу звукової карти. Харчування активної АС здійснюється або від батарейок (акумуляторів), або від електричної мережі через спеціальний адаптер, виконаний у вигляді окремого зовнішнього блоку або модуля харчування, що встановлюється в корпус однієї з колонок.
Вихідна потужність акустичних систем для ПК може змінюватися в широкому діапазоні і залежить від технічних характеристик підсилювача і динаміків. Якщо система призначена для озвучування комп'ютерних ігор, Достатньо потужності 15 - 20 Вт на колонку для приміщення середніх розмірів. При необхідності забезпечення гарної чутності під час лекції або презентації у великій аудиторії можливо використовувати одну АС, що має потужність до 30 Вт на канал. Зі збільшенням потужності АС збільшуються її габаритні розміри і підвищується вартість.
^ Основні характеристики АС: смуга відтворюваних частот, чутливість, коефіцієнт гармонік, потужність.
Смуга відтворюваних частот (FrequencyResponse) - це амплітудно-частотна залежність звукового тиску, або залежність звукового тиску (сили звуку) від частоти змінної напруги, що підводиться до котушки динаміка. Смуга частот, що сприймаються вухом людини, знаходиться в діапазоні від 20 до 20 000 Гц. Колонки, як правило, мають діапазон, обмежений в області низьких частот 40 - 60 Гц. Вирішити проблему відтворення низьких частот дозволяє використання сабвуфера.
Чутливість звуковий колонки (Sensitivity) характеризується звуковим тиском, яке вона створює на відстані 1 м при подачі на її вхід електричного сигналу потужністю 1 Вт. Відповідно до вимог стандартів чутливість визначається як середнє звукове тиск в певній смузі частот.
Чим вище значення цієї характеристики, тим краще АС передає динамічний діапазон музичної програми. Різниця між самими «тихими» і самими «гучними» звуками сучасних фонограм 90 - 95 дБ і більше. АС з високою чутливістю досить добре відтворюють як тихі, так і гучні звуки.
Коефіцієнт гармонік (Total Harmonic Distortion - THD) оцінює нелінійні спотворення, пов'язані з появою в вихідному сигналі нових спектральних складових. Коефіцієнт гармонік нормується в декількох діапазонах частот. Наприклад, для високоякісних АС класу Hi-Fi цей коефіцієнт не повинен перевищувати: 1,5% в діапазоні частот 250 - 1000 Гц; 1,5% в діапазоні частот 1000 - 2000 Гц і 1,0% в діапазоні частоті 2000 - 6300 Гц. Чим менше значення коефіцієнта гармонік, тим якісніше АС.
Електрична потужність (Power Handling), яку витримує АС, є однією з основних характеристик. Однак немає прямого зв'язку між потужністю і якістю відтворення звуку. Максимальний звуковий тиск залежить скоріше, від чутливості, а потужність АС в основному визначає її надійність.
Часто на упаковці АС для ПК вказують значення пікової потужності акустичної системи, яка не завжди відображає реальну потужність системи, оскільки може перевищувати номінальну в 10 разів. Внаслідок суттєвої різниці фізичних процесів, що відбуваються при випробуваннях АС, значення електричних потужностей можуть відрізнятися в кілька разів. Для порівняння потужності різних АС необхідно знати, яку саме потужність вказує виробник продукції і якими методами випробувань вона визначена.
Деякі моделі колонок фірми Microsoft підключаються не до звукової карти, а до порту USB. У цьому випадку звук надходить на колонки в цифровому вигляді, а його декодування виробляють невеликий Chipset, встановлений в колонках.
Питання для самоконтролю:
Склад звукової підсистеми ПК;
Модуль запису і відтворення;
Модуля синтезатора;
Модуль інтерфейсів;
Модуль мікшера;
Принцип роботи і технічні характеристики акустичних систем. Програмне забезпечення;
Формати звукових файлів;
Засоби розпізнавання мови.
Практична робота 8. Звукова система ПК
Студент повинен:
мати уявлення:
про звуковий системі ПК
знати:
принципи обробки звукової інформації;
склад звукової підсистеми ПК;
основні характеристики звукових плат
вміти:
підключати і налаштовувати звукові підсистеми ПК;
проводити запис звукових файлів.
Розділ 7. Пристрої виведення інформації на друк
Тема 7.1 Принтер
Студент повинен:
мати уявлення:
про пристрої виведення інформації на друк
знати:
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк матричного принтера. Основні вузли і особливості експлуатації, технічні характеристики;
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк струменевого принтера Основні вузли і особливості експлуатації, технічні характеристики;
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк лазерного принтера Основні вузли і особливості експлуатації, технічні характеристики.
Загальні характеристики пристроїв виведення на друк. Класифікація друкуючих пристроїв. Принтери ударного типу: принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні сучасні моделі.
^ струменеві принтери: Принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні сучасні моделі.
Лазерні принтери: принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні сучасні моделі.
Методичні вказівки
Принтери - пристрої виведення даних з ЕОМ, що перетворюють інформаційні ASCII-коди у відповідні їм графічні символи і фіксують ці символи на папері.
Класифікацію принтерів можна виконати за цілою низкою характеристик:
способу формування символів (знакопечатающіе і знак про синтезують);
кольоровості (чорно-білі та кольорові);
способу формування рядків (послідовні і паралельні);
способу друку (посимвольного, построкові і посторінкові)
швидкості друку;
роздільної здатності.
При роботі в текстовому режимі принтер приймає від комп'ютера коди символів, які необхідно роздрукувати з знаки генератора самого принтера. Багато виробників обладнують свої принтери великою кількістю вбудованих шрифтів. Ці шрифти записані в ROM принтера і зчитуються тільки звідти.
Для друку текстової інформації існують режими друку, що забезпечують різну якість:
чорнова друк (Draft);
друкарська якість друку (NLQ - Near Letter Quality);
якість друку, близьке до типографського (LQ - Letter Quality);
високоякісний режим (SQL - Super Letter Quality).
За способом нанесення зображення на папір принтери поділяються на принтери ударної дії, струменеві, фотоелектронні і термічні.
