Аудио

АУДИО

 

Любой мультимедиа–ПК имеет в своем  составе плату–аудиоадаптер. Для чего она нужна? С легкой руки фирмы Creative Labs  (Сингапур), назвавшей свои первые аудиоадаптеры звонким словом Sound Blaster, эти устройства часто именуются “саундбластерами”. Аудиоадаптер дал компьютеру не только стереофоническое звучание, но и возможность записи на внешние носители звуковых сигналов. Как уже было сказано ранее, дисковые накопители ПК совсем не подходят для записи обычных (аналоговых) звуковых сигналов, так как рассчитаны для записи только цифровых сигналов, которые практически не искажаются при их передаче по линиям связи.

Аудиоадаптер имеет аналого–цифровой преобразователь (АЦП), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой сигнал.

Цифровые выборки реального  звукового сигнала хранятся в  памяти компьютера (например, в виде WAV–файлов). Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифро–аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами аудиоадаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность квантования.

Частоты квантования показывают, сколько  раз в секунду берутся выборки  сигнала для преобразования в  цифровой код. Обычно они лежат в  пределах от 4–5 КГц до 45–48 КГц.

Разрядность квантования характеризует  число ступеней квантования и  изменяется степенью числа 2. Так, 8–разрядные аудиоадаптеры имеют 2⁸=256 степеней, что явно недостаточно для высококачественного кодирования звуковых сигналов. Поэтому сейчас применяются в основном 16-разрядные аудиоадаптеры, имеющие 2¹⁶ =65536 ступеней квантования — как у звукового компакт–диска.

 

 

 

 

 

Таблица 1.

 

Частотный диапазон	Вид сигнала	Частота квантования
400 – 3500 Гц	Речь (едва разборчива)	5.5       КГц
250 – 5500 Гц	Речь (среднее качество)	11.025 КГц
40 – 10000 Гц	Качество звучания               УКВ–приемника	22.040 КГц
20 – 20000 Гц	Звук высокого качества	44.100 КГц

 

Другой способ воспроизведения  звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой  управляющей информации по ней формируется  соответствующий выходной сигнал. Современные  аудиоадаптеры синтезируют музыкальные звуки двумя способами: методом частотной модуляции FM (Frequency Modulation) и с помощью волнового синтеза (выбирая звуки из таблицы звуков, Wave Table). Второй способ обеспечивает более натуральное звучание.

Частотный синтез (FM) появился в 1974 году (PC–Speaker). В 1985 году появился AdLib, который, используя частотную модуляцию, был способен играть музыку. Новая звуковая карта SoundBlaster уже могла записывать и воспроизводить звук. Стандартный FM–синтез имеет средние звуковые характеристики, поэтому на картах устанавливаются сложные системы фильтров против возможных звуковых помех.

Суть технологии WT–синтеза состоит в следующем. На самой звуковой карте устанавливается модуль ПЗУ с “зашитыми” в него образцами звучания настоящих музыкальных инструментов — сэмплами, а WT–процессор с помощью специальных алгоритмов даже по одному тону инструмента воспроизводит все его остальные звуки. Кроме   того многие производители оснащают свои звуковые карты модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записывать произвольные сэмплы, но и подгружать новые инструменты.

Кстати, управляющие команды для  синтеза звука могут поступать  на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI (Musical Instruments Digital Interface) устройства. Собственно MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDI–сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе. В свою очередь компьютер может через MIDI управлять различными “интеллектуальными” музыкальными инструментами с соответствующим интерфейсом.

Для электронных синтезаторов обычно указывается число одновременно звучащих инструментов и их общее  число (от 20 до 32). Также важна и  программная совместимость аудиоадаптера с типовыми звуковыми платформами (SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravis Ultrasound и др.).

В качестве примера рассмотрим состав узлов одного из мощных аудиоадаптеров — SoundBlaster AWE 32 Value. Он содержит два микрофонных малошумящих усилителя с автоматической регулировкой усиления для сигналов, поступающих от микрофона, два линейных усилителя для сигналов, поступающих с линии, с проигрывателя звуковых дисков или музыкального синтезатора. Кроме того, сюда входят программно–управляемый электронный микшер, обеспечивающий смешение сигналов от различных источников и регулировку их уровня и стереобаланса, 20-голосый синтезатор музыкальных звуков частотной модуляции FM, программно управляемый волновой (табличный) синтезатор музыкальных звуков и звуковых эффектов (16 каналов, 32 голоса, 128 инструментов), аналого–цифровой 16-разрядный преобразователь для превращения аналогового сигнала с выхода микшера в цифровой сигнал, систему сжатия цифровой информации с возможностью применения расширенного звукового процессора ASP. Наконец, аудиоадаптер имеет цифро–аналоговый преобразователь (ЦАП) для превращения цифровых сигналов, несущих информацию о звуке, в аналоговый сигнал, адаптивный электронный фильтр на выходе ЦАП, снижающий помехи от квантования сигнала, двухканальный усилитель мощности по 4 Вт на канал с ручным и программно–управляемым регулятором громкости и MIDI–разъем для подключения музыкальных инструментов.

Как видно из этого перечня, аудиоадаптер — достаточно сложное техническое устройство, построенное на основе использования последних достижений в аналоговой и цифровой аудиотехнике.

В новейшие звуковые карты входит цифровой  сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor) или расширенный сигнальный процессор ASP (Advanced Signal Processor). Они используют совершенные алгоритмы для цифровой компрессии и декомпрессии звуковых сигналов, для расширения базы стереозвука, создания эха и обеспечения объемного (квадрофонического)  звучания. Программа поддержки ASP QSound поставляется бесплатно фирмой Intel на CD-ROM “Software Developer CD”. Важно отметить, что процессор ASP используется при обычных двухканальных стереофонических записи и воспроизведении звука. Его применение не загружает акустические тракты мультимедиа компьютеров.

 

НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ

 

Важной проблемой медиа является обеспечение адекватных средств доставки, распространения медиа–информации. Носители должны вмещать огромные объемы разнородной информации, позволять быстрый доступ к отдельным ее компонентам, качественное их воспроизведение, и при этом быть достаточно дешевым, компактным и надежным. Эта проблема получила достойное решение лишь с появлением оптических дисков различных типов. В первых системах мультимедиа были использованы  аналоговые диски — их обычно называют “видеодисками”. Диаметр этих дисков 12 или 8 дюймов. Известны 12–дюймовые диски стандарта LV (Laser Vision), поддерживаемого Sony, Philips и Pioneer.

Информация записывается на лазерный диск по спирали, каждый виток этой спирали называется дорожкой. Существуют 2 способа записи информации на лазерные диски — CAV (Constant Angular Velocity, с постоянной  угловой скоростью) и CLV (Constant Linear Velocity, с постоянной линейной скоростью). При записи CLV диски вмещают по 1 часу видео на каждой из сторон (диски CLV называют также “долгоиграющими”), однако их интерактивные возможности ограничены, поэтому они в системах мультимедиа используются редко, чаще применяются при записи фильмов.

Диск CAV вмещает на каждой дорожке один видеокадр (точнее, два полукадра, содержащие четные и нечетные строки кадра — телевизор работает в интерлейсном режиме, попеременно высвечивая четные и нечетные строки каждого кадра). Диск вращается с постоянной скоростью        30 об / с, обеспечивая необходимые для NTSC 30 кадров / с. Каждая из сторон диска имеет 54000 дорожек, т.е. вмещает 30 минут видео NTSC (диски для PAL — 37 минут). Каждый кадр имеет свой номер, или адрес, по номеру возможен прямой доступ к любому кадру. Кадры могут трактоваться как неподвижные изображения — для этого после завершения считывания дорожки устройство не переходит на следующую, а вновь считывает ту же самую); возможно также проигрывание с разными скоростями и в обратном направлении. Вместе с изображением записываются две звуковые дорожки, доступные, впрочем, только при просмотре кадров в режиме видео. Информацию на диске можно разбить на “части” — до 80 частей на каждой из сторон. Управляющая информация — номера кадров, номера частей — помещается в “бланковых” (невидимых) частях кадров.

Промежуточный, “аналого–цифровой” формат лазерных дисков — LVROM, или AIV (Advanced Interactive Video, улучшенное интерактивное видео) — позволяет сочетать на одном диске аналоговое видео с цифровым звуком и данными.

Наконец, существуют разные типы чисто  цифровых дисков: CD–ROM, WORM, стираемые. CD–ROM, как и цифровые аудио–компакт–диски CD–DA (Compact Disc — Digital Audio) имеют диаметр 5.25 дюйма; они вмещают 500–600 Мбайт информации и являются сейчас наиболее массовым цифровым средством доставки мультимедиа–информации.

 

Таблица 2.

 

Формат	Описание
CD–Audio	Старейший формат компакт–дисков. Почти все дисководы CD–ROM могут проигрывать звуковые компакт–диски.
CD–Interactive	Собственный формат Philips для “интерактивных”, в основном, игровых компакт–дисков для домашних проигрывателей.
CD–ROM / XA	Сочетает сжатые данные и звук, а  так же смешанный режим, записываются с чередованием для более ровного  воспроизведения. Лучший формат для  мультимедиа.
Mixed mode	Комбинация звука в формате  Red Book и данных CD–ROM. Первая дорожка должна содержать данные, за ней могут следовать дорожки CD–Audio.
CD–Plus	Сходен с режимом Mixed mode, отличие — предотвращение обращения звукового проигрывателя к дорожкам с данными во избежание повреждения динамиков.
ISO–9660	Стандартный формат и структура каталогов  для CD–ROM.
HFS (Hierarhical File Structure)	Формат данных, разработанный для  Macintosh.
Hybrid discs	Содержит системы HFS и ISO.
Photo CD	Разработан фирмой Kodak для записи фотографий высокого качества. Для воспроизведения необходимо устройство CD–ROM / XA или CD–Interactive.
Video CD	Видеоинформация в формате MPEG–1 и звук. Стандарт предназначен для воспроизведения фильмов.

 

CD–ROM диск — кружок из прозрачной пластмассы, поликарбоната, на одной из поверхностей которого нанесен тонкий светоотражающий слой. Этот серебристый слой хорошо виден с тыльной стороны прозрачного диска. В нем имеются микроскопические углубления — питы, созданные в процессе его копирования с оригинала.

Типичная длина пита 0.8 – 3.2 мкм, ширина 0.4 мкм, глубина 0.12 мкм, а расстояние между отдельными дорожками 1.6 мкм. На одном дюйме (2.54 см) поверхности  диска размещается 16 тыс. дорожек (для  сравнения — на одном дюйме  магнитного диска помещается только 96 дорожек). Благодаря столь малым  размерам питов обычный CD–ROM вмещает огромный объем информации — порядка 700 Мбайт. Новые типы дисков имеют на порядок больший объем и допускают запись информации пользователем.

Рабочей является только одна поверхность  диска CD–ROM. Она защищена толстым слоем лака, на который обычно наносится красочная этикетка. В проигрывателе диск обращен этой стороной наружу. Противоположная (тыльная) сторона используется для считывания лазерным лучом. Луч проходит сквозь нее, так как основа диска — прозрачная пластмасса. Толщина диска 1.2 мм, внешний диаметр 120 мм, диаметр внутреннего отверстия 15 мм.

В проигрывателе имеется электродвигатель со следящей систе, мой, обеспечивающей точное считывание дорожки лазерным лучом и неизменную линейную скорость считывания. Поэтому скорость вращения диска непостоянна и изменяется от 500 об. / мин. для внутренней части диска, с которой начинается считывание, до 200 об. / мин. для внешней. Специальный оптико–электронный блок имеет устройства для стабилизации излучения лазера, автоматической фокусировки, слежения за дорожкой при биении диска и выбора треков диска для считывания.

Для считывания информации с CD–ROM используется полупроводниковый диод с фокусирующей и следящей оптической системой. Внутренняя поверхность диска, на которую кладут диск на подставку (в кассету) дисковода, находится не в фокусе оптической системы лазерного излучателя. Диаметр светового пятна от лазера, создающего сходящийся конус света, порядка 1 мм. Поэтому умеренные загрязнения нерабочей поверхности, например, пылинки на ней, отпечатки пальцев и даже небольшие царапины практически не влияют на воспроизведение. В отличие от привычных жестких магнитных дисков, диски CD–ROM можно заменять в считанные секунды. А ведь один диск CD–ROM по емкости равен примерно 500–м обычным гибким дискам формата 3.5“ на 1.44 Мбайт. Экономия на дискетах является немаловажным достоинством мультимедиа.

Проигрыватели компьютерных компакт–дисков, обычно называемые CD–ROM–драйвами, бывают двух типов: внешние (со своим корпусом) и внутренние — встраиваемые в системный блок компьютера. Последние напоминают накопители на гибких магнитных 5.25–дюймовых дискетах и имеют одинаковые с ним размеры.

На передней панели дисковода CD–ROM обычно имеется кнопка Eject для выброса или плавного выдвижения поддона, индикатор Busy (занято), гнездо для подключения стереотелефонов и регулятор громкости, используемый при проигрывании звуковых дисков.