Устройство звуковой карты
(Лекция) Устройство звуковой карты
Назначение разъемов в рукописной лекции
Микшеры входа-выхода обычно физически представляют собой единое устройство, осуществляющее коммутацию, нормализацию и смешение сигналов. Нормализация необходима для приведения сигналов к одному уровню по амплитуде и устранения искажений перегрузки. Управление параметрами коммутации и микширования осуществляется программ ными средствами. Для этого в операционной системе Windows 9x имеет ся стандартная программа Регулятор громкости. Качественные звуковые карты обычно снабжаются собственной программой микширования.
Сигналы в микшер выхода могут поступать через усилитель звуковой карты (напри мер, на выходы Speaker Out) или минуя его. Усилитель в силу понятных ограничений обеспечивает выходную мощность не более 4 Вт на канал и не относится к классу качественных устройств. Поэтому предпочтительнее использовать внешние усилители.
Кодек (включает АЦП и ЦАП) выполняет одну из основных функций звуковой карты — оциф ровывает звук и превращает цифру в аналоговый сигнал. Все сигналы, проходящие через звуковой тракт, проходят обработку в кодеке. Но есть одно исключение — на выход Digital Out сигналы поступают, минуя ко дек. От качества кодека во многом зависит качество звуковой карты в це лом. Сейчас практически везде используют кодеки, в которых оцифровка (и восстановление) аналогового сигнала происходит методом адаптивной импульсно-кодовой дельта-сигма-модуляции. С целью сжатия информа ции в звуковом файле хранят особым образом обработанные разности ве личин соседних выборок, полученных при дискретизации сигнала.
Центром управления звуковой карты является цифровой сигнальный процессор (DSP), отвечающий за интерфейс с шиной PCI. Кроме того, DSP управляет обменом данных с другими блоками аудиокарты, приме няет к сигналу особые алгоритмы обработки для наложения звуковых эф фектов, имитации объемного звука, формирования сигнала Dolby Digital и т. д. Современный DSP должен поддерживать работу в режиме полного дуплекса, то есть уметь обрабатывать одновременно два потока данных: один — на запись, другой — на воспроизведение.
Сигнал, поступающий на выходы аудиокарты, может предваритель но обрабатываться аппаратным эквалайзером. Обычно его применяют в достаточно дорогих устройствах, большинство массовых звуковых карт аппаратного эквалайзера не имеют. В принципе, функции эквалайзера достаточно хорошо реализуются и программными способами.
Звуковая карта служит не только для обработки и преобразований внешних сигналов, но и должна сама генерировать аудиоданные по ко мандам, подаваемым программным обеспечением. В звуковых картах применяют два метода генерации аудиосигнала: FM-синтез и волновой табличный синтез.
Блок FM (Frequency Modulation — частотная модуляция) синтезатора имеет несколько каналов (голосов). Каждый канал содержит несколько ге нераторов синусоидального сигнала (операторов). Цепочка генераторов в канале управляется по параметрам частоты и амплитуды. Итоговый сиг нал представляет собой смесь синусоидальных сигналов. В качестве FM-синтезаторов чаще всего применяют микросхемы OPL2 или OPL3 фирмы Yamaha. Первая поддерживает два канала, a OPL3 — четыре канала.
Блок волнового табличного синтеза (Wave Table Synthesizer) работает на основе таблицы образцов звучания определенного набора музыкаль ных инструментов и других источников звука. Эти образцы хранятся в постоянном запоминающем устройстве (ROM) на звуковой карте или за гружаются программно из оперативной памяти. В некоторых звуковых картах используют смешанный метод, когда базовая таблица находится в ROM, а ее расширения поступают из оперативной памяти.
До перехода на интерфейс PCI аудиокарты с волновым табличным синтезатором часто имели собственное ОЗУ емкостью до 4 Мбайт. Сейчас такие конструкции не применяют, так как пропускной способности шины PCI вполне хватает для загрузки таблиц из основной оперативной памяти компьютера.
Извлеченные образцы звуков обрабатываются встроенным процес сором по частоте и амплитуде в соответствии с командами программных продуктов. В качественных картах волновой табличный синтез позволяет генерировать очень хороший звук.
Ранее во многих аудиокартах предусматривался специальный разъ ем для подключения внешних (добавочных, «дочерних») карт волнового табличного синтеза. Сейчас такой разъем можно встретить на звуковых картах профессионального уровня, а массовые изделия имеют встроен ный синтезатор.
Немалую роль в обеспечении качественного звука играют аналоговые цепи аудиокарты. В первую очередь это относится к фильтрам, отсека ющим лишние (обычно высокочастотные) гармоники на входе и выходе устройства. Кроме того, промежуточные фильтры могут стоять перед ко деком и усилителем. Для массовых устройств достаточно фильтров 4-го порядка, фильтры 8-го порядка применяют в дорогих изделиях. К сожа лению, аналоговая часть очень многих звуковых карт выполнена небреж но. Хочется назвать фирму, которая серьезно подходит к этому вопро су, — Voyetra Turtle Beach. Редко кто из других производителей уделяет такое серьезное внимание аналоговой части.
Устройство интегрированных звуковых схем и схем с интерфейсами AMR и CNR. Несколько по-другому, в отличие от рассмотренной выше блок-схе мы, выглядит конструкция звуковых устройств, предназначенных для установки в слот AMR или встроенных в системную плату. Так как основ ная часть нагрузки переложена на центральный процессор, такие платы обычно называют аудиокодеками. Действительно, они содержат только кодек, микшер и интерфейс для взаимодействия с шинами. Для приме ра покажем принципиальное устройство аудиокодека CS4299. Еще более простую конструкцию имеют устройства с интерфейсом CNR. Как прави ло, у них отсутствуют и кодек, и микшер — все функции переложены на чипсет системной платы и процессор.
Параметры современной звуковой платы. Итак, звуковую карту сегодня можно считать достаточно современной, если она имеет 16-битный стереофонический цифро-аналоговый и ана лого-цифровой преобразователи, обеспечивает запись и воспроизведе ние стереозвука с качеством лазерного диска (частота преобразования 44 100 Гц). Обязательны поддержка полного «дуплекса» (возможность одновременной записи и воспроизведения звука) и наличие синтезатора, основанного на технологии Wave Table (волнового табличного) синтеза. В связи с распространением игр под операционную систему Windows, под держивающих прикладную библиотеку Direct Sound фирмы Microsoft, появилась необходимость обрабатывать звук не программно, а аппаратно, иначе становится заметно «торможение» звукового сопровождения. Дело в том, что множество звучащих одновременно потоков смешиваются и об рабатываются одновременно. Технология Direct Sound способна перело жить эту работу на плечи звукового ускорителя. Таким образом, сегодня наряду с давно известным понятием «видеоускоритель» появилось срав нительно новое — «аудиоускоритель» или «процессор звука».
Если обрабатываются 16 потоков стереозвука (каждый такой поток называют голосом), объем «прокачиваемых» данных приближается к 3 Мбайт в секунду. При этом 16 потоков — далеко не предел. При синтезе звука на 32 канала с интерполяцией значений по четырем точкам про пускная способность шины должна быть не менее 16 Мбайт в секунду. Поэтому окончательная миграция аудиокарт на шину PCI стала процес сом закономерным и неизбежным.
Аппаратные средства обработки звука
При выборе производителя звуковой платы с определенным набором микросхем, следует обратить внимание на качество драйвера, совместимость с имеющимся программным обеспечением (прежде всего — с операционной системой) и сложившимися стандартами (к ним относится, в частности, поддержка спецификаций Sound Blaster, Direct Sound, Dolby Digital). Для каче ственной обработки звука существуют профессиональные компоненты с впечатляющей ценой (300-1500 уе).
Кодек АС'97
В 1997г. консорциум компьютерных фирм во главе с компанией Intel утвердил спецификацию на средства обработки звука в компьютерной системе. Этот отраслевой стандарт получил обозначение Audio Codec Component Specification 1997 (АС'97). С тех пор в дискуссиях вокруг этой спецификации сломано немало перьев. Одни авторы критикуют АС'97. Их оппоненты справедливо указывают, что спецификация здесь ни при чем, а плохие решения появляются стараниями производителей, которые устанавливают в звуковой тракт деше вые компоненты.
Пользователи, не относящиеся к числу меломанов, по привычке по купают и устанавливают отдельные звуковые карты бюджетного класса (ценой 15-25$). Такое решение обычно основано на традиционном представлении, что звуковая карта всегда обеспечит лучшее качество звучания, чем интегрированная в системную плату микросхема АС'97. Это утверждение можно считать неверным. Современные аппаратные решения стандарта АС'97 ни в чем не уступают чипам, уста новленным в звуковых картах бюджетной категории, а многие модели превосходят их как по качеству звучания, так и по функциональности.
Спецификацией АС'97 предусмотрено разделение звуковоспроизводя щего устройства на две части: цифровой контроллер (Digital Controller) и собственно кодировщик-декодировщик (кодек), занимающийся преобра зованием звукового сигнала из цифровой формы в аналоговую и обратно (Audio Codec). Соединены они синхронной шиной AC-link, стандартно ра ботающей на частоте 48 кГц при разрядности 16 бит (возможно расшире ние формата передачи данных до 20 бит при частоте до 96 кГц). Цифровой контроллер занимается обработкой, а кодек — оцифровкой, воспроиз ведением, а также цифровым и аналоговым микшированием различных источников звукового сигнала. Чем выше разрядность кодека, тем более точно он может выполнять преобразования звука. Встречаются кодеки с разрядностью 16. 18 или 20 бит.
Встроенные в системную плату устройства обработки звука по большей части в качестве цифрового контроллера используют ресурсы централь ного процессора, то есть обработка звука происходит программно-аппаратным методом, где роль программы исполняют драйверы. Очевидно, что сложные эффекты объемного звука требуют достаточной мощности цен трального процессора. При недостатке ресурсов возможно пропадание, искажение звука или отставание звукового сопровождения от видеоряда.
Спецификация АС'97 версии 2.3 позволяет реализовать различные варианты компоновки — с одним стереовыходом, с двумя выходами (на фронтальные и на тыловые колонки) или с выводом на шесть каналов (для вывода декодированного потока Dolby Digital 5.1 и подачи сигнала на ком плект акустики по аналоговым входам).
Сильным стимулом для развития звуковых возможностей системных плат стало появление чипсетов фирмы nVIDIA со встроенным в южный мост процессором обработки звука (Multimedia Processor Unit). Такой процессор обеспечивает поддержку шестиканального звука в формате Dolby Digital 5.1. цифровой выход Sony-Philips Digital Interface (SPDIF) на внешние декодеры. Такие параметры прежде были характерны толь ко для звуковых карт «меломанского» уровня, например Sound Blaster Live! 5.1.
Кодеки весьма сильно различаются по своим функциональным возможностям и качеству обработки звука. Изготовители системных плат могут использовать как весьма качественные кодеки фирмы Wolf son, так и продукцию среднего уровня компаний CMedia, SigmaTel, Analog Devices, Crystal (Cirrus Logic), Avance Logic (Realtek), VIA, Intel.
Кодеки High Definition Audio.
Спецификация High Definition Audio (HD Audio) является преемником и эволюционным продолжением спецификации АС'97. Новые кодеки име ют тот же форм-фактор и совместимы с HD Audio контроллерами снизу вверх.
Таблица. Сравнение спецификаций
Спецификация HD Audio поддерживает API Microsoft Universal Audio Architecture (UAA). Совместимость с UAA подразумевает автоматическую установку в звуковом устройстве единого универсального драйвера от Microsoft, находящегося в операционной системе, корректно поддержи вающего все базовые функции устройства и обеспечивающего воспроиз ведение звука без заиканий. Совместно с компанией Dolby корпорация Intel разработала программу лицензирования и выдачи сертификатов компьютерам с High Definition Audio звуком:
Dolby Sound Room (поддержка формата 5.1 для одного слушателя. Dolby Digital. Dolby Headphone, Dolby Virtual Speaker, Dolby Pro Logic II);
Dolby Home Theater (поддержка формата 5.1 для нескольких слу шателей, Dolby Digital. Dolby Headphone, Dolby Virtual Speaker.
Dolby Pro Logic II. а также создания DVD с Dolby Digital с помощью Dolby Digital Stereo Creator);
Dolby Master Studio (поддержка формата 7.1 для нескольких слу шателей, Dolby Digital, Dolby Digital Live, Dolby Headphone, Dolby Virtual Speaker. Dolby Pro Logic Их, а также создания DVD с полно ценным Dolby Digital).
Особенностью стандарта HD Audio является функция Jack Retasking — перенастройка функциональности аудиоразъема в зависи мости от типа подключенного к нему устройства. Нынешняя версия спе цификации АС'97 (v2.3) определяет Jack Sensing — распознавание типа подключенного к разъему устройства (за счет принципиально разного импеданса у микрофонов, наушников и активных колонок). За счет новой модульной схемы кодеков компьютер начнет принимать (с предусилением) сигнал от микрофона и выводить звук на наушники вне зависимости от того, в разъем какого цвета и названия был воткнут их штекер.
Реализация качественного звука
Звуковые карты высокого качества отличаются от «обычных» следующим — наличием цифрового контроллера (звуковым процессором), качественным кодеком, проду манной и согласованной с другими компонентами аналоговым трактом.
Назначение звукового процессора — обеспечение интерфейса с шиной PCI (PCI-E), цифровые преобразо вания, частотный (FM) синтез, позиционирование звука в пространстве, поддержка интерфейса SPDIF и прочее, включая связь с кодеком по циф ровой шине AC-link на стандартизованной частоте 48 кГц. В отношении аналогового сигнала, поставляемого кодеком, задача звукового процессо ра предельно проста — не испортить «цифрой» качество аналогового ис ходного сигнала.
Кодек обеспечивает под держку звука в формате 24 бит 96 кГц. Конвертеры с поддержкой 24/96 и записывают и звучат ощутимо лучше абсолютно во всех режимах, в том числе в «старых» форматах 16 бит 44 кГц (игры, CD-Audio, МРЗ) к 16 бит 48 кГц (МРЕС4, DVD). Даже недорогие кодеки с поддержкой 24/96 по характеристикам лучше «старых» именно в режиме 16/44. Это связано с особенностью работы преобразователей с повышенной точностью пред ставления данных.
К сожалению не всегда обеспечивается точность формата хранения цифровых данных и ка чество преобразования этих самых данных в электрический, а впослед ствии и в акустический сигналы. Большинство драйверов к современным звуковым картам позволяют вос производить звук в режиме 24/96, что вовсе не означает аппаратную под держку.
Минус формата 24/96 — заметно возросшие требова ния к производительности компьютера. Ведь объем данных увеличивает ся в два раза по разрядности и в два раза по частоте. Также возрастают требования к объему оперативной памяти. Если для комфортной работы в режиме 16/44 необходим процессор класса Pentium III с частотой 1ГГц и 256 Мбайт памяти, то для нового формата уже не обойтись без процессо ров четвертого поколения с частотами выше 2 ГГц и 512 Мбайт оператив ной памяти. Конечно же, речь идет об одновременной работе с несколь кими звуковыми дорожками при одновременном наложении эффектов в реальном времени. Вместе с тем, такая ситуация нередка в играх послед него поколения и при воспроизведении DVD-Audio.
Основные характеристики звуковых карт высокого качества:
диапазон воспроизводимых частот 20-22 000 Гц;
отношение сигнал/шум 116 дБ, динамический диапазон 117 дБ;
коэффициент нелинейных искажений не более 0,002%.
в качестве преобразователей используются стереофонические ЦАП и АЦП высшего класса (Crystal CS4396 и АКМ АК5394 соот ветственно).
Акустические системы
Выбор акустики играет не меньшую роль, чем выбор собственно звуковой карты. Согласно законам физики, при нор мальном атмосферном давлении для хорошего воспроизведения звука частотой хотя бы 31,5 Гц акустика должна иметь объем около 270 литров (то есть колонка будет иметь размеры среднего холодильника). Такие акустические системы существуют, их часто используют в качестве кон трольных мониторов в студиях звукозаписи. Но даже самые элитные сту дии не претендуют на такое воспроизведение звука с частотой 20 Гц поскольку необходимое акустическое оформление выходит за разумные пределы.
Акустические системы для компьютера принято считать мультимедийными - не высокого класса, т.к. качественный звук можно получить только от качественного усилителя (ресивера). Естественно, что никакой встроенный в звуковую карту или в акустику усилитель не может сравниваться по характеристикам со стационар ным аппаратом. Поэтому спектр применения мультимедийной активной акустики ограничивается озвучиванием игр, прослушиванием музыки, звукового сопровождения фильмов с бытовым качеством. При желании получить лучшее качество можно посоветовать подключение звуковой карты оптическим или коаксиальным кабелем «по цифре» к внешнему усилителю (ресиверу) и вывод звука на достойный акустический комплект колонок.
Мультимедийную компью терную акустику можно разделить на три группы: для воспроизведения компьютерных звуков, для качественного озвучивания игр и музыки, для звукового сопровождения фильмов MPEG-2 или MPEG-4.
Первая группа систем представлена пластиковыми устройствами це ной до 30$ за комплект. Задача таких устройств — пока зать, что на компьютере звук в принципе есть.
Более серьезные задачи способны решать стереофонические (или 2.1) комплекты в деревянном акустическом оформлении. Для мультимедийной акустики комплект 2.1 (стереопара и сабвуфер) во обще является идеальным вариантом, учитывая внедрение технологий виртуального звукового окружения.
Ключевые характеристики акустических систем.
Основными из них можно считать мощность, амплитудно-частот ную характеристику и акустическое оформление. Значение АЧХ мы рас сматривали ранее применительно к звуковым картам и потому возвра щаться к этому параметру не будем.
Мощность. Многие пользователи напрямую связывают мощность акустики с громкостью. Однако это распространенное мнение ошибочно. Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или, тем более, качественнее той, у которой указана мощность в 50 Вт. Значение мощности характеризует не громкость, а скорее механическую надежность акустики. Динамические головки сами по себе имеют низкий коэффициент полезного действия и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала. Величина мощности, которую указыва ет производитель в паспорте, говорит о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя.
Номинальные значения мощности динамических головок, усилитель ного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они для ориентировки и оптимального сопряжения компонентов. К примеру, усилитель большой мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости «благодаря» высокому уровню искажений.
Мощность измеряют различными способами и в различных тесто вых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Наиболее часто употребляют в характеристиках изделий западных фирм методики RMS (Root Mean Squared — среднеквадратичное значение) и PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность).
Мощность RMS измеряется подачей синусоидального сигнала часто той 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искаже ний. Например, в паспорте на изделие записано: 15 Вт (RMS). Это говорит о том, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики характерно завы шение значений RMS вследствие сознательного измерения при очень вы соких гармонических искажениях, иногда до 10%. При таком уровне иска жений слушать звуковое сопровождение практически невозможно.
Мощность РМРО измеряется подачей кратковременного синусои дального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных иска жений. К примеру, мощность колонки равна 500 Вт (РМРО). Этот факт говорит о том, что акустическая система после воспроизведения кратко временного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. Мощность РМРО российские пользователи часто называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины при такой ме тодике измерения нередко превышают тысячу ватт. Например, мульти медийные колонки потребляют из сети переменного тока электрическую мощность всего 10 ВА, но развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (РМРО).
Российские стандарты на различные виды мощности регламентируют ся ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Они определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощно сти. Некоторые из них указываются в паспортах на отечественные изде лия.
На практике наиболее важным является значение мощности, указан ной в ваттах (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), рав ного 1% и менее. Но сравнение изделий только по этому показателю при близительно и может иметь мало общего с реальностью.
Конструкция акустической системы. Одним из самых важных факторов, влияющих на звучание акустиче ской системы, является акустическое оформление, то есть архитектура и конструкция акустической системы. Только принципиальных схем аку стического оформления насчитывается более десятка. Принципиально различают акустически разгруженное и акустически нагруженное аку стическое оформление. Первое подразумевает конструкцию, в кото рой колебания диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. Акустически нагруженное оформление ограничивает колебания диффу зора помимо жесткости подвеса еще и упругостью воздуха, и акустиче ским сопротивлением излучению.
Также различают акустическое оформление систем одинарного и двой ного действия. Система одинарного действия характеризуется возбуж дением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.
Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические го ловки акустическое оформление колонки влияет слабо, обратим внима ние на акустическое оформление низкочастотного канала (сабвуфера).
Самой популярной стала акустическая схема, которая получила на звание «закрытый ящик», принадлежащая к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства — хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки — низкий коэффициент полезного действия, высокий уровень гармонических иска жений.
Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой динамик, выведенный на фронтальную панель корпуса, и трубу фазоинвертора, вмонтированную в корпус, выходящую одним концом также на переднюю панель. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, чтобы на опреде ленной частоте в нем создавалась звуковая волна, синфазная с колебани ями, вызванными фронтальной стороной диффузора.
Также широко применяют акустическую схему под названием «за крытый ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффу зор динамика расположен внутри корпуса на перегородке. Сам динамик служит лишь «запалом» при формировании спектра низких частот. Его диффузор возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые по том многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора. выполняющего роль резонансной камеры. Достоинством конструктивных решений с фазоинвертором является высокий коэффициент полезного действия при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик.
Таким образом, для универсального применения (игры, музыка) опти мальным выбором будет комплект 2.1 с колонками среднего размера, в де ревянном корпусе, с сабвуфером, выполненным по закрытой схеме, или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обращать внимание не на его громкость, а на достоверное воспроизведение низких частот.
PAGE 1
Устройство звуковой карты