Принципы работы и характеристики современных плат обработки звука

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

Санкт-Петербургский  государственный  университет технологии и дизайна

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ИНСТИТУТ ПЕЧАТИ

Факультет: Полиграфических технологий и оборудования

Специальность: Автоматизированные системы обработки информации и управления

Форма обучения: очная

Кафедра: Информационных и управляющих систем

КУРСОВАЯ  РАБОТА

Дисциплина: Организация систем и ЭВМ

Тема: Принципы работы и характеристики современных плат обработки звука.

Выполнил:

Студент группы и3 __________                    ______________________                   

     (подпись)                                     (Ф.И.О.)

Руководитель:

________________           __________                  _______________________

   (уч.степень, звание)                (подпись)                                             (Ф.И.О.)

Дата  защиты работы: ____________

Оценка: _________________________

Санкт-Петербург

2011

Оглавление 

Введение 3

Основная часть 4

Глава 1.0. История развития звуковых плат 4

Глава 2.0. Принципы работы звуковых плат 9

2.1 Принцип работы ЦАП 14

2.2 Принцип работы АЦП 17

2.3 Принцип работы микшера 20

2.4 Принцип работы сигнального процессора 22

2.5 Архитектура «Audio ring» и сигнальный процессор DSP «Quartet» 23

2.6 Виды встроенных синтезаторов и принципы их работы 26

Глава 3.0 Характеристики звуковых плат 30

3.1 Отношение сигнал/шум 30

3.2 Суммарный коэфициент гармоник 31

3.3 Максимальная частота сэмплирования 32

Глава 4.0 Интерфейсы прикладного программирования и технологии аудиопозиционирования 33

4.1 Direct Sound 3D и OpenAL 33

4.2 EAX и A3D 35

Заключение 38

Список использованной литературы 40 
 
 
 
 

Введение

       С помощью слуха человек воспринимает значимую часть поступаемой к  нему информации об окружающем мире. Поэтому, уже начиная с самых первых компьютеров семейства IBM PC, в них было встроено звуковое устройство, которое, конечно, нельзя назвать звуковой платой, но, тем не менее, аналогичные устройства встраиваются во все стационарные персональные компьютеры. Появление компьютерных игр дало толчок к появлению такой части аппаратного обеспечения как звуковые платы, а появление программного обеспечения для создания и редактирования аудио к быстрому её развитию.

       Звуковая  плата – дополнительный элемент  компьютера, позволяющий обрабатывать, воспроизводить или записывать звук. На сегодняшний день все звуковые карты можно разделить условно на устройства для обычного пользователя, полупрофессиональные и профессиональные. Несмотря на значимую разницу в цене, все эти устройства имеют общие элементы и принципы работы, которые и будут рассмотрены в данной исследовательской работе на примере звуковой платы Creative Sound Blaster X-Fi.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Основная  часть

Глава 1.0. История развития звуковых плат

     Как уже было сказано выше, на первых компьютерах, которые проектировались  не как мультимедийное устройство, роль воспроизведения звука брал на себя простой встроенный динамик, сообщавший о неисправностях. С появлением первых компьютерных игр этот динамик  использовался для примитивного звукового сопровождения. По ходу развития компьютерных игр прочие параметры, такие как видео разрешение, количество цветов, различные джойстики, постоянно и быстрыми темпами развивались, звук оставался на прежнем уровне. Компания Microsoft даже включила к своим выходившим в то время операционным системам специальный драйвер для повышения удобства пользования встроенным динамиком.

     В 1984-м году на рынок был выпущен  IBM PCjr (модель 4860) с музыкальным сопроцессором Texas Instruments SN76496, имеющим 3 голоса, 16 уровней громкости и генератор белого шума (стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот). Это с натяжкой можно назвать первой звуковой платой, т.к. её устройство и возможности значительно отличались от появившихся чуть позднее устройств. Несмотря на значительное нововведение IBM PCjr не удалось укрепиться на рынке домашних компьютеров, журнал PC World даже внес эту модель в список «25 худших технических продуктов всех времен». Чуть позже компании Tandy позаимствовала это решение и выпустила Tandy 1000, который был, в сущности, клоном компьютера IBM. Далее в линейке Tandy TL/SL/RL к этому решению была добавлена возможность записи.

       В 1986 фирмой Covox Inc. было выпущено устройство под названием Covox Speech Thing, обычно называемое просто Covox. Это было внешнее устройство, подключаемое к компьютеру через LPT порт и позволяющее воспроизводить цифровой звук. Технически оно представляло собой простейший резистивный ЦАП (Цифро-Аналоговый преобразователь), но стоило оно около 70 долларов США, из-за чего, в последствии, самодельные варианты устройства использовались любителями на большом количестве бытовых компьютеров. Covox и его модификации продержались на рынке в течении 1990-х годов, так-как звуковые платы современного типа имели очень высокую стоимость.  

       В августе 1987 года ныне широко известная  компания Creative Technology совершила революцию в области воспроизведения цифрового звука. Никому тогда не ведомая сингапурская компания выпустила в свет первую звуковую карту Creative Music System (CMS), основанную на двух чипах Philips SAA 1099. При этом для стереозвучания одна микросхема отводилась для левого канала, а вторая - для правого. Естественно, что качество звучания было далеко от сегодняшнего, но тогда это все-таки был прорыв по сравнению с примитивным динамиком и предыдущими малоуспешными опытами. Впрочем, даже тогда качество CMS мало кого устраивало, особенно если учесть его цену - более 300 долларов в розницу. Но в то же время, зимой 1987, другая фирма из канадская фирма под названием AdLib выпустила свою звуковую карту, прямого конкурента CMS. Карта носила одноименное с фирмой название, имела однокристальный (то есть на одной микросхеме) 11-голосный синтезатор Yamaha YM3812, который использовал для генерации звука принцип частотной модуляции и использовался тогда в игровых автоматах. Кстати, использование данной технологии позволило AdLib получить более естественное, чем у CMS, звучание. Что, видимо, и предопределило ее тогдашний статус лидера на этом рынке. Не последнюю роль сыграла и цена: около 100 долларов США. Как доказательство коммерческого успеха AdLib, Microsoft включила драйвер для нее в свое операционную систему Windows 3.1.

       И тогда было принято решение о выпуске первой звуковой карты под именем Sound Blaster - произошло это в ноябре 1989 года. Creative Technology взяли ту же микросхему YM3812 (известную также как OPL2 и используемую в платах AdLib) и сделали первый Sound Blaster на ее основе. Карта уже имела также порт для джойстика и поддержку MIDI. Теперь встала другая проблема: качество FM-синтеза (FM – частотная модуляция). Наиболее важной проблемой качества была искусственность звучания. Второй недостаток – нехватка дискового пространства. Следует заметить, что под этим подразумевается запись на CD файлов в формате WAV: одна минута, как известно, занимает около 10 Мб. Поэтому помимо музыкального синтезатора, к плате добавили возможность воспроизводить (с частотой дискретизации до 22 кГц) и записывать (с частотой до 12 кГц) любые звуки. Плюс к этому на выставке COMDEX'89 в Лас-Вегасе представители Creative Technology заявили о полной совместимости Sound Blaster с AdLib. Успеху этого продукта в немалой степени способствовала и позиция компании Microsoft: звуковые платы Sound Blaster были включены в базовую спецификацию компьютеров типа MPC (Multimedia PC). С появлением Sound Blaster прикладные программы уже могли записывать и воспроизводить оцифрованную музыку и различные звуковые эффекты.

       В то время компания AdLib принялась за разработку новой звуковой платы под названием Adlib Gold. Плата была 12-битной и содержала синтезатор последнего поколения Yamaha YMF262 (OPL3), а также была обратно совместимой с другими AdLib. Как одни из лидеров рынка, в AdLib были абсолютно уверены в успехе. 
Но  компании не хватало собственных технологических возможностей – и разработка звуковых чипов была заказана компании Yamaha. И надо отметить, что к этому времени не только AdLib, но и Creative Technology были главными клиентами Yamaha.  Когда плата наконец вышла, она все равно ничего не изменила. Помимо того, что Adlib Gold была неспособна конкурировать с Sound Blaster по качеству, у нее не было поддержки в компьютерных играх, а главное - рынок просто был не готов к появлению звуковой стерео платы в этом ценовом диапазоне. Как результат всего этого, в том же 1992 году, когда вышла Gold, в Adlib объявили о банкротстве. Далее компания Creative Technology уже могла спокойно диктовать свою волю рынку: ведь на то время никто из конкурентов особо и не пытался сделать что-то действительно революционное.

       Толчок к дальнейшему развитию дала компания Aureal, разработав первый серьезный формат воспроизведения трехмерного звука A3D в 1997 году. Первые звуковые карты с поддержкой 3D появились еще во времена наибольшей популярности шины ISA, но трехмерность заключалась в добавлении нескольких эффектов вроде реверберации (Реверберация — процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях, создает эффект резонанса помещения), хоруса (добавление к исходному сигналу его собственной копии или копий, сдвинутых по времени на величины порядка 20-30 миллисекунд) или просто расширения стереобазы. Ввиду слабой мощности процессоров и медленной работы шины ISA разработки стандартов трехмерного звука были малоэффективны и поэтому особо активно до этого не велись. В 1997 году стандартом де-факто стали компьютеры с процессором Pentium-II и шиной PCI. Это и позволило Aureal выйти на рынок со своим стандартом. Кстати, что немаловажно, компания тогда занималась разработкой звуковых решений для симуляторов виртуальной реальности NASA - и A3D первоначально предназначался именно для них.

       В августе 1998 года компания Creative Technology выпускает Sound Blaster Live! – первую профессиональную карту доступную рядовому потребителю, имеющую 64-голосовой аппаратный MIDI синтезатор, возможность использования библиотеки семплов до 32 мегабайт, 128 независимых аппаратно ускоряемых потоков Direct Sound 3D, полная эмуляция Sound Blaster 16 и поддержка DOS приложений и EAX API. Это был один из самых значительных переворотов, совершенных Creative Technology. Он фактически ознаменовал собой полный переход звуковых решений на шину PCI, что дало море возможностей: огромную пропускную способность, использование памяти компьютера для хранения сэмплов. Но главное - качество звука.

     В середине 2000 года компания Aureal объявила о своем банкротстве и прекращении  выпуска карт на основе чипсета Vortex. Aureal была сразу же куплена их конкурентами - Creative, которые затем свернули выпуск Vortex и похоронили стандарт A3D. С тех самых пор и до сегодняшнего дня Creative практически безраздельно властвует на рынке компьютерного мультимедиа-оборудования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Глава 2.0 Принципы работы звуковых плат

       Несмотря на все разнообразие моделей звуковых карт, их возможностей, качества звука и размеров все они имеют примерно одну структуру и основные блоки. Рассмотрим их устройство от общего к частному, на рис.1 обозначены основные блоки звуковой платы:

Wave Table

синтезатор

FM

синтезатор

ROM

RAM

ЦАП

ЦАП

Выходной  микшер

Line Out

MIDI порт/ джойстик

Line In

Mic In 

CD In

Aux In

Входной микшер

АЦП

DSP

(Сигнальный процессор)

ЦАП

Шина ISA или PCI

- MIDI

- Audio

Рис 1. Устройство звуковой платы. 
 
 
 
 
 
 
 

     В левой части схемы расположены  входы, которые, как правило, расположены  на металлической панели, выходящей  на заднюю стенку системного блока. К  ним подключаются внешние аудиоустройства: микрофоны, магнитофоны, MIDI-клавиатуры, электрогитары и т.д. Line In и Mic In – линейный и микрофонный входы. Они обычно выполнены на разъемах типа 3,5 мм TRS (Tip, Ring, Sleeve), также называемыми «мини-джек».  Отдельный вход Mic In предусмотрен из-за того, что у микрофонов сигнал имеет низкий уровень и его нужно усиливать до нормального уровня, перед тем, как направлять на преобразователь. Поэтому на микрофонных входах звуковой карты всегда установлен предусилитель - небольшая схема, повышающая уровень сигнала до нормального (линейного) уровня. 

       На  некоторых типах звуковых плат установлен дополнительный вход Aux In. Если посмотреть на схему, видно, что сигнал с этого входа минует основные устройства звуковой платы и поступает на выходной микшер, а оттуда - сразу на выход. Этот вход позволяет упростить коммутацию внешних устройств и использовать внутренний микшер звуковой платы для смешивания сигналов с внешнего и внутренних источников. Например, если у нас есть автономный синтезатор, то можно его выход подключить в Aux In и  
все, что мы играем будет слышно в колонках, подключенных к звуковой карте. Aux In тоже обычно делается на разъеме типа "мини джек". 

       Вход проигрывателя компакт-дисков (CD In), как правило, расположен не на задней панели звуковой платы, а прямо на ней, среди микросхем и других радиодеталей. Если у нас есть привод CD-ROM, то можно связать его выход с этим входом звуковой карты. Такое соединение позволит слушать аудио компакт-диски и оцифровывать звук прямо с привода.

       Кроме всех перечисленных входов, на задней панели звуковой карты обычно есть 15-штырьковый разъем MIDI/джойстик порта, который служит для подключения любых внешних MIDI-устройств (синтезаторов, MIDI-клавиатур и т.д.) или джойстика, если карта используется для игр. На специализированных звуковых картах MIDI-порт может иметь не стандартный 15-штырьковый разъем, а любой другой. Но в этих случаях всегда прилагается особый переходник.

       Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы. Микшер представляет собой многовходовой аналоговый сумматор с управляемыми коэффициентами усиления по каждому входу, за счет чего он может объединять звук с разных источников карты в одну выходную линию с независимой регулировкой как всех входных, так и выходного уровня и стереобаланса. Он работает точно так же, как и обычные пульты, с той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект служебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки в большинстве операционных систем. 

       Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. Следует помнить, что цифровая техника очень чувствительна и сигнал не должен превышать уровня 0 дБ, иначе произойдет переполнение разрядной сетки АЦП, что проявит себя как очень неприятные на слух нелинейные искажения. А слишком низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента.

       Блок цифровой записи и воспроизведения, называемый также цифровым каналом, или трактом карты, осуществляет аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования в режиме программной передачи или в режиме DMA (Direct Memory Access – прямой доступ к памяти) . Он состоит из узла, непосредственно выполняющего аналого-цифровые преобразования, на схеме АЦП и ЦАП (международное обозначение - coder/decoder, codec), и узла управления. АЦП/ЦАП либо интегрируется в состав одной из микросхем карты, либо применяется отдельная микросхема (AD1848, CS4231, CT1703 и т.п.). От качества применяемого АЦП и ЦАП во многом зависит качество оцифровки и воспроизведения звука, не меньше зависит она и от входных и выходных усилителей.

       После аналого-цифрового преобразования данные поступают в сигнальный процессор (DSP - Digital Signal Processor). Этот процессор управляет обменом данными со всеми остальными устройствами компьютера через шину PCI (ранее использовалась шина ISA, но она была полностью вытеснена PCI). Преимущество шины PCI заключается в более высокой пропускной способности и прямым доступом к оперативной памяти, что позволяет хранить образцы инструментов там, а не в ПЗУ на самой плате, подгружая их при необходимости, это называется DLS – downloadable sample. Тем самым, теоретически, снимается ограничение по объему инструментов. Так же значительно снижается загрузка процессора. Все это положительно сказывается на качестве звука и быстродействии звуковой платы. 

       При воспроизведении звукового файла данные с жесткого диска через шину поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП. Он переводит последовательности битов в аналоговый сигнал c переменной амплитудой и частотой, который, в свою очередь, поступает на выходной микшер. Этот микшер практически идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы.

       Теперь  о дополнительных устройствах звуковых карт. Чаще всего таким устройством  является та или иная модель музыкального синтезатора; если цифровой тракт способен лишь просто воспроизвести звуковой поток, то синтезатор способен создавать  звучания прямо внутри себя, и играть этими звуками под управлением  компьютера. Наиболее распространенные синтезаторы - GF1 и Interwave (Gravis Ultrasound), EMU8000 (Sound Blaster AWE), ICS WaveFront (семейство карт Turtle Beach). Все они построены по таблично-волновому (Wave Table) принципу, когда в памяти синтезатора хранятся таблицы с образцами звучаний, записанными в цифровой форме, которые в нужные моменты проигрываются на определенной высоте и в нужных сочетаниях. В отличие от FM–синтеза, создающего звуки, этот метод нельзя назвать чистым синтезом, однако современные WT–синтезаторы способны до неузнаваемости менять высоту, амплитуду и спектр исходных звуков, создавая из них совершенно новые.

       Для того, чтобы воспроизводить звуки, WT–синтезатор нуждается в памяти, куда они записываются. Обычно это ПЗУ, в котором записан базовый набор звуков - General MIDI (GM); в ряде карт имеется еще и ОЗУ, куда можно загружать дополнительные звуки и их наборы, расширяя тембровую палитру синтезатора. Некоторые карты не имеют ПЗУ, сразу загружая звуки во внутреннее ОЗУ (GUS, EWS64XL) или в системное ОЗУ компьютера (карты на S3 SonicVibes). Последняя технология носит названия UMA (Unified Memory Architecture).

       Синтезаторы звуковых карт - как FM, так и WT - управляются  из прикладных программ при помощи MIDI - цифрового интерфейса музыкальных  инструментов, включающего команды  исполнения нот, смены тембров, управления громкостью, высотой, панорамой и  другими параметрами звука. Однако MIDI содержит только команды исполнителю, и несмотря на то, что стандартные тембры разных синтезаторов похожи друг на друга, они все же имеют различные оттенки и динамику звучания, поэтому MIDI–файлы, отлично звучащие на одном типе синтезатора, могут совершенно иначе звучать на другом, и наоборот.

       Многие звуковые карты снабжены разъемом для дополнительной дочерней платы (Daughterboard). Дочерняя плата фактически является внутренним MIDI–синтезатором, получая через MIDI–интерфейс основной карты команды, отыгрывая их и возвращая звук в аналоговом виде обратно на основную карту. Идея дочерней платы была впервые реализована в плате Creative Wave Blaster, поэтому и другие дочерние платы часто ошибочно называют Wave Blaster'ами - так же, как и обычные звуковые - Sound Blaster'ами. Установка дочерней платы позволяет получить на простой карте таблично-волновой синтез, а при его наличии - расширить возможности и палитру базового синтезатора.

       Каждый  из синтезаторов, установленных на звуковой карте, имеет свой собственный ЦАП. После преобразования сигналов в аналоговую форму они поступают на выходной микшер звуковой карты.

       В 2005 году компания Creative Technology совершила очередной прорыв в сфере звуковых плат, выпустив карту нового поколения SoundBlaster X-Fi, устройство и принцип работы которой отличается от рассмотренных выше. Основное нововведение – архитектура «Audio ring», в которой блоки размещены не последовательно, а в виде кольца. Подробно данная архитектура будет рассмотрена ниже.

2.1. Принцип работы ЦАП

       Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC — "Digital-to-Analog Converter") и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC — "Analog-to-Digital Converter") главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, что и происходит в звуковых платах.

       В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока (рис. 2), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

       Рис. 2. Микросхема ЦАП.

       На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение  UREF. Выходным сигналом является напряжение UO или ток IO. При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

       Суть  преобразования входного цифрового  кода в выходной аналоговый сигнал довольно проста. Она состоит в  суммировании нескольких токов (по числу  разрядов входного кода), каждый последующий  из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники  тока, или резистивные матрицы, коммутируемые  транзисторными ключами.

       Рис. 3. Схема четырех  разрядного ЦАП.

       В качестве примера на рис. 3 показано 4-разрядное цифро-аналоговое преобразование на основе резистивной матрицы R–2R и ключей (в реальности используются ключи на основе транзисторов). Правому положению ключа соответствует единица в данном разряде входного кода N (разряды D0…D3). Операционный усилитель может быть как встроенным (в случае ЦАП с выходом по напряжению), так и внешним (в случае ЦАП с выходом по току).

       Первым (левым по рисунку) ключом коммутируется  ток величиной U_REF/2R, вторым ключом — ток U_REF/4R, третьим — ток U_REF/8R, четвертым — ток U_REF/16R. То есть токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса разрядов двоичного кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение с помощью операционного усилителя с сопротивлением R_ОС=R в цепи отрицательной обратной связи.

       Суммарный ток I_O от всех ключей создает на выходе операционного усилителя напряжение U_O=I_O R_ОС=I_OR. То есть вклад первого ключа (старшего разряда кода) в выходное напряжение составляет U_REF/2, второго — U_REF/4, третьего — U_REF/8, четвертого — U_REF/16. Таким образом, при входном коде N = 0000 выходное напряжение схемы будет нулевым, а при входном коде N = 1111 оно будет равно –15U_REF/16.

       В общем случае выходное напряжение ЦАП при R_ОС = R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением U_REF простой формулой

       U_ВЫХ = –N • U_REF 2^-n

       Примерно  так устроена одна из первых звуковых карт, выше упомянутая Covox Speech Thing. В простейшем виде Covox принимает восьмиразрядный монофонический цифровой сигнал через параллельный порт компьютера (LPT) и выводит аналоговый сигнал, который может быть усилен и воспроизведён через громкоговоритель. Технически он представляло собой простейший резистивный  R-2R ЦАП (рис. 3). 

       На  современных звуковых платах установлены  ЦАП другого типа. Для примера, на одном из последних продуктов  компании Creative Technology Sound Blaster X-Fi установлены ЦАП Cirrus Logic CS4398. CS4398 представляет собой стерео аудио 24-битный/192кГц ЦАП. Он включает в себя цифровую коррекцию предыскажений, шаг контроля громкости в пол децибела, ATAPI микширование каналов. Он выполнен на основе архитектуры с использованием Дельта-Сигма преобразования (ЦАП передискретизации). Дельта-Сигма модулятор ЦАП представляет собой чисто цифровое устройство, которое преобразует последовательность многоразрядных слов на входе в малоразрядные двоичные коды, управляющие ключами параллельного ЦАП низкой разрядности, одновременно перенося энергию шума квантования в область более высоких частот. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости.