Компьютерные звуковые платы и форматы звуковых файлов

Компьютер, оснащенный звуковой платой, стал неотъемлемой частью любой студии звукозаписи. Наличие в звуковом тракте компьютера и звуковой платы позволяет осуществлять запись звуковых данных на жесткий диск, монтировать и редактировать эти данные в программных аудио-редакторах, осуществлять цифровую запись на профессиональные носители. Несмотря на все разнообразие звуковых плат, разницу в качестве, возможностях, размерах, целевой направленности, все они имеют примерно общую принципиальную архитектуру и включают похожие основные блоки. Представление о принципе работы звуковой платы облегчает решение многих проблем, связанных с цифровым звуком, помогает ориентироваться в устройстве не только любительских звуковых карт, но и профессиональных компьютерных систем записи звука.

Рис. 6.19. Компьютерная звуковая плата Yamaha SW1000XG

Микросхема, на основе которой функционирует большинство звуковых плат, состоит из трех функционально независимых узлов: узел цифрового тракта, ответственный за преобразование звука из аналоговой формы в цифровую и обратно и обмен цифровым потоком с центральным процессором или памятью компьютера; узел музыкального синтезатора, построенного по определенному принципу, и выполненного в том или ином стандарте; узел аналогового микшера, выполняющего смешивание сигналов с двух предыдущих узлов, а также с линейного, микрофонного и других входов карты. Эти три блока функционально полностью независимы и программируются отдельно друг от друга.

Цифровой тракт звуковой платы можно считать ее основным узлом, поскольку именно в нем происходит принятие внешней аналоговой информации, ее перевод в цифровую форму, обратное раскодирование цифры в аналог и воспроизведение окончательного сигнала. Для этого тракт имеет АЦП и ЦАП – аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, между которыми цифровой поток обрабатывается различными программными алгоритмами. Поступающий на АЦП звук в аналоговой форме – в виде непрерывно меняющегося электрического сигнала – подвергается в нем дискретизации и квантованию, сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, заменяется рядом отсчетов. В результате образуется поток чисел, величина которых описывает закон изменения исходного сигнала.

Аналогичным образом работает и обратный процесс: последовательность цифровых отсчетов, забираемая системой управления цифрового тракта карты из памяти, подается на ЦАП, который преобразует числовые значения в уровни напряжения, а затем объединяет дискретную последовательность этих уровней в непрерывный звуковой сигнал, который и снимается с выхода карты.

Основными характеристиками цифрового тракта звуковой платы являются диапазон частот дискретизации и разрядность АЦП/ЦАП.Важно, чтобы максимальное значение частоты дискретизации было не менее 44,1 кГц, в противном случае качества звучания CD достичь не удастся. Максимальное значение разрядности должно быть не меньше 16 бит. Стандартом профессиональных звуковых плат в настоящее время является частота дискретизации 96 кГц и 24-битная разрядность.Во всех звуковых платах, кроме самых простых любительских, реализован режим дуплекса (Full Duplex), позволяющий ЦАП и АЦП работать одновременно, параллельно записывая звук со входа в одни области памяти и воспроизводя его из других областей памяти на выход, т.е. карта может одновременно воспроизводить и записывать звук. Для этого необходима поддержка двух каналов доступа к оперативной памяти (DMA – Direct Memory Access). Благодаря этому режиму можно реализовать многие возможности – голосовую связь по сети, обработку поступающего звука цифровым алгоритмом с одновременным выводом результата, запись в реальном времени какой-либо части музыкальной аранжировки с одновременным воспроизведением всех других частей этой аранжировки и т.п.

Мы выяснили, что качество звуковой платы как системы записи-воспроизведения звука определяется ее разрядностью и частотой дискретизации. Качество звуковой платы как музыкального инструмента прежде всего зависит от реализованного в ней способа синтеза музыкальных звуков. Существует два принципиально разных способа синтеза, реализованных в большинстве звуковых плат. Эти способы – частотная модуляция или FM-синтез (Frequency modulation)и синтез на основе волновых таблиц или WT-синтез (Wave Table).

В звуковых платах синтез звука с необходимым тембром происходит путем взаимной модуляции сигналов двух или более генераторов звуковых частот. Совокупность генератора и управляющей им схемы называется оператором.Параметры операторов и схема их соединения определяют тембр звука на выходе. В звуковых платах используется как двухоператорный, так и четырехоператорный синтез. Плата, реализующая двухоператорный синтез, имеет среди прочих характеристик обозначение OPL-2, четырехоператорный синтез обозначается OPL-3. FM-синтез, дающий профессиональное качество звучания, реализован в профессиональных FM-синтезаторах с применением как минимум 6-ти операторов и сложных схем их соединения. В компьютерных же платах качество FM-синтеза достаточно только для озвучивания игр, OPL-3 в состоянии издавать лишь очень малую часть звуков, традиционных для FM, да еще и с довольно низким качеством. Поэтому чаще всего карты, оборудованные только FM синтезатором, считают чисто звуковыми (т.е. используются только возможности их АЦП/ЦАП) и неспособными генерировать музыкальные звуки или иcполнять музыкальную партитуру. На профессиональных звуковых картах OPL-3 не ставится ввиду его явной бесполезности.

Если при FM-синтезе звук в буквальном смысле создается «из ничего», являясь физическим воплощением математического алгоритма, то при WT-синтезе используются фрагменты звучания реальных инструментов, хранящиеся в памяти звуковой карты. О звуковых картах, в которых реализуется данный вид синтеза, говорят, что они поддерживают режим Wave Table. Карту, в которой реализован как FM, так и WT-синтез, обозначают как OPL-4.

Wave Table-синтез опирается на технологию сэмплирования. Укажем, что WT-синтез предполагает наличие стандартного набора звуков, «зашитых» в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) звуковой платы. Эта информация хранится в ПЗУ платы постоянно, даже после выключения компьютера. Содержащиеся в ПЗУ звуковой платы наборы (или банки) звуков выполняются в определенном формате, как правило – это GM и его модификации. Качество WT – синтезатора карты определяется его полифонией– количеством нот, которые могут звучать одновременно. Удовлетворительной является 32голосная полифония, хорошей – 64-голосная.

По качеству звучания инструментов, содержащихся в ПЗУ, говорят о качестве звучания MIDI-инструментов карты. Кроме ПЗУ на плате может быть установлено оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), в которое можно загружать любые звуки, предварительно преобразовав их в формат, поддерживаемый платой. У разных карт может быть разный объем ОЗУ – от 512 кБ до 28 Мб и больше. Таким образом, плата, снабженная ОЗУ, может использоваться в студии в качестве простейшего сэмплера. Обязательно наличие у звуковой платы выхода, на котором информация представлена в цифровой форме. Если звуковая плата имеет выход, на который сигналы поступают не в аналоговой (после ЦАП), а в цифровой форме, то это позволяет уменьшить искажения, связанные с дополнительными преобразованиями при дальнейшей цифровой обработке сигнала вне звуковой карты. Это становится актуальным при записи результатов работы на CD или DAT.

Многие звуковые платы содержат один или несколько собственных процессоров цифровой обработки сигналов DSP (Digital Signal Processing). Основная задача DSP – разгрузить центральный процессор компьютера (CPU – Central Processing Unit), позволить звуковой плате самостоятельно обрабатывать цифровой массив независимо от задач, стоящих перед CPU. Наличие на борту платы DSP делает ее работу устойчивей и позволяет избежать многих проблем совместимости с разными компьютерами. DSP способны выполнять целый класс задач: поддерживать воспроизведение нескольких аудиоканалов, преобразовывать частоты дискретизации, программно реализовывать алгоритмы синтеза звука и его обработки (динамической, фильтрации, процессорами эффектов). Причем, если выполнение алгоритма преобразования сигнала выполняется на CPU, это требует некоторого времени, применение DSP позволяет преобразовывать сигнал «на ходу», т.е. в реальном времени. О качестве того или иного DSP говорит разрядность, с которой в нем производятся расчеты, например, может быть 16, 24-битная или 32-битная точность расчета эффекта. DSP могут быть как общего назначения, т.е. выполнять все возможные операции со звуком, так и специализированными, т.е. отвечать только за определенный класс задач. Например, обеспечивать обработку сигнала эффектами в реальном времени. Многие профессиональные звуковые платы являются основой так называемой «модульной системы». Эти системы принято называть «модульными», так как они состоят из одной или нескольких компьютерных плат, подключаемых к внешним модулям цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей (рис. 6.20).

Многие профессиональные звуковые платы являются основой так называемой «модульной системы». Эти системы принято называть «модульными», так как они состоят из одной или нескольких компьютерных плат, подключаемых к внешним модулям цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Основная причина популярности «модульной архитектуры» – наличие внутри корпуса компьютера электрических полей, помех и искажений, от которых практически невозможно изолировать чувствительные узлы звуковой карты. Естественным выходом из такой ситуации является вынос определенных блоков за пределы корпуса компьютера, что позволяет достичь безупречного качества звучания.

Рис. 6.20. Звуковая плата с выносным модулем Aadvark Aark

Выбор какой – то определенной модели из большого количества полупрофессиональных и профессиональных звуковых плат определяется стоящими перед рекламной продакшн – студией задачами. Например, в ряде случаев может быть достаточно качества WT-синтеза полупрофессиональной карты, зачастую основное внимание следует обращать на качество тракта АЦП/ЦАП и не особенно прельщаться возможностями встроенных в плату эффект – процессоров, т.к. в определенных видах рекламной аудио – продукции они никогда не применяются. Наиболее распространенным решением является комбинация нескольких полупрофессиональных и профессиональных специализированных плат в одну систему.