3.1.2 Звуковые платы

Звуковая плата ПК содержит несколько аппаратных систем, связанных с производством и сбором аудиоданных, две основные аудиоподсистемы, предназначенные для цифрового «аудио-захвата», синтеза и воспроизведения музыки (см. рис. 3.2). Подсистема синтеза и воспроизведения музыки, как правило, гене­рирует звуковые волны одним из двух способов:

• через внутренний синтезатор (например, ЧМ-синтезатор);

• проигрывая оцифрованный (sampled) звук.

Секция цифровой звукозаписи звуковой платы состоит из пары 16-разрядных преобразователей – ЦАП и АЦП – и содержит программируемый генератор частоты выборки, синхронизирующий преобразователи и управляемый от ЦП. Компьютер передает оцифрованные звуковые данные к преобразователям или обратно. Частота преобразования обычно кратна (или составляет часть от) 44,1 кГц.

Большинство плат использует один или более каналов пря­мого доступа к памяти, некоторые платы также обеспечивают прямое цифровое подключение S/PDIF (или SPDIF). Кабель передачи SPDIF (Sony/Philips Digital InterFace – Цифровой Ин­терфейс Sony/Philips) может быть оформлен в двух видах: коак­сиальный и оптический. Входы и выходы коаксиального SPDIF выполнены на разъемах типа RCA. Оптический SPDIF использует для передачи данных оптический кабель, входы и выходы которого выполнены на разъемах типа Toslink.

Генератор звука, установленный на плате, использует процессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor – DSP), который проигрывает требуемые музыкальные ноты, объединяя их считывание из различных областей звуковой таблицы с различными скоростями, чтобы получить требуемую высоту тона. Максимальное количество доступных нот связано с мощностью DSP-процессора и называется полифонией платы.

DSP-процессоры используют сложные алгоритмы, чтобы создать такие эффекты, как реверберация, хоровое звучание и запаздывание звука. Реверберация создает впечатление, что инструменты играют в больших концертных залах. Хор используется, чтобы создать впечатление, что несколько инструментов играют совместно, тогда как фактически есть только один. Добавление запаздывания к партии гитары, например, может дать эффект пространства и стереозвучания.

Рис. 3.2. Схема аудиоплаты The Platinum 5.1 Creative

3.2. Форматы записи-воспроизведения аудиосигналов

3.2.1. Формат мрз

МРЗ – сокращение от MPEG LауегЗ. Это один из основных Цифровых форматов хранения аудио, разработанный Fraunhofer institute и Thomson Multimedia, позднее утвержденный как часть стандартов сжатого видео и аудио MPEG1 и MPEG2.

Высокая степень компактности МРЗ при сохранении качества звучания достигается с помощью дополнительного квантования по установленной схеме, позволяющей минимизировать потери качества.

Последнее, в свою очередь, достигается учетом особенностей человеческого слуха, в том числе эффекта маскирования слабого сигнала одного диапазона частот более мощным сигналом соседнего диапазона, когда он имеет место, или мощным сигналом предыдущего фрейма, вызывающего временное понижение чувствительности уха к сигналу текущего фрейма. Принимается во внимание также неспособность большинства людей различать сигналы, по мощности лежащие ниже определенного уровня, различного в разных частотных диапазонах. Эта и ей подобные техники называются адаптивным кодированием и позволяют экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человеком деталях звучания.

Степень сжатия и, соответственно, объем дополнительного квантования определяются не форматом, а самим пользователем при задании параметров кодирования. Ширина потока, или битрейт (bitrate), может изменяться от наибольшего для МРЗ (320 Кбит/с) до 96 Кбит/с и даже ниже. Термин битрейт обозначает общую ширину потока независимо от того монофонический или стереофонический сигнал он содержит.

При испытаниях опытные эксперты, специализирующиеся на субъективной оценке качественности звучания, не смогли различить звучание оригинального трека на CD и закодированного в МРЗ с коэффициентом сжатия 6 : 1, т. е. с битрейтом в 256 Кбит/с.

Более низкие битрейты, несмотря на их популярность, не дают возможности обеспечить надлежащее качество кодирования. Объективно и 256 Кбит/с не дает возможности осуществить полностью обратимое кодирование, то же самое можно сказать и про наивысший битрейт – 320 Кбит/с, но отличия от CD Audio, по которому кодируется тестовый МРЗ, сравнимы с отличиями самого CD Audio от исходного высококачественного сигнала, из которого он был получен путем оцифровки.

Поэтому самое большое на сегодня преимущество МРЗ перед другими подобными форматами состоит в том, что ни про один другой формат нельзя пока уверенно сказать, что он полностью гарантирует устойчивое сохранение качества звучания на достаточно высоких битрейтах или что для него написано такое же множество удобного программного обеспечения, как для МРЗ.

Файл формата МРЗ (обычно используется расширение * .mр3) может также включать информацию о файле непосредственно в заголовке: имя исполнителя, графику (альбом диска), URL для дальнейшей информации, текст песни и т. д.

Процесс кодирования. Перед кодированием исходный сигнал разбивается на участки, называемые фреймами, каждый из которых кодируется отдельно и помещается в конечный файл независимо от других. Последовательность воспроизведения определяется порядком расположения фреймов. Каждый фрейм может кодироваться с разными параметрами. Информация о них содержится в заголовке фрейма.

Кодирование начинается с того, что исходный сигнал с помощью фильтров разделяется на несколько, представляющих отдельные частотные диапазоны, сумма которых эквивалентна исходному сигналу.

Для каждого диапазона определяется величина маскирующего эффекта, создаваемого сигналами соседних диапазонов и сигналом предыдущего фрейма. Если она превышает мощность сигнала интересующего диапазона или мощность сигнала в нем оказывается ниже определенного опытным путем порога слышимости, то для данного фрейма данный диапазон сигнала не кодируется.

После завершения работы психоакустической модели формируется итоговый поток, который дополнительно кодируется по Хаффману, на этом кодирование завершается.

На практике схема несколько сложнее. Во-первых, необходимо согласовываться с требованиями битрейта. В зависимости от кодера при повышении битрейта это приводит к разного рода релаксациям при отборе сохраняемой части исходного сигнала, а при понижении – наоборот, к ужесточению критериев.

Во-вторых, после каждого изменения исходного сигнала (исключения сигнала какого-то одного диапазона) величина маскирующего эффекта меняется и, проводя это исключение в разной последовательности, можно получать существенно различающиеся результаты. Это обстоятельство замедляет работу кодеров.

Кодирование стереосигнала может осуществляться четырьмя различными методами:

• Dual Channel – каждый канал получает ровно половину потока и кодируется отдельно, как моносигнал. Рекомендуется главным образом в случаях, когда разные каналы содержат принципиально разный сигнал, скажем, текст на различных языках;

• Stereo – каждый канал кодируется отдельно, но кодер может принять решение отдать одному каналу больше места, чем другому. Этим, например, избегается кодирование «тишины» в одном канале, когда в другом есть сиг­нал. Данный режим используется на битрейтах выше 192 Кбит/с. Применим и на более низких битрейтах порядка 128–160 Кбит/с;

• Joint Stereo (MS Stereo) – стереосигнал раскладывается на средний между каналами и разностный. При этом второй кодируется с меньшим битрейтом. Это позволяет несколь­ко увеличить качество кодирования в обычной ситуации, когда каналы по фазе совпадают, но приводит и к резкому его ухудшению, если кодируются сигналы, по фазе не совпадающие;

• Joint Stereo (MS/IS Stereo) – вводит еще один метод упрощения стереосигнала, повышающий качество кодирования на особо низких битрейтах. Состоит в том, что для некото­рых частотных диапазонов оставляется уже даже не разно­стный сигнал, а только отношение мощностей сигнала в разных каналах.