ЗВУКОВАЯ КАРТА Устройство по обработке

ЗВУКОВАЯ КАРТА

Устройство по обработке звука именуют звуковой картой или звуковой платой, иногда звуковым адаптером, а иногда саундбластером. . Звуковая плата устанавливается на материнской плате компьютера.

Звуковая карта (звуковая плата, аудиокарта; англ. sound card) — дополнительное оборудование персонального компьютера, позволяющее обрабатывать звук (выводить на акустические системы и/или записывать).

На момент появления звуковые платы представляли собой отдельные карты расширения, устанавливаемые в соответствующий слот. В современных материнских платах представлены в виде интегрированного в материнскую плату аппаратного кодека

Карта расширения — вид компьютерных комплектующих: печатная плата, которую устанавливают в слот расширения материнской платы компьютерной системы с целью добавления дополнительных функций. Платы расширения, необходимые для подключения внешних устройств, могут также называться адаптерами или контроллерами этих устройств.

Слот расшире ния — щелевой (англ. slot означает «щель» ) разъём, обычно в компьютере, соединённый с системной шиной и предназначенный для установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства.

Один край платы расширения оснащён контактами, точно соответствующими щелевому разъёму материнской платы. Контакты обеспечивают электрическое соединение между компонентами карты и материнской платы.

На другом из краёв карты расширения находится металлическая планка, выходящая на заднюю поверхность корпуса компьютера, с возможными разъёмами для подключения внешних устройств и с зажимом под винт для фиксации платы и обеспечения электрического контакта на корпус.

Плата расширения может содержать оперативную память и устройства ввода вывода, может обмениваться данными с другими устройствами на системной шине. В современных персональных компьютерах компоненты, связанные с видео , аудио и сетевыми функциями, теперь обычно размещаются непосредственно на материнской плате.

К платам расширения относятся: видеокарта — преобразует изображение, находящееся в памяти компьютера в видеосигнал для вывода на монитор. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображений. Они имеют графический процессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая ЦПУ.

звуковая карта — производит преобразование звука из аналоговой формы в цифровую при записи, и из цифровой формы в аналоговую при воспроизведении. Главная возможность звуковой карты — воспроизведение звука, например аудио и видеофайлов, хранящихся на компьютере. Звуковая карта содержит в себе АЦП, ЦАП и цифровой сигнальный процессор, который производит вычисления. Профессиональные звуковые платы позволяют производить сложную обработку звука, имеют собственное ПЗУ.

сетевая карта — позволяет ПК взаимодействовать с другими устройствами сети (в настоящее время интегрированы на материнской плате). Сетевой адаптер вместе со своим драйвером выполняет две функции: прием и передача кадра. Обычно в клиентских ПК значительная часть работы перекладывается на драйвер, что позволяет удешевить адаптер, но загружает ЦПУ.

Адаптеры, предназначенные для серверов, обычно оснащены собственными процессорами, которые выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и обратно. В общем виде цепочка передачи кадров: оперативная память — адаптер — физический канал — адаптер — оперативная память.

Кроме того, в виде платы расширения может быть выполнен ТВ тюнер, модем, плата видеозахвата, адаптер беспроводной (Wi Fi) сети, контроллеры различных портов (COM, LPT, SATA, USB), диагностическая POST карта.

Компьютерная ши на в архитектуре компьютера — подсистема, служащая для передачи данных между функциональными блоками компьютера. В устройстве шины можно различить механический, электрический (физический) и логический (управляющий) уровни.

В отличие от соединения точка, к шине обычно можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Компьютерные шины ранних вычислительных машин представляли собой жгуты (пучки соединительных проводов — сигнальных и питания, для компактности и удобства обслуживания увязанных вместе), реализующие параллельные электрические шины с несколькими подключениями.

В современных вычислительных системах данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины.

Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные и цепные топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

Некоторые виды скоростных шин (Fibre Channel, Infini. Band, скоростной Ethernet, SDH) для передачи сигналов используют не электрические соединения, а оптические. Присоединители к шине, разнообразные разъёмы, как правило, унифицированы и позволяют подключить различные устройства к шине.

Управление передачей по шине реализуется как на уровне прохождения сигнала (мультиплексоры, демультиплексоры, буферы, регистры, шинные формирователи), так и со стороны ядра операционной системы — в таком случае в его состав входит соответствующий драйвер.

Сетевой концентратор, или хаб (от англ. hub — центр) — устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами. Сетевые концентраторы также могли иметь разъёмы для подключения к существующим сетям на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля.

Последовательное соединение В области телекоммуникаций и информатике под термином последовательное соединение понимают процесс пересылки данных по одному биту за раз (последовательно) по каналу связи или компьютерной шине. Это противопоставляется параллельному соединению, в котором несколько бит отсылаются одновременно по соединению с несколькими параллельными каналами.

Последовательное соединение используется для всех протяженных коммуникаций и большинства компьютерных сетей, где стоимость кабеля и сложности с синхронизацией делают использование параллельного соединения неэффективным.

Последовательные компьютерные шины становятся всё более распространёнными даже на коротких расстояниях, по мере улучшения обеспечения целостности сигнала и скорости передачи данных. Вновых технологиях последовательной передачи она начинает перевешивать преимущество простоты параллельной шины (не требуется схема параллельно последовательного / последовательно параллельного преобразования.

Аудиокодек (кодер/декодер) — компьютерная программа или аппаратное средство, предназначенное для кодирования или декодирования аудиоданных.

Компью терная програ мма 1) комбинация компьютерных инструкций и данных, позволяющая аппаратному обеспечению вычислительной системы выполнять вычисления или функции управления 2) синтаксическая единица, которая соответствует правилам определённого языка программирования, состоящая из определений и операторов или инструкций, необходимых для определённой функции, задачи или решения проблемы

Первое определение соответствует понятию «исполняемая программа» , второе — относится к понятию «исходный текст» .

Другие определения из нормативных документов: Программа — данные, предназначенные для управления кон кретными компонентами системы обработки данных в целях реализации определённого ал горитма (ГОСТ 19781— 90)[

Программа — представленная в объективной форме совокупность данных и команд, предназначенных для функционирования ЭВМ и других компьютерных устройств с целью получения определённого результата, включая подготовительные материалы, полученные в ходе разработки программы для ЭВМ, и порождаемые ею аудиовизуальные отображения (Гражданский кодекс Российской Федерации)

Синтаксис языка программирования — набор правил, описывающий комбинации символов алфавита, считающиеся правильно структурированной программой (документом) или её фрагментом. Синтаксису языка противопоставляется его семантика. Синтаксис языка описывает «чистый» язык, в то же время семантика приписывает значения (действия) различным синтаксическим конструкциям.

Каждый язык программирования имеет синтаксис Синтаксис проверяется на ранних стадиях трансляции. В интерпретируемых языках программирования проверка синтаксиса производится или в процессе интерпретации (выполнения), или в процессе предварительной компиляции в промежуточный код.

Кроме того, синтаксис может проверяться непосредственно при редактировании исходных текстов программ при использованиическое описание как часть грамматики.

Аудиокодек — компьютерная программа или аппаратное средство, предназначенное для кодирования или декодирования аудиоданны

Программный кодек Аудиокодек на программном уровне является специализированной компьютерной программой, кодеком, который сжимает (производит компрессию) или разжимает (производит декомпрессию) цифровые звуковые данные в соответствии с файловым звуковым форматом или потоковым звуковым форматом.

Задача аудиокодека как компрессора заключается в предоставлении аудиосигнала с заданным качеством/точностью и минимально возможным размером.

Благодаря сжатию уменьшается объём пространства, требуемого для хранения аудиоданных, а также возможно снизить полосу пропускания канала, по которому передаются аудиоданные. Большинство аудиокодеков осуществлены как программные библиотеки, которые взаимодействуют с одним или несколькими аудиоплеерами.

Аппаратный кодек Аудиокодек на аппаратном уровне обозначает отдельную микросхему, которая кодирует и декодирует аналоговый звуковой сигнал в цифровой сигнал и наоборот при помощи аналогово цифрового и цифро аналогового преобразователей.

Цифро аналоговая конвертация происходит, когда компьютер посылает звук на внешние динамики, а аналого цифровая конвертация происходит, когда звук подаётся на компьютер извне.

Аудиокодек является основной, но не всегда единственной составной частью звуковой карты. Он является промежуточным звеном, интерфейсом между аналоговыми портами приёма и передачи звука и блоками цифровой обработки звука

В массовых встроенных в материнские платы звуковых картах аудиокодек фактически представляет собой всю звуковую карту: он преобразовывает аналоговый сигнал, получаемый с разъёмов, в цифровой, и передаёт его на южный мост материнской платы, откуда цифровой звук попадает на центральный процессор. Данная технология обработки цифрового звука на центральном процессоре называется Host Signal Processing

В дискретных звуковых картах, подключаемых к материнской плате, аудиокодек выполняет ту же роль, что и на интегрированных, но после оцифровки передаёт звуковой сигнал не на центральный процессор, а на специальный чип управления и обработки звука, также размещённый на звуковой плате. .

Южный мост — функциональный контроллер, также известен как контроллер концентратор ввода вывода (от англ. I/O Controller Hub, ICH).

Обычно это одна микросхема, которая связывает «медленные» (по сравнению со связкой «Центральный процессор ОЗУ» ) взаимодействия) на материнской плате с ЦПУ через северный мост, который, в отличие от южного, обычно подключён напрямую к центральному процессору компьютера.

Северный мост — контроллер (чип), являющийся одним из элементов чипсета материнской (системной) платы и отвечающий за работу центрального процессора (CPU) с ОЗУ (оперативной памятью, RAM) и видеоадаптером

Схематическое расположение

Сжатие аудиоданных Сжатие (компрессия) аудиоданных представляет собой процесс уменьшения скорости цифрового потока за счет сокращения статистической и психоакустической избыточности цифрового звукового сигнала.

Методы сокращения статистической избыточности аудиоданных также называют сжатием без потерь, а, соответственно, методы сокращения психоакустической избыточности — сжатием с потерями.

Сжа тие да нных — алгоритмическое преобразование данных, производимое с целью уменьшения занимаемого ими объёма. Применяется для более рационального использования устройств хранения и передачи данных. Синонимы — упаковка данных, компрессия, сжимающее кодирование, кодирование источника. Обратная процедура называется восстановлением данных (распаковкой, декомпрессией).

Сжатие основано на устранении избыточности, содержащейся в исходных данных. Простейшим примером избыточности является повторение в тексте фрагментов (например, слов естественного или машинного языка). Подобная избыточность обычно устраняется заменой повторяющейся последовательности ссылкой на уже закодированный фрагмент с указанием его длины.

Другой вид избыточности связан с тем, что некоторые значения в сжимаемых данных встречаются чаще других. Сокращение объёма данных достигается за счёт замены часто встречающихся данных короткими кодовыми словами, а редких — длинными (энтропийное кодирование).

Сжатие данных, не обладающих свойством избыточности (например, случайный сигнал или белый шум, зашифрованные сообщения), принципиально невозможно без потерь.

Случайные сигналы — сигналы, мгновенные значения которых (в отличие от детерминированных сигналов) не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Характеристики таких сигналов являются статистическими, то есть имеют вероятностный вид. Существует 2 основных класса случайных сигналов.

Во первых, это шумы — хаотически изменяющиеся во времени электромагнитные колебания, возникающие в разнообразных физических системах из за беспорядочного движения носителей заряда. Во вторых, случайными являются все сигналы, несущие информацию, которые для описания закономерностей, присущих осмысленным сообщениям, также прибегают к вероятностным моделям

Сигна л — код (символ, знак), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются в процессе его регистрации второй (принимающей) системой.

Сигна л (в теории информации и связи) — носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое рассчитано на принятие принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением.

Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем.

Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами.

В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний

Случайный процесс Математическая модель изменяющегося во времени случайного сигнала называется случайным процессом. По определению, случайный процесс X(t) это функция особого вида, характеризующаяся тем, что значения, принимаемые ею в любой момент времени t, являются случайными величинами.

До регистрации (до приёма) случайный сигнал следует рассматривать именно как случайный процесс, представляющий собой совокупность (ансамбль) функций времени Xj(t), подчиняющихся некоторой общей для них статистической закономерности.

Одна из этих функций, ставшая полностью известной после приёма сообщения, называется реализацией случайного процесса. Эта реализация является уже не случайной, а детерминированной функцией времени.

Для анализа свойств и характеристик случайного процесса, а также различных его преобразований, необходимо задать математическую модель случайного процесса. Такая модель может представлять собой описание возможных реализаций случайного процесса в сочетании с указанием относительной частоты их появления.

Математи ческая моде ль — математическое представление реальности[1], один из вариантов модели, как системы, исследование которой позволяет получать информацию о некоторой другой системе. Процесс построения и изучения математических моделей называется математическим моделированием.

Все естественные и общественные науки, использующие математический аппарат, по сути, занимаются математическим моделированием: заменяют объект исследования его математической моделью и затем изучают последнюю.

Связь математической модели с реальностью осуществляется с помощью цепочки гипотез, идеализаций и упрощений. С помощью математических методов описывается, как правило, идеальный объект, построенный на этапе содержательного моделирования

Белый шум — стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот.

Примерами белого шума являются шум близкого водопада (отдаленный шум водопада — розовый, так как высокочастотные составляющие звука затухают в воздухе сильнее низкочастотных), или дробовой шум на клеммах большого сопротивления, или шум стабилитрона, через который протекает очень малый ток.

Название получил от белого света, содержащего электромагнитные волны частот всего видимого диапазона электромагнитного излучения. Кроме белого, существуют шумы многих цветов.

Спектра льная пло тность мо щности (СПМ) в физике и обработке сигналов — функция, описывающая распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность, приходящаяся на единичный интервал частоты. Имеет размерность мощности, делённой на частоту, то есть энергии. Например, в Международной системе единиц (СИ): Вт/Гц = Вт/с− 1 = Вт·с.

Стационарный шум — шум, который характеризуется постоянством средних параметров: интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектральная плотность), автокорреляционной функции.

Термин «белый шум» обычно применяется к сигналу, имеющему автокорреляционную функцию, математически описываемую дельта функцией Дирака по всем измерениям многомерного пространства, в котором этот сигнал рассматривается. Сигналы, обладающие этим свойством, могут рассматриваться как белый шум. Данное статистическое свойство является основным для сигналов такого типа.

Пример реализации белого шума

История звуковых карт Поскольку PC проектировался не как мультимедийная машина, а инструмент для решения научных и деловых задач, звуковая карта на нём не была предусмотрена и даже не запланирована. Единственный звук, который издавал компьютер, был звук встроенного динамика, сообщавший о неисправностях

В 1986 году в продажу поступило устройство фирмы Covox Inc. Оно присоединялось к принтерному порту IBM PC и позволяло воспроизводить монофонический цифровой звук. Covox можно считать первой внешней звуковой платой. Covox был очень дёшев и прост по устройству (практически простейший резистивный ЦАП) и оставался популярным в течение 90 х годов. Появилось большое количество модификаций, в том числе — для воспроизведения стереофонического звучания.

В 1988 году фирма Creative Labs выпустила Creative Music System (С/MS, позднее также продавалась под названием Game Blaster) на основе двух микросхем звукогенератора Philips SAA 1099, каждая из которых могла воспроизводить по 6 тонов одновременно.

Примерно в это же время компания Ad. Lib выпустила свою карту, одноимённую с названием фирмы, на основе микросхемы YM 3812 фирмы Yamaha. Данный синтезатор для генерации звука использовал принцип частотной модуляции (FM, frequency modulation). Данный принцип позволял получить более естественное звучание инструментов, чем у Game Blaster.

Вскоре Creative выпустили карту на той же микросхеме, полностью совместимую с Ad. Lib, но превосходящую её по качеству звучания. Эта плата стала основой стандарта Sound Blaster, который в 1991 году Microsoft включила в стандарт Multimedia PC (MPC). Однако эти карты имели ряд недостатков: искусственное звучание инструментов и большие объёмы файлов, одна минута качества AUDIO CD занимала порядка 10 Мегабайт.

Одним из методов сокращения объёмов, занимаемых музыкой, является MIDI (Musical Instrument Digital Interface) — способ записи команд, посылаемых инструментам. MIDI файл (обычно это файл с расширением mid) содержит ссылки на ноты. Когда MIDI совместимая звуковая карта получает эту ссылку, она ищет необходимый звук в таблице (Wave Table). Стандарт General MIDI описывает около 200 звуков.

Карты, поддерживающие этот стандарт, обычно имеют память, в которой хранятся звуки, либо используют для этого память компьютера. Одной из первых wavetables карт была Gravis Ultrasound, получившая в России прозвище «Гусь» (от сокращённого названия GUS).

Creative, стремясь упрочить своё положение на рынке, выпустила собственный звуковой процессор EMU 8000 (EMU 8 K) и музыкальную плату на его основе Sound Blaster AWE 32, которая была, несомненно, лучшей картой того времени. « 32» — это количество голосов MIDI синтезатора в карточке.

С возрастанием мощности процессоров, постепенно стала отмирать шина ISA, на которой работали все предыдущие звуковые карты, и многие производители переключились на выпуск карты для шины PCI. В 1998 году компания Creative вновь делает широкий шаг в развитии звука и выпуском карты Sound Blaster Live! на аудиопроцессоре EMU 10 K, который поддерживал технологию EAX, устанавливает новый стандарт для IBM PC, который остаётся (в усовершенствованном виде) актуален и по сей день.

Часто термин применяется при описании спектральной мощности потоков электромагнитного излучения или других колебаний в сплошной среде, например, акустических. В этом случае подразумевается мощность на единицу частоты на единицу площади, например: Вт/Гц/м 2.

В природе и технике «чисто» белый шум (то есть белый шум, имеющий одинаковую спектральную мощность на всех частотах) не встречается (ввиду того, что такой сигнал имел бы бесконечную мощность), однако под категорию белых шумов попадают любые шумы, спектральная плотность которых одинакова (или слабо отличается) в рассматриваемом диапазоне частот.

Звуковой сигнал с микрофона или плеера подается на один из входов звуковой карты. Это аналоговый сигнал. Он поступает на входной микшер, который служит для смешивания сигналов, если их поступает на вход несколько. Затем сигнал с входного микшера поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с помощью которого происходит оцифровка аналогового сигнала, т. е. преобразование его в дискретный двоичный сигнал.

Потом цифровые данные поступают на процессор (DSP Digital Signal Processor). Этот процессор управляет обменом данными с компьютером через шину PCI материнской платы.

Когда центральный процессор компьютера выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают через шину PCI либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера. Присвоив этим данным имя, мы получим звуковой файл.

При воспроизведении этого звукового файла данные с жесткого диска через шину PCI поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро- аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует двоичный сигнал в аналоговый. Электрический сигнал, получившийся в результате преобразования, поступает на выходной микшер. Этот микшер идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы.

Сигнал с выходного микшера поступает на линейный выход звуковой карты и выход на звуковые колонки, подключив к которому колонки или наушники мы слышим звук. На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть встроенный синтезатор устройство, которое синтезирует звуки заданных частот и тембров. Он используется также для управления работой электромузыкальных инструментов на основе стандарта MIDI (например синтезатор).

MIDI стандарт(stands) для Цифрового Интерфейса Музыкальных Инструментов (Musical Instrument Digital Interface), это стандартный протокол оборудования и программного обеспечения для возможности соединения (обмена информацией) музыкальных инструментов друг с другом. События посылаемые сквозь шину MIDI могут также сохранятся в MIDI файлах для последующего редактирования и проигрывания.

Чтобы использовать его в качестве музыкального инструмента к MIDI-порту подключают MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры.

Таким образом, основные выполняемые функции звуковой карты состоят в следующем: преобразовывать звуковые сигналы ( аналоговые сигналы), поступающие с микрофона, магнитофона и других внешних аудиоустройств в цифровую форму, что необходимо для дальнейшей обработки в компьютере;

преобразовывать цифровые сигналы, сформированные в компьютере, в аналоговые сигналы, пригодные для воспроизведения в акустических системах;

подвергать сигналы обработке: выделять или подавлять в сигнале те или иные частоты, создавать эффекты гулкого помещения, многократного эха (реверберация), размножения источников звука (хорус) и другие;