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.