Принципы работы и характеристики современных плат обработки звука

     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.