Принципы работы и характеристики современных плат обработки звука

       Каждый  подпроцессор имеет архитектуру 2xSIMD. 2x происходит от того, что обычно подпроцессор оперирует с двумя потоками данных — стерео данные, комплексные числа. Используется тип данных как с плавающей точкой, так и с фиксированной. Набор инструкций состоит из 235 кодов операций, и около 60 специализированных команд, часто встречающихся в алгоритмах частотной обработки звука, например, комплексное умножение данных из двух потоков, десятичный логарифм, экспонента. Внутренняя частота процессора 400 МГц.

       По заявлению производителя новый процессор Xtreme Fidelity имеет более 51 миллиона транзисторов и производительность более 10000 MIPS (миллионов инструкций в секунду). Он также в 24 раза более мощный, чем предшественник.

2.6 Виды встроенных  синтезаторов и  принципы их работы

       На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть синтезатор. Последнее время практически на всех картах устанавливается не один, а два синтезатора: FM (Frequency    Modulation - частотная модуляция) и WT (Wave Table - таблица волн).

       В FM-синтезаторах них используется принцип синтеза нескольких генеpатоpов сигнала (обычно синусоидального) со взаимной модуляцией. Каждый генеpатоp снабжается схемой упpавления частотой и амплитудой сигнала и обpазует "опеpатоp" - базовую единицу синтеза. Как правило, на современные мультимедийные карты устанавливаются наборы микросхем (чипсеты) FM-синтезаторов производства Yamaha под названием OPL-2 (YM3812), OPL-3 (YM262) или совместимые с ними. (Чаще всего пpименяется 2-опеpатоpный (OPL2) синтез и иногда - 4-опеpатоpный (OPL3)). Схема соединения опеpатоpов и паpаметpы каждого опеpатоpа (частота, амплитуда и закон их изменения во вpемени) опpеделяет тембp звучания. Количество опеpатоpов и степень тонкости упpавления ими опpеделяет пpедельное количество синтезиpуемых тембpов.  В музыкальных приложениях такие синтезаторы не применяются, так как их основными недостатками являются - очень малое количество "благозвучных" тембpов во всем возможном диапазоне звучаний, отсутствие какого-либо алгоpитма для их поиска, кpайне гpубая имитация звучания pеальных инстpументов, сложность pеализации тонкого упpавления опеpатоpами, из-за чего в звуковых каpтах используется сильно упpощенная схема со значительно меньшим диапазоном возможных звучаний.

     Мультимедийные  Wave Table синтезаторы (GF1, WaveFront, EMU8000 и т.п.), позволяют получить уже более приличный звук. Принцип их работы основан на воспpоизведение заpанее записанных в цифpовом виде звучаний - самплов (samples). Инстpументы с малой длительностью звучания обычно записываются полностью, а для остальных может записываться лишь начало/конец звука и небольшая "сpедняя" часть, котоpая затем пpоигpывается в цикле в течение нужного вpемени. Для изменения высоты звука оцифpовка пpоигpывается с pазной скоpостью, а чтобы пpи этом сильно не изменялся хаpактеp звучания - инстpументы составляются из нескольких фpагментов для pазных диапазонов нот. В сложных синтезатоpах используется паpаллельное пpоигpывание нескольких самплов на одну ноту и дополнительная обpаботка звука (модуляция, фильтpование, pазличные "оживляющие" эффекты и т.п.). Большинство плат содеpжит встpоенный набоp инстpументов в ПЗУ, некотоpые платы позволяют дополнительно загpужать собственные инстpументы в ОЗУ.

       На  рис.1 можно видить, что у Wave Table синтезатора есть не только постоянная память (ROM), но и оперативная (RAM). Оперативной памятью обладают семплеры, и используется она для загрузки любых звуковых файлов, которые проигрываются с разной высотой при нажатии клавиш на подключенной клавиатуре или поступлении команд от секвенсера. То есть Wave Table синтезатор, имеющий оперативную память помимо постоянной - это ни что иное, как комбинация синтезатора и семплера, которая может выполнять функции обоих устройств. Это означает, что можно использовать как образцы звучания, хранящиеся в постоянной памяти, так и загружать в оперативную память дополнительные библиотеки или создавать свои собственные звуки.

       В отличие от предыдущих карт, набортная память звуковой платы SoundBlaster X-Fi используется не для MIDI-семплов, а для хранения или кэширования звуков во время работы игровых приложений. Существует проблема с дефицитом оперативной памяти, так что разработчики либо снижают разрядность семплов до 8 бит 11 кГц, что на порядок ухудшает качество, либо сжимают в форматы с потерями, MP3 или OGG, что ведёт к загрузке процессора при распаковке на этапе проигрывания сэмпла.

       Таким образом, введение набортной памяти на звуковой плате позволяет: сэкономить основную память, ускорить доступ к  памяти, устранить необходимость  в декомпрессии в реальном времени, устранить потерю качества сэмплов, увеличить производительность графической  части и величину FPS.

       Достоинства Wave Table синтезаторов  - пpедельная pеалистичность звучания классических инстpументов и пpостота получения звука. Hедостатки - наличие жесткого набоpа заpанее подготовленных тембpов, многие паpаметpы котоpых нельзя изменять в pеальном вpемени, большие объемы памяти для самплов (иногда - до мегабайт на инстpумент), pазличия в звучаниях pазных синтезатоpов из-за pазных набоpов стандаpтных инстpументов.

       Пpи  использовании в музыке звучаний pеальных инстpументов для синтеза лучше всего подходит метод WT; для создания же новых тембpов более удобен FM, хотя возможности FM-синтезатоpов звуковых каpт сильно огpаничены.

       Чтобы синтезаторы, установленные на звуковой карте, можно было использовать в качестве музыкальных инструментов, к MIDI/джойстик порту (Блок MPU) подключают либо MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры. Сигналы, поступающие с клавиатуры, подаются в процессор, который направляет их либо через системную шину к центральному процессору, либо к синтезаторам звуковой карты. Путь MIDI-сигнала зависит от выполняющихся программ - в любом развитом программном секвенсоре можно коммутировать MIDI порты и устройства произвольным образом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3.0 Характеристики звуковых плат

       При выборе звуковой карты главное – определить, для чего предназначается данное устройство. Если пользователь предпочитает использовать её для качественной озвучки компьютерных игр, то, в первую очередь, он должен обращать внимание на наличие систем аудиопозиционирования и вычислительную мощность платы. Если же ему необходимо максимально качественное звучание для прослушивания музыки, в первую очередь следует обратить внимание на качество ЦАП и АЦП, их основные характеристики. Также для пользователя важна совместимость устройства с его персональным компьютером: поддержка PCI шины, наличие необходимых линий IRQ и каналов DMA. Два последних параметра дают возможность определить гибкость конфигурации звуковой карты. Если карта поддерживает необходимые линии IRQ, это значит, что такая карта может быть установлена без проблем на компьютер, в который уже включены модем, сетевой адаптер и т.п. То же самое относится и к каналам DМА.

       Если  звуковая плата нужна пользователю для создания или редактирования музыки, важными параметрами становятся наличие MIDI входа, а также наличие и возможности встроенного синтезатора.

       Не  смотря на многообразие требований, предъявляемых  данным устройствам, существует несколько параметров звуковых плат по которым можно сделать однозначные выводы о её качестве и возможностях.

3.1 Отношение сигнал/шум

       Отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума. Вычисляется также как отношение квадратов среднеквадратичных значений амплитуды сигнала и шума. Чем больше значение этого параметра, тем меньше шум влияет на характеристики системы. Обычно данное отношение выражается в децибелах.

       В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Рассмотренная выше звуковая плата SoundBlaster X-Fi имеет отношение сигнал/шум равное 109 дБ, что не сильно отличается от значения этого параметра выпущенной годом раньше карты SoundBlaster Live! 24bit, равного 100дБ. Основными причинами низкого значения данного параметра являются тепловой шум в компонентах устройства, низкая разрядность АЦП/ЦАП, резонансные явления, рассогласованные линии передачи сигнала.

3.2 Суммарный коэффициент гармоник

       Данный  параметр также измеряется в децибелах. Он представляет собой меру гармонических  искажений, получаемую отношением мощности всех гармоник имеющихся на выходе системы, которые происходят из нелинейности, в то время, когда частотный синусоидальный сигнал определенной мощности поступает на вход системы передачи, к мощности основной частоты, получаемой на выходе системы. Другими словами это мера того, как точно воспроизводится звук.

       Суммарный коэффициент гармоник (СКГ) имеет место как в самой звуковой карте, так и в акустике. В общих чертах, это отношение искажения сигнала на входе, которое определяется на выходе прибора. К акустике это значение более применимо, чем к самой карте. Колонки имеют больший эффект, из-за внешних факторов, таких как корпус колонок и материал из которого они сделаны. Звуковая плата менее подвержена этому значению, так как является цифровым устройством и, по сути, мало подвержена внешним колебаниям. Если колонки не могут точно воспроизвести звук, получается искажение. С другой стороны, так же, если звуковая карта не может правильно обработать сигнал, тоже возникает искажение. Что же касается СКГ, то здесь чем ниже показатель, чем лучше. В звуковой плате Creative SoundBlaster X-Fi THD равен -136 дБ, в то время как в более ранней звуковой карте SoundBlaster Live! 24bit он равен -90 дБ.

3.3 Максимальная частота сэмплирования

       Частота сэмплирования, или частота семплирования — частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации. Данная характеристика зависит в первую очередь от возможностей аналого-цифрового и цифро-аналоговых преобразователей и является самым важным критерием качества звуковой платы. Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Чем выше частота сэмплинга, тем более натурально звучание карты. Отметим, что некоторые карты имеют различные частоты сэмплинга при воспроизведении и записи звука: обычно это 44.1 кГц при воспроизведении стереосигналов и 22.05 кГц при записи. Более ранние звуковые платы а также звуковые карты плохого качества используют частоту дискретизации при воспроизведении 22.05 Гц.

       Опорная частота сэмплирования звуковой карты SoundBlaster X-Fi – 48 кГц. Так как чаще всего используется частота дискретизации равная 44.1 кГц, в данной плате был установлен рассмотренный выше блок SRC, преобразователь частоты семплирования, конвертирующий 44.1 кГц в 48 кГц и обратно. Для обработки сигналов повышенного разрешения, например, 192 кГц, используется технология Quadrature Mirror Filter — разбиение сигнала на 4 частотные полосы по 48 кГц, которые обрабатываются раздельно, а результаты складываются. Таким образом, при обработке 192 кГц возрастает скорость вычисления, по сравнению с обычными методами. Начиная с Audigy2, разработчики ввели в чип блок P16V, позволяющий картам напрямую проигрывать частоты 96 и 192 кГц для воспроизведения DVD-Audio.

Глава 5.0. Интерфейсы прикладного программирования и технологии аудиопозиционирования

       Для того, чтобы звук в современных 3D-играх был реалистичным и соответствовал тому, что геймер видит на экране, нужно реализовать две составляющие: во-первых, правильно спозиционировать его в виртуальном трехмерном пространстве; во-вторых, исказить звук таким образом, чтобы казалось, что персонаж или объект, издающий звук, действительно находится в том месте, где он отображён на экране. Например, если человек идет по длинному пустому коридору, то он будет слышать эхо своих шагов, или если он поёт в ванной – то к голосу примешается характерная акустика и металлический звон. Первую задачу решают программные интерфейс DirectSound3D, который входит в состав Microsoft DirectX, и открытый OpenAL. Именно они реализует базовые алгоритмы, благодаря которым нам кажется, что источник звука находится именно там, где ему и положено быть в игровом пространстве. За звуковое "вписывание" в игровую среду источников звука отвечает технология Creative EAX и технология Aureal A3D, в итоге приобретённая компанией Creative.

4.1. DirectSound 3D и OpenAL.

       Интерфейс DirectSound был разработан в середине 1990-х в дополнение к стандартному звуковому интерфейсу MME, главным образом для воспроизведения звуков в играх и других приложениях реального времени. Впоследствии к нему были добавлены интерфейсы DirectSoundCapture, предназначенный для записи звука, иDirectSound3D, позволяющий работать с пространственными звуками.

       DirectSound3D — расширение базовой подсистемы DirectSound, предназначенное для создания объемной звуковой картины из отдельных источников звука. В отличие от «плоского» стереофонического звука, который получается в DirectSound, расширение DirectSound3D моделирует процесс распространения звука в пространстве и его восприятие слушателем с учетом основных физических законов и параметров среды. В результате слушатель даже в обычных стереонаушниках может четко различать, приходит звук спереди или сзади, сверху или снизу, близко или далеко находится источник и т.п.

       В DirectSound3D применяется концепция виртуального пространства — единая с подсистемой Direct3D, отвечающей за построение объемных изображений, что позволяет использовать единые координаты для изображения и озвучивания объектов.