2.2 Аналого-цифровое преобразование
ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый8.
Очень часто волну представляют в виде ступенек (приложение В), что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.
………………….
В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверхбыстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.
Рис. 8. Амплитуда сигнала импульсных ЦАП-ов
Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).
Например, последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.
Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультравысокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).
……………….
Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.
Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.
На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.
Перспективы развития и использования цифрового аудио видятся нам очень широкими. Казалось бы, все, что можно было сделать в этой области, уже сделано. Однако это не так. Остается масса еще совсем незатронутых проблем.
………………….
В области синтеза звука также есть пространство для изучения. Способов синтеза звука сегодня существует несколько, однако ни один из них не дает возможности синтезировать звук, который нельзя было бы отличить от настоящего. Если, скажем, звуки рояля или тромбона еще более-менее поддаются реализации, до правдоподобного звучания саксофона или электрогитары добиться еще так и не смогли – существует масса нюансов звучания, которые почти невозможно воссоздать искусственно.
Таким образом, можно смело сказать, что в области обработки, создания и синтеза звука и музыки еще очень далеко до того решающего слова, которое поставит точку на развитии этой отрасли человеческой деятельности.
Заключение
Итак, нами была выполнена выпускная квалификационная работа на тему «Анализ и оценка звуковых систем ПК». Работа состояла из двух глав.
В первой главе дипломной работы мы изучили теоретико-исторические аспекты появления и функционирования звуковых систем ПК.
Мы выяснили, что звуковая система ПК в виде звуковой карты появилась в 1989 г., существенно расширив возможности ПК как технического средства информатизации. Звуковая система ПК — это комплекс программно-аппаратных средств, выполняющих следующие функции: 1) запись звуковых сигналов; 2) воспроизведение записанных звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников); 3) воспроизведение звуковых компакт-дисков; 4) микширование (смешивание) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников и пр.
Звуковая система ПК конструктивно представляет собой звуковые карты, либо устанавливаемые в слот материнской платы, либо интегрированные на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы ПК. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты.
Звуковая плата - это плата, которая позволяет работать со звуком на компьютере Большая часть звуковых карт имеют определенное ограниченное количество для разъемов. Как правило, среди разъемов можно обнаружить подключения для динамиков, микрофона, линейные выходы. Для улучшения работы звуковой карты разработано специальное программное обеспечение. Благодаря драйверам, звуковая карта получает возможность взаимодействовать с операционной системой компьютера.
Мы рассмотрели понятие и виды звуковых аудиоформатов. Цифровой аудиоформат — формат представления звуковых данных, используемый при цифровой звукозаписи, а также для дальнейшего хранения записанного материала на компьютере и других электронных носителях информации, так называемых звуковых носителях»
Мы выяснили, что существуют два «базовых» формата кодирования многоканального звука DTS и Dolby Digital. Почти все современные медиаплееры легко справляются с этими форматами и могут их вывести как без обработки (pass-through, RAW), так преобразовать в двухканальный звук. Такое преобразование многоканального звука в двухканальный принято называть downmix to stereo и оно может понадобиться, если мы подключаем медиаплеер напрямую к телевизору. При таком преобразовании через цифровые выходы передается LPCM-сигнал, который без труда поймет любой современный телевизор, имеющий цифровые входы, а на линейные выходы (чаще всего на RCA разъемах) медаиплеера будет выведен аналоговый сигнал. Такой алгоритм работы существует в большинстве медиаплееров, но в некоторых медиаплеерах он может отличаться. Все остальные форматы, а именно Dolby Digtal Plus, Dolby Digital EX, DTS ES, DTS 96/24, DD TrueHD, DTS-HD MA и DTS-HD HRA можно условно назвать «составными», так как они имеют ядро в виде базового формата и улучшающие качество надстройки. Чтобы звук таких «составных» форматов был слышен через телевизор при прямом подключении к нему медиаплеера, необходимо, чтобы плеер имел поддержку таких форматов и функцию downmix to stereo для этих форматов. При наличии AV-ресивера или другого внешнего декодера все зависит от поддержки форматов этим устройством и степени поддержи того или иного формата медиаплеером.
Были также рассмотрены критерии оценки качества звукового адаптера. На сегодняшний день, для оценки качества звукового адаптера используется три параметра: 1) диапазон частот; 2) коэффициент нелинейных искажений; 3) отношение сигнал/шум.
Во второй главе были проанализированы звуковые системы ПК и перспективы их существования в мире.
Мы рассмотрели аналоговый и цифровой типы аудиозаписи. Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.
У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.
Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).
Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.
Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.
Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.
К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.
Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, чтобы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.
Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.
На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.
Были также рассмотрены процессы преобразования звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот.
Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он проходит через звуковой тракт и попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, которое переводит сигнал в цифровую форму.
В упрощенном виде принцип работы АЦП заключается в следующем: он измеряет через определенные промежутки времени амплитуду сигнала и передает дальше, уже по цифровому тракту, последовательность чисел, несущих информацию об изменениях амплитуды.
Во время аналого-цифрового преобразования никакого физического преобразования не происходит. С электрического сигнала снимается отпечаток, являющийся цифровой моделью колебаний напряжения в аудиотракте. Цифровой сигнал по своей природе дискретен – т. е. прерывист, поэтому цифровая модель не совсем точно соответствует форме аналогового сигнала.
Семпл - это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала. Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получены путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке его называют дискредитацией.
Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды.
Таким образом, мы решили поставленные в начала работы задачи, а значит и поставленная цель ВКР – достигнута.
|
