Spis treści. 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej UTK. Karty dźwiękowe. 1

Transkrypt

1 Spis treści 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej... 4 UTK. Karty dźwiękowe. 1

2 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Proces kodowania informacji analogowej, czyli ciągłej, jaką jest dźwięk wymaga realizacji kilku etapów: próbkowanie, polegające na cyklicznym sprawdzaniu wartości przebiegu analogowego i zwykle czasowym zapamiętaniu tej wartości, kwantyzacja, polegająca na podziale całego obszaru zmienności wielkości analogowej na określoną ilość podziałów i stwierdzeniu, w którym przedziale znajduje się dana próbka, kodowanie, polegające na przyporządkowaniu kaŝdemu przedziałowi zmienności wielkości analogowej określonej kombinacji zero-jedynkowej i podaniu kodu tego przedziału, w którym znajduje się nasza próbka. Interpretacja wyŝej przedstawionych operacji przedstawiona jest na rysunku 9.1. adres Pamięć Rysunek Przedstawienie przebiegu analogowego na cyfrowy Przedstawienie informacji analogowej w postaci dyskretnej jest jednak pewnym przybliŝeniem, co ilustruje rysunek 9.2. Gruba linia reprezentuje przebieg po zdigitalizowaniu (czyli przetworzeniu na wartości cyfrowe). Im więcej przedziałów, na które dzielimy przebieg analogowy, tym dokładniejsze jest jego odtworzenie. Zwiększenie ilości przedziałów wymaga jednak większej ilości słów kodowych potrzebnych do ich oznaczenia. Ilość kombinacji ciągów zero-jedynkowych zaleŝy od ich długości i wynosi 2 n. Dlatego teŝ dokładność przetwarzania związana jest z ilością bitów, których uŝywamy do zapisywania wyniku przetwarzania. Przykładowo uŝywając 8 bitów moŝemy ponumerować 256 przedziałów kwantowania. Przy uŝyciu 16 bitów przedziałów tych moŝemy uŝyć Rysunek 9.2. Ilustracja błędu digitalizacji Ilość bitów decyduje takŝe o waŝnym parametrze akustycznym zwanym dynamiką. Dynamika jest stosunkiem najsilniejszego sygnału do najsłabszego, jaki jest w stanie odtworzyć dane urządzenie akustyczne. Zwykle jest to jednocześnie stosunek maksymalnego UTK. Karty dźwiękowe. 2

3 sygnału do szumu. Dla dźwięku cyfrowego dynamika zaleŝy w sposób oczywisty od długości słowa zapisującego amplitudę dźwięku, bowiem stosunek maksymalnego sygnału do minimalnego to maksymalna wartość cyfrowa równa 2 n do 1-go bitu. Długość słowa 16- bitowego gwarantuje dynamikę 95 db, która jest osiągana jedynie przez bardzo dobre źródła sygnału akustycznego, na przykład przez odtwarzacze płyt CD. Innym istotnym parametrem przetwarzania przebiegu analogowego na cyfrowy jest częstotliwość, z jaką sprawdzamy jego wartość, czyli tak zwana częstotliwość próbkowania. Decyduje ona o tym jak szybkozmienny przebieg jesteśmy w stanie scyfryzować. Ilustruje to rysunek. Rysunek 9.3. Ilustracja znaczenia częstotliwości próbkowania Na rysunku widać, Ŝe próbkowanie przebiegów 1 i 2 da w przyblizeniu takie same wyniki, czyli Ŝe zostaną zapisane te same rezultaty, podczas gdy w rzeczywistości przebieg 2 ma częstotliwość czterokrotnie większą od przebiegu 1. Powodem jest zbyt mała częstotliwość sprawdzania przebiegu w drugim przypadku. W teorii sygnałów istnieje tak zwane twierdzenie o próbkowaniu, które mówi, Ŝe aby odtworzyć prawidłowo przebieg o częstotliwości f, musimy pobierać jego próbki z częstotliwością dwukrotnie większą, czyli 2f. W przypadku kart dźwiękowych konsekwencja jest następująca. PoniewaŜ chcemy odtwarzać częstotliwości akustyczne, maksymalna częstotliwość, która nas interesuje, wynosi 20 khz. Stąd częstotliwość próbkowania f p powinna wynosić: f p = 2 * 20 khz + niewielki zapas = 40 khz + 4kHz = 44 khz Tę częstotliwość znają posiadacze kart dźwiękowych, gdyŝ taka jest właśnie zwykle ich częstotliwość próbkowania. Teoria sygnałów pomaga teŝ w znalezieniu sposobów syntezy dźwięków. Mówi ona między innymi, Ŝe dowolny przebieg periodyczny moŝna zsyntezować z przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach będących całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości przebiegu syntetyzowanego. Sinusoidy te powinny mieć odpowiednio pobrane amplitudy i przesunięcia fazowe. Synteza z modulacją częstotliwości (synteza FM) Synteza ta polega na zastosowaniu jednego lub kilku generatorów o zmiennej częstotliwości, która dodatkowo moŝe być modulowana (zmieniana) drugim przebiegiem pochodzącym z drugiego generatora takŝe o zmiennej częstotliwości. Szczególnie interesujące wyniki osiąga się, gdy częstotliwość modulująca i częstotliwość podstawowa niewiele się róŝni. Na rysunku 9.4a przedstawiona jest fala sinusoidalna zmodulowana takŝe przebiegiem częstotliwości fali podstawowej. Na rysunku 9.4b róŝnica tych częstotliwości wynosi 2,3. Dodatkowym zabiegiem stosowanym przy syntezie dźwięków jest kształtowanie obwiedni przebiegów, zwanej od angielskich nazw poszczególnych jej fragmentów obwiednią ADSR (Attac - narost, Decay - spadek, Sustain - trwanie i Release - zanik). Obwiednie takie są charakterystyczne dla niektórych instrumentów, na przykład gitary. Zabieg ten pozwala na UTK. Karty dźwiękowe. 3

4 syntezę znacznie szerszego zestawu klas dźwięków. Kształtowanie obwiedni ADSR dla sygnału zmodulowanego częstotliwościowo pokazano na rysunku 9.4c. Synteza FM jest prostą i tanią metodą syntezy dźwięku, jednakŝe daje dźwięk, który brzmi nieco sztucznie. Rysunek 9.4. Synteza dźwięków metodą FM Synteza Wave Table Synteza Wave table uŝywa gotowych kształtów naturalnego dźwięku danego instrumentu. Dla jej potrzeby przechowywane są próbki dźwięków róŝnych instrumentów, zwane samplami (ang. sample - próbkować). Próbka taka moŝe być podawana obróbce. Zmieniając jej częstotliwość, zmieniamy wysokość dźwięku, a zmieniając amplitudę, zmieniamy głośność. 2. Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej Rysunek 9.5. Schemat blokowy karty dźwiękowej UTK. Karty dźwiękowe. 4

5 Karta zawiera dwa przetworniki: analogowo/cyfrowy (ADC) i cyfrowo/analogowy (DAC) wraz z filtrami dolnoprzepustowymi (FDP). Przetwornik ADC umoŝliwia wprowadzenie poprzez wejście mikrofonowe i wejście audio dźwięków i ich zapis w postaci cyfrowej, a przetwornik DAC umoŝliwia odtwarzanie dźwięków zapisanych cyfrowo. Układy mikserów pozwalają łączyć dźwięki z kilku źródeł. Źródłami wyprowadzanych dźwięków mogą być pliki lub jeden z bloków syntezy: FM albo Wave Table. Ponadto część kart posiada tak zwany interfejs MIDI pozwalający na współpracę z instrumentami równieŝ wyposaŝonymi w ten interfejs. Częstym elementem występującym na kartach dźwiękowych jest teŝ interfejs joysticka. Współczesne karty są kartami stereo, co oznacza, Ŝe posiadają układy obsługujące dwa kanały. W bardziej rozbudowanych kartach producenci oferują róŝnorodne moŝliwości rozbudowy uzyskiwanych efektów dźwiękowych (dźwięk 3D). UTK. Karty dźwiękowe. 5