Karty foniczne i wizyjne

Transkrypt

1 Historia y Karty foniczne i wizyjne wykład z przedmiotu: Technika rejestracji sygnałów opracowanie na podstawie materiałów wykładowych autorstwa mgr inż. Andrzeja Ciarkowskiego mgr inż. Adam Kurowski, Katedra Systemów Multimedialnych 8 listopada 2016

2 Historia y Przetwarzanie multimediów często wiąże się z znaczącymi wymaganiami dotyczącymi mocy obliczeniowej. Z tego względu w architekturze systemów komputerowych przewiduje się specjalne sprzętowe akceleratory wspomagające rejestrację, generowanie i przetwarzanie strumieni multimediów takich jak dźwięk, czy obraz.

3 Historia IBM PC (1981) - Beeper Historia y Głośniczek oryginalnie montowany w komputerach PC - beeper, buzzer Często przetwornik piezoelektryczny Sterowany falą prostokątną o zadanej częstotliwości Najlepszy sposób na podniesienie jakości dźwięku to odciąć kabelki Do generowania dźwięku i tworzenia muzyki używano przede wszystkim Atari ST, Amigi albo MAC-ów Programowanie beepera wyższa magia (PWM, filtr dolnoprzepustowy)

4 Covox Speech Thing (1986) Historia y

5 Covox Speech Thing (1986) Historia y Prosty przetwornik 8-bitowy podłączany do portu drukarki Drabinka rezystorowa + prosty filtr LP Szybkość próbkowania zależna tylko od wydajności komputera Niska cena, jakość przyzwoita

6 Prosty przetwornik DAC Historia y V o R f R g _ + MSB 2R R R R R 2R 2R 2R 2R LSB 2R 2R C f + V cc _ S n-1 S n-2 S n-3 S n-4 S n-5 MSB LSB n = 5

7 AdLib (1987) Historia y

8 AdLib (1987) Historia y Prosta a oferująca syntezę FM, zastosowanie do generowania muzyki Układ OPL2 Yamahy, powszechnie stosowany w najtańszych keybordach Synteza do 9 głosów Brak możliwości odtwarzania dźwięku digitalizowanego (audio)

9 Creative C/MS Game Blaster (1987) Historia y

10 Creative C/MS Game Blaster (1987) Historia y Na scenie pojawia się Creative Labs 8-bitowe przetworniki ADC i DAC 12-głosowa synteza FM Zaporowa cena: 400$ (C/MS) Game Blaster a zrób to to sam

11 Roland LAPC-1 Historia y

12 Roland LAPC-1 Historia y Karta MIDI (bez możliwości audio) 32-głosowa synteza wavetable Standardowy moduł syntezatorowy Roland MT-32 Interfejs szeregowy MPU-401 stał się standardem do interfejsu MIDI na wiele lat Karta adresowana dla muzyków Wysoka cena (około 500$)

13 TurtleBeach MultiSound 16 (1990) Historia y Pierwsza 16-bitowa a dźwiękowa dla PC DSP Motorola (20MIPS) 18-bit DAC i ADC (sigma-delta 128x oversampling) Syntetyzator wavetable Protheus XR/1 SNR>89 db (A) Karta powszechnie wykorzystywana w rozgłośniach radiowych i studiach

14 Sound Blaster Pro (1991) Historia y

15 Sound Blaster Pro (1991) Historia y Wciąż próbkowanie 8-bitowe Nagrywanie i odtwarzanie stereo 2 syntezatory OPL2 (kompatybilność z ADLib) Programowa kontrola głośności (mikser) gameport Karta skierowana do masowego odbiorcy

16 Gravis Ultrasound (1991) Historia y

17 Gravis Ultrasound (1991) Historia y Pierwsza a z synteza wavetable dla masowego odbiorcy Audio z jakością CD Możliwość ładowania własnych brzmień do pamięci próbek Brak kompatybilności z Sound Blasterem Stosunkowo niska cena (a adresowana dla muzykówamatorów, szczególnie upodobana na tzw. demo-scenie)

18 Sound Blaster 16 (1992) Historia y

19 Sound Blaster 16 (1992) Historia y Pierwsza 16-bitowa a Creativa Audio jakości CD (ale tylko przy odtwarzaniu) Brak trybu full duplex Zastosowano 12-bitowe przetworniki ADC Możliwość podłączenia modułu wavetable Wave Blaster Brak kompatybilności z SB Pro

20 AD 1848 (1994) Historia y Pierwszy masowo produkowany kodek dla Zaadaptowany przez Microsoft jako Windows Sound System Jakość dźwięku rożna w zależności od producenta y, ale z reguły lepsza od SB16 Sprzętowa obsługa kompresji A-law, u-law i ADPCM Podstawa specyfikacji MPC-2 Wykorzystywany również w wielu ach PCI

21 Budowa y Historia Sample Memory y Synthesizer CODEC Bus MIDI BUS Interface DSP Effects 3D HW Mixing ADC DAC MIXER Analog Outs Analog Ins AC3 DTS Digital Outs S/PDIF Digital Ins MIDI Game Interface Port

22 CODEC Historia y COder/DECoder Układ zawierający przetworniki ADC i DAC Standardem dla współczesnych są przetworniki bit typu sigma delta Dodatkowe układy typu koder AC3, DTS Często zintegrowany ze wzmacniaczami sekcji analogowej, kontrolerem szyny i mikserem

23 Przetworniki ADC i DAC Historia y W ach profesjonalnych często umieszczane w zewnętrznym module aby ograniczyć interferencje Oprócz rozdzielczości bitowej istotna jest liniowość przetworników Przetworniki ze względu na analogowo-cyfrową strukturę wymagają specjalnej uwagi podczas projektowania płytki PCB Jakość przetworników i ich umieszczenie w decydujący sposób wpływają na SNR y

24 Mikser Historia y Zestaw potencjometrów analogowych z cyfrowym sterowaniem Typowo 127 lub 255 poziomów + Mute Służy do sumowania sygnałów z rożnych kanałów (i kontroli balansu) Typowo sterowanie poprzez interfejs I2C albo SPI Analogowy mikser tylko w najtańszych ach

25 Syntezator Historia y Układ zamieniający kody MIDI na audio W tej chwili rzadko stosowany Kiedyś przede wszystkim synteza FM Obecnie y oferują sampling Często funkcję syntezatora pełni procesor DSP wykorzystywany również do efektów i 3D Szyna PCI umożliwiła wykorzystanie pamięci RAM komputera jako pamięci próbek (SB Live, Audigy) Również synteza falowodowa (np. SB AWE64)

26 DSP Historia y Odciąża CPU komputera Stosowany w bardziej zaawansowanych ach do implementacji efektów typu reverb, chorus, itp. Sprzętowe miksowanie kanałów audio Pozycjonowanie dźwięku w przestrzeni 3D Interpolacja dźwięku Obwiednia ADSR i pitch shifting w syntezatorach Echo-cancellation w zastosowaniach VoIP Kompresja/dekompresja dźwięku

27 Cyfrowa transmisja audio Historia y Format I2S: rozszerzenie interfejsu I2C do transmisji dźwięku Jednokierunkowa magistrala szeregowa 3 linie (fizycznie) transmisyjne (zegar, wybór kanału, dane) Rozmiar słowa danych do 32 bitów Dowolna częstotliwość próbkowania Stosowany w profesjonalnych urządzeniach (np. do łączenia CODECów z DSP)

28 Cyfrowa transmisja danych Historia y Interfejs AC-link (AC97) 2-kierunkowa magistrala szeregowa Przesył zarówno danych jak i słów sterujących Słowo danych ograniczone do 20 bitów Częstotliwość próbkowania max 48 khz (wg. najnowszej specyfikacji 2.3 również 96 khz) Możliwość połączenia do 4 kodeków stereo z 1 kontrolerem magistrali Sztywna specyfikacja ogranicza elastyczność Stosowany w tanich ach (głównie zintegrowanych)

29 Karty ogólnego zastosowania Historia y Kodek AC97 Standard opracowany przez Intela w 1997 r. Interfejs AC-link Najwyższa konfiguracja głośników 5.1, max. pasmo 11.5 Mb/s Powszechnie stosowany w ach na płytach głównych Układy AC97 różnych producentów są (powinny być) zgodne programowo Synteza MIDI tylko programowo

30 Karty do gier/kino domowe Historia y Obsługa standardu DVD-Audio (format 24/96) Obsługa standardów 5.1, 6.1, 7.1 i pozycjonowania dźwięku w przestrzeni 3D Zaawansowane efekty dźwiękowe, sprzętowe miksowanie Wyposażone w procesor DSP

31 Zaawansowane y dźwiękowe Historia y Intel High Definition audio Następca AC97 32 bity/ 192 khz Konfiguracja 7.1 i więcej Obsługa formatów Dolby Digital Surround EX i DTS ES Przepustowość do 72 Mb/s Sprzętowa obsługa beamformingu Możliwość łączenia wielu urządzeń w celu zwiększenia możliwości

32 Dźwięk przestrzenny Historia y Standardy EAX 1.0 EAX ADVANCED HD 4.0 (Creative SB Live!/Audigy) Aureal A3D (technologia stosowana w symulatorach NASA) QSound3D VIA Vinyl Audio (Procesor Envy24) OpenAL standard analogiczny do OpenGL, oparty przede wszystkim na EAX (m. in. efekty 3D w Javie)

33 Karty studyjne Historia y Format 24/96 próbkowanie 96 khz, rozdzielczość 24 bity standard dla profesjonalnych nagrań studyjnych Wiele kanałów wejściowych i wyjściowych Direct monitoring odsłuch wejścia bez opóźnień Bit accurate brak dodatkowych efektów, korektorów, tłumików itp. w torze audio Karty MIDI specjalizowane interfejsy pozwalające tworzyć sieć MIDI w studio ASIO standard sterowników studyjnych oferujący minimalne opóźnienia (Steinberg)

34 RME HDSP 9632 Historia y

35 RME HDSP 9632 Historia y 192 khz/24 bit SNR > 110 db opcjonalna możliwość rozszerzenia o 4 symetryczne wejścia i wyjścia złącze ADAT SPDIF (do 96 khz), do 16 kanałów równocześnie wejście i wyjście MIDI

36 Karty dźwiękowe USB Historia y Klasa urządzeń USB Audio eliminuje konieczność tworzenia sterowników dla urządzeń USB Speakers a dźwiękowa zintegrowana z głośnikami Układy USB ASIC kodek zintegrowany zn kontrolerem USB w 1 chipie USB Streaming Controller układ kontrolera pozwalający tworzyć rozbudowane konstrukcje w tym z DSP Standard USB 2.0 umożliwił tworzenie wielokanałowych interfejsów studyjnych

37 EDIROL UA-101 Historia y

38 EDIROL UA-101 Historia y

39 EDIROL UA-101 Historia y szybkość próbkowania do 192 khz (przy najwyższej: tylko 6 wejść/wyjść jest dostępnych) 10 wejść i wyjść analogowych wejście i wyjście SPDIF preamp mikrofonowy, zasilanie Phantom +48 V, 2 wejścia symetryczne limiter wejście i wyjście MIDI wyjście słuchawkowe z regulacją głośności możliwość sterowania mikserem z poziomu aplikacji na komputerze

40 Karty graficzne Historia y Cel stosowania graficznych jest analogiczny, jak dla audio wspomóc przetwarzanie i konwersję danych wizyjnych. Ze względu na charakter przetwarzanych sygnałów, jej budowa jest nieco bardziej skomplikowana, niż konstrukcje audio.

41 Bloki funkcjonalne y graficznej Historia y CPU magistralaowe/wy GPU BIOS RAM RAMDAC wyjściaocyfrowe wyjściaoanalogowe

42 Bloki funkcjonalne y graficznej Historia y Procesor GPU główna jednostka obliczeniowa, pozwala odciążyć CPU komputera. Wykonuje obliczenia grafiki 2D/3D (przeliczenia współrzędnych, skalowanie, uruchamianie shaderów, teksturowanie, efekty, itp.) Pamięć RAM na niej operuje GPU, przechowuje przetwarzane dane graficzne, jej wielkość determinuje liczbę wyświetlanych kolorów, czy jakość tekstur Konwerter RAMDAC dokonuje konwersji sygnału cyfrowego na sygnał analogowy

43 Bloki funkcjonalne y graficznej Historia y Magistrala wejścia/wyjścia komunikacja z CPU i systemową pamięcią RAM (szyny PCI, PCI Express, AGP, itd.) BIOS umożliwia działanie y przed załadowaniem systemu operacyjnego

44 Historia y Dziękuję za uwagę!