Организация ЭВМ и систем. Устройства мультимедиа (стр. 3 )

На диске DVD-Audio также может содержаться несколько звуковых дорожек.

DVD-Audio может иметь аудиоданные с более высокой частотой дискретизации – 176,4 или 192 кГц c разрешением 24 бита, но тогда на диске может быть не более двух звуковых каналов (форматы PCM, DTS).

3. DVD-Data – может содержать любые данные, которые соответствуют используемой файловой системе и "не пересекаются" с первыми двумя форматами.

4. Cмешанный тип – в этом случае на одном диске может быть размещена аудио-, видеоинформация и данные пользователя.

2.2.4. Информационная защита дисков. Благодаря возможности DVD создавать качественные цифровые копии фильмов, кинокомпании подготовили комплекс мер по защите авторских прав. Основная их часть – это кодирование (шифрование) видеоданных, размещаемых на DVD, которые должны расшифровываться перед выводом изображения на экран, что приводит к увеличению нагрузки на процессор для выполнения операции по дешифрованию.

Наибольшее распространение получил такой способ защиты, как запись DVD-диска для специальной зоны. Весь мир поделили на 6 зон, и если используется проигрыватель для первой зоны, то невозможно будет посмотреть на нем фильм, записанный для второй зоны. Список зон:

1. Северная Америка.

2. Япония, Европа, Средний Восток, Южная Африка.

3. Юго-Восточная Азия (включая Гон-Конг).

4. Австралия, Новая Зеландия, Центральная и Южная Америка.

5. Северо-западная Азия (Россия), Северная Африка.

6. Китай.

Однако производители аппаратуры выпускают "мультизонные" устройства, которые могут многократно изменять "свою" зону (определенное количество раз или бесконечное) и поддерживать воспроизведение DVD-диска из "другой" зоны.

2.2.5. Запись информации на DVD-диски. Так же, как и для CD-дисков существуют однократно (DVD-R, DVD+R) и многократно (DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW) записываемые DVD - диски. Принципы организации таких дисков схожи с соответствующими типами КД, однако есть и особенности реализации:

1. DVD-RAM – перезаписываемый DVD-диск, предложенный организацией «DVD Forum» в 1998 году. Для перезаписи используется технология изменения фазы (phase change technology) (как в жестких дисках), благодаря чему диски имеют повышенное количество циклов перезаписи – до раз. Необходимость "увеличения" ресурса за счет уменьшения воздействия внешней среды на поверхность дисков (царапины и т. п.) привела к выпуску дисков в защищенных картриджах, что потребовало использования специальных устройств считывания/записи, которые также обеспечивали считывание типовых CD и DVD-дисков. Емкость первых таких дисков составляла 2,6 Гбайт (односторонний диск, 1998 год) и 4,7 Гбайт (односторонний диск, 1999 год).

2. DVD-R, DVD-RW – спецификации также были разработаны организацией «DVD Forum» и касаются в основном способа записи информации. Количество циклов перезаписи – до 1000 раз.

Для записи DVD привод обычно получает от диска три типа данных:

а) данные для трекинга (отслеживания дорожек), которые позволяют приводу записывать питы точно на дорожку;

б) данные адресации, которые позволяют приводу записывать информацию в отведенные места на диске;

в) данные о скорости вращения диска.

В DVD-R/RW-дисках информация трекинга и скорости заключена в «дрожании» (wobble) дорожек, а адресация и другая служебная информация содержится в предзаписанных питах между канавками (land pre-pits, LPP) (рис. 25).

Рис. 25. Запись на DVD-R/RW-диски

Наличие LPP определяют по скачкам амплитуды специального сигнала «дрожания». Указанные скачки происходят при нахождении головки рядом с предзаписанным питом. Частота дрожания (wobble frequency) для DVD-R/W-дисков составляет 140,6 кГц.

3. DVD+R, DVD+RW – разработаны организацией «DVD-RW Alliance», в которую вошли несколько известных компаний (например «Sony», «Philips» и другие). Спецификации указанных дисков появились в 2001 (RW) и 2002 (R) годах. Количество циклов перезаписи – до 1000 раз.

В дисках DVD+R/RW используется более высокая частота дрожания – 817,4 кГц, а служебная информация содержится в изменении фазы сигнала дрожания, т. е. хранится в самой дорожке (рис. 26). Такой метод записи служебной информации называется «адресация в преднанесенных канавках» (ADress In Pre-groove, ADIP).

Рис. 26. Запись на DVD+R/RW-диски

Таким образом запись на диск может осуществляться с более высокой скоростью и в целом качество записи будет также выше по сравнению с записью на DVD-R/RW диски.

Сами форматы "DVD-R/RW" и "DVD+R/RW" между собой не совместимы, однако возможно считывание информации с них на современных оптических устройствах.

Если говорить о применении, то первоначально DVD-R/RW ориентировались на использование в бытовых устройствах, т. к. читались большинством подобных устройств, а DVD+R/RW – на рынок персональных компьютеров, т. к. стандарт появился позднее и старые DVD-устройства не могли считывать информацию, записанную на подобных носителях.

Практически все современные устройства работы с DVD, осуществляющие запись DVD-дисков, поддерживают все форматы дисков – DVD-R/RW и DVD+R/RW.

2.3. Стандарты HD DVD и Blu-ray

Очередной виток развития киноиндустрии в попытке предложить пользователю видео максимального качества заставил искать способы увеличения емкости оптических носителей информации. В итоге два консорциума предложили 2 стандарта дисков нового поколения для хранения больших объемов информации.

2.3.1. HD DVD (High-Definition/Density DVD) – DVD высокой четкости/емкости – технология записи оптических дисков, разработанная компаниями «Toshiba», «NEC», «Sanyo» в 2006 году.

В основу HD DVD легли диски типовых размеров (80 и 120 мм в диаметре) и сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм (рис. 27).

Рис. 27. Структура диска HD DVD

Использование такого лазера позволило еще больше "уплотнить" размещение питов и лэндов на диске за счет уменьшения их размеров.

Емкость 120 мм дисков составила: однослойный диск HD DVD – 15 Гбайт, двухслойный – 30 Гбайт и трехслойный диск – 45 Гбайт.

Емкость 80 мм: однослойные – 9,4 Гбайт, двухслойные – 18,8 Гбайт.

При этом диски могли быть однократно (HD DVD-R) и многократно (HD DVD-RW, HD DVD-RAM) записываемыми. Для DVD-RAM емкость диска составляла 20 Гбайт за счет использования метода с произвольным доступом.

Структура данных. HD-DVD использует те же самые структуры данных, что и стандартные DVD, где основным понятием являлся сектор, с тем исключением, что блок коррекции ошибок был увеличен в 2 раза по сравнению с DVD.

Как и на DVD, слой данных HD DVD располагается в 0,6 мм от поверхности диска и таким образом защищен от механических повреждений.

В HD DVD может использоваться несколько разных файловых систем, например ISO 9660 (Joilet) или UDF.

HD DVD поддерживает множество разрешений: от низкокачественных CIF (352 × 288 при 29,97 кадрах/сек) и телевизионного разрешения (Standart Definition TV), всех разрешений DVD-Video до видео высокой четкости (High Definition TV) 720p, 1080i и 1080p. Кодирование видео может осуществляться в "старом" формате MPEG2 и более новых: VC-1 и AVC.

Стандарт HD DVD поддерживает 2 канала звука 24-бит/192 КГц или до 8 24-бит/96 КГц,  с форматом звука PCM, Dolby Digital EX, DTS, Dolby Digital Plus и Dolby TrueHD, а также опциаль-ных DTS-HD High Resolution Audio и DTS-HD Master Audio. Последние 3 поддерживают вывод звука на 7.1 звуковые системы.

2.3.2. Стандарт Blu-ray. Стандарт предложен консорциумом «BDA» (Blu-ray Disc Association), специально созданным с целью разработки нового формата оптического носителя повышенной плотности для хранения цифровых данных. Название blue ray (синий луч) обусловлено тем, что для считывания информации используется "синий" лазер с длиной волны 405 нм, а Blu-ray – это торговая марка. Разработка стандарта велась с 2000 года, однако окончательный вариант спецификации был опубликован в 2006 году.

По сравнению с DVD была изменена структуры диска при неизменном диаметре (рис. 28) – уменьшена толщина защитного слоя до 0,1 мм (вместо 0,6 мм), что предоставило возможность более качественно проводить операции чтения/записи.

Это позволило записывать информацию в меньшие точки на диске (рис. 29), а значит хранить больше информации в физической области диска, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/сек.

Рис. 28. Структура диска Blu-ray

Рис. 29. Диаметры лазерных пучков на поверхности диска

В итоге, после “уменьшения” толщины защитного слоя, диски стали более чувствительны к царапинам и это требовало использование картриджей, однако в 2004 году компания «TDK» разработала новое полимерное покрытие Durabis, устойчивое к царапинам, за счет этого надобность в использовании картриджей отпала.

Емкость дисков составила:

диски с диаметром 120 мм: однослойные – 25 Гбайт, двухслойные – 50 Гбайт;

диски с диаметром 80 мм (mini Blu-ray): однослойные – 7,8 Гбайт, двухслойные – 15,6 Гбайт.

Согласно спецификации диски Blu-ray могут быть многослойными (подобно дискам DVD).

Было предложено три типа дисков:

1) BD-ROM ­­– диски только для чтения, обеспечивающие хранение HD-фильмов, игр, программного обеспечения и т. п.;

2) BD-Recordable (BD-R) ­­– однократно записываемые диски для записи видео и данных пользователя;

3) BD-ReWritable – многократно перезаписываемые диски для записи видео и данных пользователя.

Дальнейшее развитие дисков – повышение количества слоев на одном диске. В 2010 году разработан формат дисков BDXL, имеющих емкость до 128 Гбайт (4 слоя), однако их использование возможно только на «новых» устройствах, поддерживающих работу с многослойными дисками.

Структура данных. На дисках Blu-ray может использоваться файловая система UDF версии 2.5 или 2.6. Пользовательские данные могут быть сохранены в любом месте, а различные видео - и аудиоданные должны быть структурированы определенным образом:

1. Каталог BDAV – используется хранение аудио - и видеоданных (рис. 30).

Рис. 30. Структура хранения BDAV

Файлы, хранящиеся в «корневом» каталоге BDAV, содержат управляющую информацию и плей-листы диска, меню, ссылки на основную информацию. Каталог PLAYLIST содержит реальные и виртуальные плей-листы, CLIPINF – информационные файлы, STREAM – потоковые файлы видео/аудио, BDAV 1, 2, 3 – содержат копии файлов управляющей информации и подкаталогов. Каталоги AACS и AACS_av хранят ключи защиты и определяют возможность считывания/записи информации.

2. Каталог BDMV – предназначен для создания фильмов с интерактивными возможностями за счет использования технологии JAVA (рис. 31).

Рис. 31. Структура хранения BDMV

Структура расширена по сравнению с организацией BDAV. Рассмотрим, что было добавлено: AUXDATA – каталог с файлами интерактивного сопровождения, META – хранятся файлы поиска для библиотеки метаданных и заголовки сцен, BDJO – содержит объекты BD-J, JAR – архивные файлы Java BD-J, BACKUP – в нем хранятся копии основных файлов, CERTIFICATE – содержит файлы сертификатов BD-J, BDSVM – файлы расширений BD+ для реализации дополнительной защиты.

Поддерживаемые форматы видео и аудио. Видеоинформация на Blu-ray дисках может иметь разрешение от стандартного DVD (720 ´ 480) до 1920 ´ 1080 (FullHD) с частотой 59,94 кадра/сек. и кодироваться алгоритмами MPEG-2, H.264/MPEG-4 AVC, VC-1.

Стандарт Blu-ray поддерживает воспроизведение аудиоинформации, которая может быть представлена в форматах линейный PCM (LPCM) (битрейт до 27,648 Мбит/сек., до 8 каналов при 96 кГц или до 6 каналов при 192 кГц), Dolby Digital (битрейт 640 кбит/сек., количество каналов – 5.1, дискретизация – 48 кГц), Dolby digital Plus (4,736 Мбит/сек., каналы – 7.1, дискретизация 48 кГц), Dolby TrueHD (до 18,64 Мбит/сек., до 8 каналов при 96 кГц или до 6 каналов при 192 кГц), DTS (битрейт до 1,524 Мбит/сек., количество каналов – 5.1, частота дискретизации – 48 кГц), DTS-HD Master Audio (до 24,5 Мбит/сек., до 8 каналов при 96 кГц или до 6 каналов при 192 кГц).

Профили Blu-ray. Профили определяют тип диска Blu-ray, по которому проигрыватели определяют возможность ими воспроизведения данных дисков и требования к их аппаратной части. Диски BD-Video имеют 4 профиля: Profile 1.0 – базовый формат видеодиска, поддерживаемый всеми устройствами воспроизведения (они должны иметь буфер размером 64 кбайта), Profile 1.1 (Bonus View) – на устройстве воспроизведения должно быть 256 Мбайт локальной памяти для реализации вспомогательных функций (реализация функции “картинка-в-картинке”, виртуальной файловой системы), BD-Live (Profile 2.0) – объем памяти 1 Гбайт для загрузки данных из сети Интернет, Blu-ray 3D (Profile 5.0) ­– те же требования, что и для Profile 2.0.

Профиль BD-Audio (Profile 3.0) не содержит требований к устройству при воспроизведении аудиоинформации.

Интерактивные диски Blu-ray. Использование технологий JAVA и BD-Live позволяет создавать на дисках интерактивное меню и выполнять различные действия. BD-Live предоставляет пользователю доступ к сети Интернет и различным развлечениям. С помощью нее может осуществлять загрузку дополнительных материалов, которых нет на диске с фильмом, или скачать какую-либо информацию.

Спецификация Blu-ray 3D. Официально она появилась в 2009 году. Эта спецификация определяет представление отдельного кадра для каждого глаза (стереоскопическое видение), используя специальный кодек MVC (Multiview Video Coding), являющийся расширением кодека AVC, который поддерживают обычные 2D-плееры Blu-ray. Разница заключается в том, что кодек MVC определяет два потока информации: один является базовым, а второй – зависимым от него. Базовый поток кодируется стандартным кодеком 2D H.264, но зависимый поток не является полноценным. Он ссылается на информацию в базовом потоке для экономии пропускной способности, при этом он описывает отличия, касающиеся отдельной перспективы для второго глаза.

Информационная защита дисков. Так же как и DVD-диски, Blu-ray предназначены для воспроизведения в различных зонах:

1. Зона 1 или A – Америка, Восточная и Юго-Восточная Азия (исключая Китай), Океания.

2. Зона 2 или B – Европа, Австралия, Новая Зеландия, Африка, Ближний Восток, Гренландия.

3. Зона 3 или С – Центральная и Южная Азия, Монголия, Россия, страны СНГ, Китай.

Дополнительно для защиты авторской информации применяется элемент защиты BD+, который позволяет динамически изменять схему шифрования, т. е. если система была взломана, то все последующие копии информации кодируются по другой схеме.
3. СРЕДСТВА ДЛЯ РАБОТЫ СО ЗВУКОМ

Звуковая речь является одним из основных видов общения людей между собой, поэтому при создании различных мультимедийных приложений, обучающих систем может активно применяться звуковое сопровождение. Для работы со звуковой информацией можно выделить следующие технические средства:

1 Акустические системы – обеспечивают вывод звука в аналоговой форме.

2. Звуковые карты – отвечают за ввод, обработку, вывод звуковой информации на акустическую систему.

3. Системы пространственного звучания – сюда можно отнести специализированные звуковые карты и платы, многоканальные ресиверы (усилители), использующие различные технологии вывода многоканального звука.

3.1. Акустические системы

Основным компонентом любой аудиосистемы является акустическая система (АС). Если проводить аналогии, то АС – это примерно то же самое, что и монитор, только для восприятия звуковой, а не графической информации. Компьютерные АС, как правило, уступают специализирован­ным Hi-Fi-системам. Зачастую под АС подразумеваются колонки или наушники, которые обеспечивают вывод звуковой информации.

Колонки подразделяются на:

Пассивные – они не содержат встроенного усилителя и могут подключаться к звуковым платам, имеющим собственный усилитель (обычно до 4 Вт) и регулятор громкости. Если выходная мощность колонок превышает мощность встроенного усилителя звуковой карты, тогда их необходимо подключать с внешним усилителем.

Активные – подобные колонки оборудованы усилителем и могут подключаться как к линейному выходу звуковой платы, так и к выходу ее усилителя. Источником пи­тания для встроенного в колонки усилителя может являться внутренний аккумулятор или блок питания, который, в свою очередь, может быть и внутренним, и внешним. Кро­ме регулятора громкости, активные колонки могут иметь и эквалайзер.

Конструктивно акустические системы могут состоять из одного или нескольких динамиков. В последнем случае каждый динамик может быть рассчитан на воспроизведение определенного диапазона частот: низкие, средние и высокие. И тогда говорят о двух-, трехполосных АС.

Также АС можно разделить по количеству поддерживаемых каналов. Наиболее распространёнными являются конфигурации каналов 2.0 (две колонки), 2.1 (две колонки и сабвуфер – выводит только низкий диапазон частот), 5.1 (пять колонок и сабвуфер) и в последнее время появились АС формата 6.1 и 7.1. Наушники подразделяются на стерео (2.0) и объемного звучания (5.1).

Примеры АС представлены на рис. 32–34.

Рис. 32. Пассивные колонки Рис. 33. Активные колонки

формата 2.0 формата 5.1

Рис. 34. Наушники формата 5.1

3.2. Звуковые карты

Звуковые карты используются для создания, записи и воспроизве­дения различных звуковых сигналов: музыки, речи, шумовых эффектов.

3.2.1. Устройство звуковых карт. Основным управляющим элементом звуковой карты является центральный звуковой процессор, непосредственно связанный с основным интерфейсом карты (PCI, PCI-E) (рис. 35).

Рис. 35. Структурная схема звуковой карты

По интерфейсу карта получает команды и звуковые данные для воспроизведения, по нему же она выдает подтверждения и записанные звуковые данные. Непосредственно с центральным процессором, отвечающим за обработку "цифрового" звука, соединены и цифровые входы и выходы.

Аналоговые входы и выходы соединены с центральным процессором карты через микшер – устройство выбора источников сигнала, регулировки их уровней и смешивания сигналов между собой.

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь (ADC, Analog Digital Converter).

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь (DAC, Digital Analog Converter).

С помощью АЦП и ЦАП обеспечивается возможность моно - или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов. Разрядность АЦП и ЦАП, как правило, составляет 16 бит или 24 бит, частота дискретизации – от 5 до 192 кГц, возможна компрессия звука (например, по методу ADPCM), позволяющая уменьшать объем создаваемых звуковых файлов. Звуковые карты, подключаемые к слотам расширения материнской платы, используют также 8- и/или 16-битный канал прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA), прерывание и порты ввода-вывода. При использовании двух каналов DMA возможны одновременная запись и воспроизведение аудиосигналов, что реализуется только в полнодуплексных картах (Full-Duplex). Возможность двунаправленной работы многих звуковых карт сейчас активно используется для общения через Internet, когда одновременно обеспечиваются и прием, и передача звуковой информации.

Как правило, микшер и преобразователи в недорогих звуковых картах выполнены в корпусе одной микросхемы.

Микшер карты, по сути, представляет собой набор управляемых усилителей, коэффициенты усиления которых регулируются под управлением центрального процессора карты. При необходимости смешивания сигналов от разных источников (например CD и линейного входа) может оказаться, что линейный вход сильно зашумлен и даже в отсутствие полезного сигнала на нем эти шумы будут присутствовать в выходном сигнале карты. Для их подавления придется заглушить неиспользуемые в данный момент источники сигнала в программе управления микшером карты.

Карта может иметь либо только линейный (слабосигнальный) выход, либо только усиленный выход для наушников, либо оба выхода одновременно. Некоторые карты могут иметь перемычки, которые выбирают, куда будет подключено единственное гнездо выхода – непосредственно к микшеру или к оконечному усилителю. На упрощенных вариантах карт предусмотренный схемой выходной усилитель может отсутствовать, а перемычки впаиваются в положение «линейный выход». Поэтому подключать любую внешнюю аппаратуру, а также активные колонки следует только к линейному выходу карты.

3.2.2. Особенности звуковых карт. АЦП и ЦАП. Как уже отмечалось, звуковая карта (аудиоадаптер) имеет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой сигнал.

Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов). Считанный с диска цифровой сигнал подается на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами аудиоадаптера являются частота квантования звуковых сигналов (дискретизация) и разрядность квантования.

Частоты квантования (дискретизация) показывают, сколько раз в секунду берутся выборки сигнала для преобразования в цифровой код. Обычно они лежат в пределах от 4–5 КГц до 45–48 КГц в современных звуковых картах. Разрядность квантования характеризует число ступеней квантования и изменяется степенью числа 2. Так, 8-разрядные звуковые карты имеют 28 = 256 степеней, что явно недостаточно для высококачественного кодирования звуковых сигналов. Поэтому применяются в основном 16, 20, 24, 32-разрядные звуковые карты.

3.2.3. Обработка звука. Также звуковые карты могут обрабатывать звук. Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т. д. Перечислим основным типы обработки:

1) амплитудные преобразования – выполняются над амплитудой сигнала и приводят к ее усилению/ослаблению или изменению по какому-либо закону на определенных участках сигнала;

2) частотные преобразования – выполняются над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну;

3) фазовые преобразования – сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стереосигнала позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука;

4) временные преобразования – реализуются путем наложения, растягивания и/или сжатия сигналов;  позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

Приведем несколько практических примеров использования указанных видов преобразований при создании реальных звуковых эффектов:

1. Echo (эхо). Реализуется с помощью временных преобразований. Фактически для получения эха необходимо на оригинальный входной сигнал наложить его задержанную во времени копию. Для того чтобы человеческое ухо воспринимало вторую копию сигнала как повторение, а не как отзвук основного сигнала, необходимо время задержки установить равным примерно 50 мс. На основной сигнал можно наложить не одну его копию, а несколько, что позволит на выходе получить эффект многократного повторения звука (многоголосного эха). Чтобы эхо казалось затухающим, необходимо на исходный сигнал накладывать не просто задержанные копии сигнала, а приглушенные по амплитуде.

2. Reverberation (повторение, отражение). Эффект заключается в придании звучанию объемности, характерной для большого зала, где каждый звук порождает соответствующий, медленно угасающий отзвук. Практически с помощью реверберации можно «оживить», например, фонограмму, сделанную в заглушенном помещении. От эффекта «эхо» реверберация отличается тем, что на входной сигнал накладывается задержанный во времени выходной сигнал, а не задержанная копия входного. Иными словами, блок реверберации упрощенно представляет собой петлю, где выход блока подключен к его входу, таким образом уже обработанный сигнал каждый цикл снова подается на вход, смешиваясь с оригинальным сигналом.

3. Chorus (хор). В результате его применения звучание сигнала превращается как бы в звучание хора или в одновременное звучание нескольких инструментов. Схема получения такого эффекта аналогична схеме создания эффекта эха с той лишь разницей, что задержанные копии входного сигнала подвергаются слабой частотной модуляции (в среднем от 0,1 до 5 Гц) перед смешиванием со входным сигналом. Увеличение количества голосов в хоре достигается путем добавления копий сигнала с различными временами задержки.

3.2.4. Синтез звука. Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации по ней формируется соответствующий выходной сигнал. Управляющие команды для синтеза звука могут поступать на звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI-устройства.

MIDI (Music Instrument Device Interface) – стандарт на язык и аппаратуру представления звуков различных инструментов. Команды MIDI сообщают аппаратуре, у какого инструмента на какой октаве и какая нота должна звучать. Поэтому запись мелодии в MIDI-командах очень компактна. Существует много разновидностей этого стандарта: General MIDI, Roland MT-20 и т. д. MIDI определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу. MIDI-сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и отрабатывается на синтезаторе. В свою очередь компьютер может через MIDI управлять различными “интеллектуальными” музыкальными инструментами с соответствующим интерфейсом.

Синтезатор обеспечивает имитацию звучания музыкальных инструментов и воспроизведение различных звуков при выполнении команд MIDI.

Синтезатор может быть выполнен как на основе FM-синтеза, так и на основе таблицы волн.

FM Music Synthesizer – синтезатор MIDI с частотной модуляцией (Frequency Modulated) имеет несколько каналов (голосов). Каждый канал содержит два и более синусоидальных генератора (оператора), управляющих параметрами (частота, амплитуда) друг друга. Качество звука при чистом синтезе среднее даже при двадцатиголосом синтезаторе, так как все звуки инструментов создаются искусственно.

WT Music Synthesizer – синтезаторы с табличным синтезом (Wave Table), хранящие в своей постоянной памяти образцы (волновые таблицы – цифровые последовательности выборок) сигналов настоящих "живых" инструментов для нескольких нот диапазона по каждому инструменту. Как правило, минимальный объем таблицы – 1 Мбайт. На некоторых звуковых картах возможна установка дополнительной памяти для загружаемых таблиц, которые могут быть созданы самим пользователем. Качество волнового синтеза высокое, но при более высокой цене.

При FM-синтезе возможно одновременное звучание до 20 инструментов, а с использованием таблицы волн – до 512 и более. В первых звуковых картах, использующих синтез по таблице волн (например, Sound Blaster 32 или Sound Blaster AWE64), последние цифры означали максимальное количество одновременно звучащих инструментов. Звуковые карты на PCI, как правило, не имеют встроенной таблицы волн. Для уменьшения их стоимости таблица (таблицы) загружается в обычную память компьютера, что позволяет даже с самыми недорогими аудиокартами использовать волновые таблицы большого объема и, соответственно, с большим количеством инструментов (до 512) и более высоким качеством звучания.

3.2.5. Цифровой интерфейс. В последнее время на звуковых картах (в том числе и на встроенных в материнскую плату) стали использоваться цифровые выходы интерфейсом S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface) – цифровой интерфейс от компаний «Sony» и «Philips». Фактически это стандарт интерфейса связи компьютерного оборудования с бытовой аудиоаппаратурой и электронными музыкальными инструментами. Такой интерфейс, в частности, служит для подключения выхода аппаратного DVD-декодера к аудиоаппаратуре. Для обмена данными в S/PDIF может использоваться обычный экранированный аудиокабель. Это позволяет устранить возможные потери качества звучания на выходе ЦАП.

Звуковые карты PCI имеют 32-разрядную шину для обмена данными, но процедуры цифровой обработки звука и приема/передачи результатов обработки могут быть с разрядностью 64 и более.

Большинство звуковых карт с цифровым интерфейсом поддерживают вывод звука для систем пространственного звучания в форматах AC3 (Dolby Digital), DTS (об этом будет сказано чуть ниже).

3.2.6. Разъемы звуковых карт. Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аналоговых и цифровых сигналов:

1. Входные – микрофон, линейный вход, CD-ROM аналоговый (разъем для его подключения обычно размещен на самой карте для присоединения аудиовыхода CD-ROM-привода), CD-ROM цифровой вход (на некоторых новых PCI-картах).

2. Выходные – линейный выход, выход на колонки или наушники. Встроенный усилитель имеет мощность до 4 Вт на канал, большинство звуковых карт с 1999 года имеют усилитель с выходной мощностью, достаточной только для наушников.

Для создания мелодий с помощью синтезатора на звуковой карте существуют специальные MIDI-клавиатуры типа рояльной, простейшие фиксируют и передают только факты нажатия/отпус-кания клавиш (рис. 36).

Рис. 36. MIDI-клавиатура

Более сложные MIDI-клавиатуры имеют динамические датчики, реагирующие на силу и скорость нажатия (в сочетании с хорошим wavetable – синтезатором возможна достаточно полная имитация различных инструментов). MIDI-интерфейс имеют многие профессиональные и полупрофессиональные клавишные синтезаторы.

3.2.7 Спецификация AC`97. В 1997 году подразделением Intel Architecture Labs был предложен стандарт AC`97 (Audio Codec `97) для использования в системных платах, модемах и звуковых картах.

На рис. 37 представлен самый полный вариант стандарта AC'97: аналоговый чип выполняет функции как аудио, так и модемного кодека - AMC'97. Что касается цифрового контроллера AC'97, то в спецификации AMR (Audio Modem Riser) он уже соответственно и называется AMR-контроллер, а под AC'97 подразумевается только чип кодека.

Рис. 37. Функциональная схема стандарта AC`97

Функционально AC'97 состоит из двух физически разнесенных частей: для улучшения соотношения сигнал/шум аналоговый и цифровой блоки разделены по разным чипам, в результате чего это самое соотношение получается больше 90 Дб. AC'97 Analog – блок кодеков аналог/цифра и обратных преобразований (упрощенно блок ЦАП, АЦП). Второй частью является другой чип – Digital AC'97 Controller, который и выполняет операции над цифровым звуком – микширование, изменение частоты выборки и т. д. Спецификация определяет и интерфейс для их общения – пятипроводный двунаправленный цифровой AC-link.

Некоторые возможности кодека могут быть реализованы программно, на уровне драйверов AC'97-звука. Например, некоторые кодеки, которые умеют обрабатывать данные только с определенной частотой дискретизации, нуждаются в преобразовании на стороне системы.

Стандарт AC`97 активно применялся на системных платах, чтобы обеспечить вывод звука для пользователей, не желающих покупать дорогостоящие звуковые карты. При этом для удешевления производства, как уже было отмечено, часть функций звуковой карты, связанных с обработкой звука, возлагалась на центральный процессор (программная обработка).

Спецификация AC`97 предполагает работу со звуком формата 2.0 (стерео) максимальным потоком данных до 11,5 Мбит/сек. при частоте дискретизации 96 кГц и разрядности 20 бит. В системе может быть одно звуковое устройство и имеется ограниченная привязка входов и выходов к соответствующим разъемам звукового кодека.

3.2.8. Спецификация HD-Audio. Необходимость обработки более качественного звука и распространение многоканальных си­­стем (системы пространственного звучания, см. ниже) привели к расширению спецификации AC`97. В 2004 году была предложена новая спецификация HD-Audio (High Definition Audio) – звук высокой четкости.

Основные отличительные особенности HD-Audio:

1) поддерживаемая частота дискретизации от 5 до 192 кГц;

2) разрядность 8, 16, 20, 24, 32 бита;

3) до 16 каналов на 1 поток;