Лекция 1-07 (стр. 5 )

В режиме Full Duplex звуковая система может одновременно принимать (записывать) и передавать (воспроизводить) аудиоданные. Однако далеко не все звуковые карты поддерживают этот режим в полном объеме, т. е. они не могут обеспечить высокое качество звука при высокой скорости передачи данных. Для этого требуются звуковые карты более высокого уровня.

1.3.41. Модуль синтезатора

Электромузыкальный цифровой синтезатор звуковой подсистемы (далее называемый просто синтезатором) позволяет генерировать практически любые звуки, в том числе и звучание реальных музыкальных инструментов.

Принцип синтезирования заключается в воссоздании структуры музыкаль­ного тона (ноты). Созданный с помощью музыкального инструмента звуко­вой сигнал, как правило, имеет несколько временных фаз. На­пример, при нажатии клавиши рояля амплитуда звукового сигнала сначала максимальна, а затем немного уменьшается. Эта фаза называется атакой. Длительность атаки для разных музыкальных инструментов изменяется в пределах от единиц до нескольких десятков или даже до сотен миллисекунд. После атаки начинается следующая фаза, называемая поддержкой, в течение которой амплитуда сигнала почти не изменяется. Высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе (затуханию) соответству­ет участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала. Совокуп­ность этих фаз называется амплитудной огибающей.

Форма амплитудной огибающей зависит от типа музыкального инструмента, но выделенные фазы характерны для звуков практически всех музыкальных инструментов (за исключением ударных).

В со­временных синтезаторах сначала генерируется так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (нота). Затем этот сигнал подается на систему фильтров, которая делает его максимально приближенной к тембру музыкального инструмента заданного типа. После этого сигнал можно дополнительно обра­ботать с целью получения специальных звуковых эффектов, например, эха в помещении (электронный музыкальный эффект, называемый ревербера­цией), звучания хора (эффект хорус) и т. п.

Если необходимо одновременно генерировать звучание нескольких разных музыкальных инструментов, то в мощных синтезаторах большинство опи­санных операций будет выполняться для каждой ноты каждого инструмента отдельно. Результирующий сигнал образуется в результате суммирования в цифровом виде всех компонентов звуков. Затем в ЦАП результирующий звуковой сигнал преобразуется из цифрового вида в аналоговый.

Основными характеристиками модуля синтезатора звуковой системы являются:

·  метод синтеза звука;

·  объем памяти для хранения патчей;

·  возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эф­фектов;

·  полифония – максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков.

Обычно имена синтезаторов соответствуют методу синтеза (типу генератора возбуждения). В настоящее время на звуковых картах устанавливаются син­тезаторы, генерирующие звук с использованием:

·  частотной модуляции (Frequency Modulation Synthesis) – FM-синтеза;

·  таблицы волн (Wave Table Synthesis) – WT-синтеза;

·  физического моделирования.

При синтезе звука на основе частотной модуляции учитывается тот факт, что любой звук характеризуется высотой (основного тона) и дополнительными гармониками (обертонами), определяющими тембр звучания конкретного тона. Высота звука зависит от частоты основного тона. Обертоны, даже и их сила велика, на ощущение высоты звука влияют мало, но придают своеобразную окраску. Способность человеческого уха разложить сложный звук на гармонические составляющие (основной тон и обертоны) позволяет различать звуки, например, отличить ноту до, взятую на кларнете, от той же ноты, взятой на рояле.

Таким образом, если синтезировать сигналы основного тона и обертонов, присущих звучанию конкретного инструмента, можно имитировать звук практически любой ноты этого инструмента.

В простейшем случае для генерации голоса музыкального инструмента достаточно двух генераторов сигналов сложной формы: генератора несущей частоты и модулирующего генератора. Генератор несущей частоты формирует сигнал основного тона, частотно-модулированный сигналом обертонов. Модулирующий генератор (генератор огибающей) управляет индексом модуляции сигнала основного тона и амплитудой результирующего сигнала. Эти генераторы называются операторами.

Такой способ не позволяет получить много спектральных составляющих звукового сигнала, поэтому в реальных FM-синтезаторах используется не два, а шесть и более операторов, модулирующих друг друга.

Поскольку процесс синтеза во времени совмещен с процессом ис­полнения музыки, значительно возрастают требования к суммарной произ­водительности компьютера и собственно FM-синтезатора. Для уменьшения объема вычислений в звуковых картах используются упрощенные алгоритмы, при этом голос инструмента формируется минимальным количеством генераторов. Это приводит к тому, что звуковые карты с FM-синтезом формируют мало благозвучных тембров и имитация звучания реальных музыкальных инструментов оказывается очень грубой.

При использовании синтеза звука на основе таблицы волн (WT-синтез) можно получить более реалистичное и качественное звучание, чем при ис­пользовании FM-синтеза. В WT-синтезаторе используются предварительно оцифрованные образцы звучания реальных музыкальных инструментов и других звуков. Каждый образец звучания, называемый патчем (Patch), или инструмент, включает в себя один или несколько сэмплов (Samples), организованных определенным образом. Сэмпл – это оцифрованный фрагмент реального звука, определенный тон музыкального инструмента или, напри­мер, звук выстрела.

С помощью специальных алгоритмов, даже по одному тону музыкального инструмента (путем вос­произведения сэмпла с разной скоростью), можно воспроизвести все остальные и таким об­разом полностью восстановить звучание инструмента во всем рабочем диа­пазоне частот.

Кроме того, звучание некоторых музыкальных инструментов становится бо­лее реалистичным и выразительным при одновременном воспроизведении нескольких сэмплов.

Инструменты в WT-синтезаторах объединяются в банки. Минимальный набор банка инструментов для WT-синтезатора включает 128 инструментов. Банки с инструментами обычно хранятся в специальной памяти только для чтения (ROM), выполненной в виде отдельной микросхемы памяти или интегрированной в микросхему WT-синтезатора. Кроме того, банки инструментов могут храниться на винчес­тере компьютера и перед работой загружаться в оперативную память звуковой карты или компьютера.

В отличие от синтеза звука на основе таблицы волн, где источником сигнала являются оцифрованные образцы звуков реальных музыкальных инструмен­тов, хранящиеся в памяти синтезатора, физическое моделирование преду­сматривает использование математических моделей звукообразования реаль­ных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответст­вующих волновых форм, которые затем преобразуются в звуковой сигнал при помощи цифро-аналогового преобразователя.

По принципу физического моделирования звука работают так называемые программные (виртуальные) синтезаторы. Необходимые расчеты звучания инструментов вместо аппаратного синтезатора звуковой карты выполняет центральный процессор компьютера. Результат математического моделирования, т. е. поток цифровых данных от виртуального синтезатора направляется в цифро-аналоговый преобразователь звуковой карты.

На звуковых картах с WT-синтезатором устанавливаются элементы памяти (ROM) для хранения банков с инструментами. Объем памяти WT-синтезатора может быть изменен за счет установки дополнительных модулей памя­ти. Тип и количество элементов памяти (RAM или ROM) зави­сит от конкретной модели звуковой карты и составляет в современных звуковых картах от 8 до 32 Мбайт и выше.

Для большинства карт с WT-синтезом звуковые эффекты стали стандартными. При использовании временной задержки фазы или амплитуды сигнала можно получить и другие звуковые эффекты. Обработка исход­ного сигнала для создания эффекта в большинстве случаев осуществляется специальным эффект-процессором, который может являться самостоятель­ным элементом (микросхемой) или интегрироваться в состав WT-синтезатора.

Как правило, звуковые данные обрабатываются специализированными ме­тодами, требующими большого количества вычислений, что ведет к значи­тельной загрузке центрального процессора и снижению производительности компьютера в целом. Поэтому часто для ускорения процессов обработки аудиоданных в состав звуковой системы может дополнительно входить цифровой сигнальный процессор – DSP (Digital Signal Processor,).

Процессор DSP является специализированным быстродействующим RISC-процессором, ис­пользуемым для сложной обработки сигналов (звука в том числе) в реальном времени. Главное достоинство современных DSP – возможность выполнять функции нескольких устройств звуковой системы одновременно, что позволяет отказаться от ее классической архитектуры. В настоящее время в продаже поя­вились звуковые карты, WT-синтезатор, эффект-процессор и модуль оциф­ровки которых реализованы программно на базе мощного DSP.

Полифония определяется числом генераторов синтезатора (реальных или виртуальных).

1.3.42. Модуль интерфейсов

Модуль интерфейсов обеспечивает обмен данными между звуковой систе­мой и другими устройствами (как внешними, так и внутренними).

Для звуковой системы обычно используются следующие виды интерфейсов:

·  системный интерфейс;

·  интерфейс MIDI;

·  интерфейс для подключения дочерних карт;

·  интерфейс для обмена звуковыми сигналами в цифровой форме;

·  интерфейс для подключения приводов CD-ROM.

Первоначально звуковые карты выпускались с интерфейсом ISA. Однако сейчас все современные звуковые карты используют для подключения к компьютеру интерфейс PCI, поскольку, в силу высокого быстродействия, этот интерфейс обеспечивает возможность кооперативной обработки звуковых данных (задачи обработки и пе­редачи данных распределяются между центральным процессором и звуковой системой). Причем, звуковая система для обработки таких данных может привлекать внешние звуковые устройства. Негативным последствием перехода на интерфейс PCI является то, что многие старые приложения, рассчитанные на интерфейс ISA, не работают с новыми звуковыми картами.