Podsystem audio

dla DSI semestr II

Podsystem audio

• karta dźwiękowa (muzyczna)

• nagłośnienie generujące fale odbierane przez ludzkie ucho jako dźwięk.

• mikrofony

Dźwięk

• Dźwięk określa się jako doznania akustyczne spowodowane falą dźwiękową wywołaną przez sprężanie i rozprężanie nośnika. Nośnikiem jest powietrze, a fale dźwiękowe rozchodzą się kołowo (jak fale na wodzie po rzuceniu kamykiem) i docierając do ludzkiego ucha, powodują wibracje postrzegane przez ludzki mózg jako dźwięk.

Podstawowe właściwości dźwięku

• wysokośd dźwięku – częstotliwośd wibracji rozchodzącej się fali wyrażana w hercach (Hz). Częstotliwośd 1 herca odpowiada występowaniu jednego cyklu w ciągu sekundy. Ludzkie ucho rejestruje dźwięki w zakresie od 16-20 Hz do około 20kHz

• natężenie dźwięku – decyduje o głośności dźwięku, wyrażane jest w decybelach (dB). Im większa siła wibracji, tym większa odczuwalna głośnośd dźwięku. Wzrost o 6 dB to podwojenie ciśnienia akustycznego, a więc i odczuwalnej głośności dźwięku. Dla przykładu 10 dB to szelest liści, 70 dB to normalna rozmowa w pomieszczeniu, wybuch petardy to około 160 dB, a około 120 dB to próg bólu.

Próbkowanie dźwięku

Proces zamiany dźwięku z postaci analogowej na postad cyfrową za pomocą przetwornika ADC to próbkowanie (sampling). W trakcie tego procesu rejestrowane są częstotliwośd i amplituda dźwięku w funkcji czasu, a następnie dane te są zapisywane w postaci pliku binarnego.

Próbkowanie dźwięku

Na jakośd wersji cyfrowej dźwięku wpływają:• rozdzielczośd próbkowania – określa, ile bitów zostanie

użytych do zapisania pojedynczej próbki (np.: 8 bitów daje jedynie 256 wartości 28, najnowsze karty umożliwiają próbkowanie 24-bitowe dające ponad 16 milionów wartości 224)

• częstotliwośd próbkowania – odstępy czasowe, w których dokonywane są kolejne pomiary parametrów dźwięku. Karty muzyczne próbkują zazwyczaj z częstotliwościami: 8, 11, 22, 44.1, 48, 96, 192 kHz. Im większa częstotliwośd próbkowania, tym wierniejsze odwzorowanie oryginalnego dźwięku analogowego, ale mały wzrost częstotliwości niekoniecznie wiąże się z lepszą jakością dźwięku (np. 44,1 kHz zwiększone do 48 kHz).

Próbkowanie dźwięku

• Przesterowanie – pojawienie się częstotliwości harmonicznych i nieprzyjemne trzaski w głośnikach spowodowane ustawieniem zbyt dużej głośności podczas rejestrowania ścieżki dźwiękowej.

Karta dźwiękowa (muzyczna)

Karta dźwiękowa najczęściej zintegrowana z płytą główną służy do obsługi dźwięku w komputerze dla zastosowao biurowych. Dla bardziej wymagających użytkowników (m. in. graczy, melomanów, muzyków, kinomanów) i do profesjonalnych zastosowao, produkowane są bardziej rozbudowane karty dźwiękowe przyjmujące postad karty rozszerzeo montowanych w gnieździe magistral: PCI, PCI-E x1 albo USB.AC'97 – to zintegrowany układ muzyczny firmy Intel standardowo montowany w wielu płytach głównych. Do podstawowych zastosowao biurowych jest on wystarczający, ale częśd zadao muzycznych wykonywana jest przez program, co zwiększa zużycia procesora głównego i przekłada się na zmniejszoną wydajnośd.

Jakośd karty dźwiękowej

• Charakterystyka częstotliwości – zdolnośd karty do nagrywania i odtwarzania dźwięku ze stałą głośnością. Im szerszy zakres, tym lepsza karta muzyczna,

• Współczynnik zniekształceo nieliniowych (całkowite zniekształcenia harmoniczne) – dokładnośd odtwarzanego dźwięku albo stopieo zniekształcenia sygnału generowanego przez kartę w stosunku do sygnału oryginalnego podawany w procentach (im mniejszy procent zniekształceo, tym lepsze urządzenie),

• Stosunek sygnału do szumu – SNR – stosunek mocy sygnału dźwiękowego do mocy szumu tła w tym samym paśmie częstotliwości. Im większa wartośd SNR mierzona w dB tym lepsza jakośd dźwięku.

Budowa i funkcje karty dźwiękowej

• Przetworniki ADC i DAC – to urządzenia do zamiany dźwięku z postaci analogowej do postaci cyfrowej (ADC, ang. Analog to Digital Converter), czyli tzw. digitalizacji dźwięku oraz z postaci cyfrowej do postaci analogowej (DAC, ang. Digital to Analog Converter), przetwarzający dane cyfrowe na postad analogową umożliwiającą głośnikom wygenerowanie fali akustycznej.

• Procesor DSP (Digital Signal Processor) – odpowiedzialny za operacje wymagające dużej mocy obliczeniowej, m. in. generowanie efektów, odfiltrowywanie szumów, strumieniowe przetwarzanie dźwieku, generowanie dźwięku wielokanałowego. Czasami posiada wbudowane przetworniki ADC i DAC (w lepszych kartach są dwa procesory –jeden z przetwornikami, drugi do pozostałych zadao).

Budowa i funkcje karty dźwiękowej

• Interfejs MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – cyfrowy interfejs instrumentów muzycznych. Umożliwia łączenie ze sobą instrumentów muzycznych oraz podłączanie do komputera instrumentów takich jak np.: syntezator.

• Generator dźwięku – (syntezator MIDI) pozwala generowad dźwięk przy zastosowaniu dwóch metod:

– Synteza FM – dźwięk generowany jest przez zmianę modulacji napięcia elektrycznego w zależności od zawartości pliki MIDI. Próbuje naśladowad dźwięki naturalnych instrumentów (rozwiązanie stosowane w starszych urządzeniach),

– Synteza Wavetable – nowsza metod generująca dźwięki na podstawie cyfrowych nagrao instrumentów lub efektów audio (tzw. sampli) przechowywanych w pamięci ROM lub RAM karty dźwiękowej lub na twardym dysku.

Budowa i funkcje karty dźwiękowej

• Pamięd ROM lub RAM – służy do przechowywania próbek instrumentów standardu Wavetable. Dzięki temu urządzenie nie musi korzystad z pamięci operacyjnej komputera lub twardego dysku.

• Mikser dźwięku – służy do łączenia sygnału dźwiękowego pochodzącego z różnych źródeł (np. generatorów dźwięku, przetworników, wyjśd zewnętrznych).

• Wzmacniacz sygnałów wyjściowych – wzmacnia sygnał wyjściowy przeznaczony dla urządzeo pasywnych (bez własnego wzmacniacza), np. słuchawki.

• Złącze magistrali (interfejs systemowy) – złącze, za pomocą którego karta podłączana jest do komputera, np. PCI, PCI-E, USB (dedykowane laptopom)

Schemat budowy karty dźwiękowej

Wzmacniacz

Gniazda karty dźwiękowej• zielone wyjście analogowe stereo minijack służy do podłączenia

zestawu stereo lub przednich głośników systemu wielokanałowego,

• różowe wejście monofoniczne minijack – służy do podłączenia mikrofonu,

• niebieskie wejście liniowe minijack -analogowe wejście stereo służące do podłączenia zewnętrznego źródła dźwięku, np. odtwarzacza MP3;

• złącze D-Sub typu DA-15 –umożliwia podłączenie urządzenia MIDI albo manipulatorów do gier (np. joystick).

Gniazda karty dźwiękowejKarty dźwiękowe obsługujące wielokanałowy dźwięk przestrzenny wyposażone są dodatkowo w następujące złącza:• czarne wyjście analogowe głośników tylnych – służy do

podłączenia tylnych głośników zestawu wielokanałowego,• pomaraoczowe we/wy cyfrowe dźwięku S/PDIF (Sosny/Philips

Digital Interface Format) – cyfrowy standard charakteryzujący się czystością i dynamiką dźwięku,

• gniazdo USB – umożliwia podłączenie urządzeo peryferyjnych, np. klawiatura, joystick, itp.,

• gniazdo IEEE 1394 (Firewire)– umożliwia podłączenie urządzeo tj. kamera cyfrowa, kamera internetowa, skaner, itp.

Gniazda karty dźwiękowej

Dodatkowo złącza występują także na bocznej krawędzi karty dźwiękowej wewnątrz obudowy komputera:

• złącze AUX IN (Auxilliary) – wewnętrzne złącze analogowe stereo, umożliwia podłączenie np. karty TV do muzycznej wewnątrz obudowy,

• CD Audio – złącze analogowe umożliwiające podłączenie napędu CD-ROM za pomocą 4-żyłowego kabla, umożliwiającego odtwarzanie płyt CD Audio bez udziału systemu operacyjnego,

• CD Digital Audio – złącze cyfrowe umożliwiające podłączenie napędu CD-ROM za pomocą 2-żyłowego kabla, umożliwiającego odtwarzanie płyt CD bez udziału systemu operacyjnego

Gniazda karty dźwiękowejNiektóre karty dźwiękowe wyposażone są także w panel montowany w przedniej ścianie obudowy, który posiada dodatkowe wejścia i złącza opisane wyżej.

CREATIVE LABS Sound Blaster X-Fi Titanium Fatal1ty Champion Series - Najbardziej zaawansowany system dźwiękowy dla wymagającego gracza -zatwierdzony przez organizatorów Championship Gaming Series.

Współczesne karty potrafią samodzielnie wykryd podłączane do nich urządzenia, co ułatwia im rozwiązywanie ewentualnych problemów z

połączeniem

Wielokanałowy dźwięk przestrzenny

Standardy wielokanałowego dźwięku przestrzennego stosowane w filmach:

• Dolby Digital (DD) AC3 – standard firmy Dolby Laboratories wykorzystujący kompresję AC3. Umożliwia obsługę 2-8 kanałów dźwiękowych, z czego najpopularniejszym rozwiązaniem jest Dolby Digital 5.1 obsługujący 6 niezależnych kanałów dźwiękowych. Inne odmiany to: Dolby Digital EX (6.1), Dolby Digital Plus (7.1), Dolby TrueHD (7.1 z kompresją bezstratną dla Blu-ray i HD DVD),

• Digital Theather Systems (DTS) – standard stosowany w przemyśle filmowym, odpowiedniki DTS mają trochę wyższą jakośd ze względu na mniejszy stopieo kompresji sygnału dźwiękowego. Wersje DTS to: DTS 5.1 ≈ Dolby Digital, DTS ES (6.1), DTS-HD oraz DTS-HD Master Audio, czyli DTS++ (7.1)

Wielokanałowy dźwięk przestrzennyW grach reprezentowany jest przez technologię firmy Creative Labs o nazwie EAX (Environmental Audio Extensions) dołączony do interfejsu API firmy Microsoft –DirectX. Możemy wymienid kolejne wersje EAX:

• EAX 1.0 – (1998) 26 efektów dźwiękowych umożliwiających uzyskanie m. in. efektów typu korytarz, hala, jaskinia, echo, itp.;

• EAX 2.0 – rozszerzenie pierwszej wersji o efekt zatrzymania się dźwięku na obiektach i pozwalajacy usłyszed tylko jego odbicia,

• EAX 3.0 Advanced HD – obsługa standardu wielokanałowego 6.1 oraz efekt łagodnego przejścia z jednego środowiska dźwiękowego do drugiego,

• EAX 4.0 Advanced HD – (Sound Blaster Audigy 2) to przede wszystkim obsługa 4 niezależnych środowisk dźwiękowych mogących współistnied w czasie rzeczywistym i przenikad się wzajemnie,

• EAX 5.0 Advanced HD – (Sound Blaster X-Fi) najważniejsze funkcje to możliwośd wybrania przez programistę głośnika, w którym ma się pojawid określony dźwięk, oraz pozwala na przyporządkowanie dźwięku z mikrofonu do określonej postaci w grze.

Pierwszym systemem dźwięku przestrzennego dla gier była technologia A3D firmy Aurealzakupiona przez firmę Creative. Alternatywą dla EAX była technologia 3DPA firmy Sensaura.

GłośnikPrzetwornik elektroakustyczny zamieniający prąd elektryczny na falę akustyczną. Składa się z: magnesu stałego, cewki i membrany zawieszonej na koszu głośnika za pomocą resoru. Prąd przepływa przez cewkę umieszczoną wewnątrz magnesu stałego, powodując drgania membrany,co generuje fale dźwiękowe w powietrzu.

Obecnie wszystkie produkowane głośniki mają wbudowane wzmacniacze sygnału

i nazywane są głośnikami aktywnymi.

Kryteria wyboru zestawu głośników• Efektywnośd głośnika – ciśnienie akustyczne jakie otrzymamy w

odległości 1 m od głośnika przy mocy 1 W, wyrażana jest w jednostce logarytmicznej, czyli decybelach (dB),

• Charakterystyka przenoszenia – zakres częstotliwości, jakie głośnik może odtworzyd. Głośniki dzielimy na: niskotonowe, średniotonowe i wysokotonowe, ponieważ nie istnieje głośnik, który byłby w stanie odtworzyd cały zakres częstotliwości (20Hz –20kHz),

• Całkowite zniekształcenie harmoniczne – liczba zniekształceo powstających podczas generowania dźwięku, czyli różnice pomiędzy sygnałem dostarczonym do głośnika, a wygenerowanym dźwiękiem (powinien byd niższy, niż 0,1%),

• Moc akustyczna – (nie mylid z mocą znamionową, czy mocą elektryczną) to moc wyrażana w watach (W) wygenerowana przez głośnik.

Podział zestawów głośnikowychZe względu na liczbę głośników w zestawie wyróżniamy:• 2 głośniki (stereo) – to najprostszy i najtaoszy zestaw złożony z głośnika

lewego i prawego, • 2 głośniki i subwoofer (2.1) – to zestaw 2 głośników średniotonowych

stereo wzbogacony o głośnik niskotonowy (basowy),• 4 głośniki (kwadro) – to zestaw składający się z 4 głośników

średniotonowych: lewy przedni, prawy przedni, lewy tylny, prawy tylny, • 4 głośniki i subwoofer (4.1) – to zestaw 4 głośników średniotonowych

wzbogacony o głośnik niskotonowy (basowy), • 5 głośników i subwoofer (5.1) – to zestaw 4.1 wzbogacony o centralny

głośnik przedni (dla filmów DVD i gier), • 6 głośników i subwoofer (6.1) – to zestaw 6 głośników

średniotonowych: (lewy i prawy): z przodu, w środku (po bokach w stosunku do odbiorcy), z tyłu oraz głośnik niskotonowy (basowy)

• 7 głośników i subwoofer (7.1) – to zestaw 6.1 wzbogacony o centralny głośnik przedni.

Zestawy głośnikowe

Rozstaw głośników w różnych konfiguracjach

Zestaw w systemie: 7.1Zestaw w systemie: 5.1

Jak rozstawid zestaw głośnikowy 5.1?

Słuchawki, Mikrofon • Słuchawki – to głośniki o małej mocy przeznaczone na uszy. Zaleca się je

w celu zachowania poufności przekazu dźwiękowego, albo po to, żeby nie przeszkadzad innym. Ale nie zastąpią one głośników.

• Mikrofon – składa się z membrany z cewką przy magnesie stałym. Fale akustyczne powodują drgania membrany w polu magnetycznym, co powoduje indukowanie się prądu elektrycznego w cewce o częstotliwości proporcjonalnej do drgao fali dźwiękowej. Jest to przetwarzanie fal akustycznych (dźwiękowych) na postad elektryczną. Mikrofon jest często zintegrowany ze słuchawkami, a także z komputerem przenośnym.

Podstawowe parametry mikrofonu – wyróżniamy:• pasmo przenoszenia – określa pasmo częstotliwości skutecznie

przenoszenie przez mikrofon, • charakterystyka przenoszenia – określa zdolnośd mikrofonu do

przetworzenia sygnału akustycznego na sygnał elektryczny, • charakterystyka kierunkowości – określa kierunki, z których mikrofon ma

najlepszą skutecznośd.

KONIEC