Музыкальные возможности ПК
становится
глухим и неразборчивым. Чаще всего для хорошей передачи звука достаточно
частоты, вдвое большей максимальной частоты исходного сигнала, хотя для
достижения высокого качества используется трех - пятикратное превышение. А
разрядность влияет прежде всего на количество искажений и шумов, вносимых в
звук - при недостаточной точности отсчетов звук становится резким и
неприятным, как внутри металлической трубы.
В популярных сейчас бытовых проигрывателях компакт-дисков используется
частота дискретизации 44.1 кГц и отсчеты в 16 двоичных разрядов (65536
фиксированных уровней). В цифровых телефонных линиях применяется 8-
разрядная (256 уровней) оцифровка на 8 кГц, а в студийных системах
обработки звука - 24-разрядная (16777216 уровней) с частотой 96 кГц.
Понятно, что с ростом частоты дискретизации и разрядности отсчета растет и
объем данных, занимаемый звуком. Например, один компакт-диск вмещает 74
минуты стереозвучания, однако при записи на нем звука в монофоническом
телефонном формате время непрерывного звучания составит более суток.
Самый простой ЦАП делается при помощи так называемой резистивной
матрицы, когда все разряды двоичного числа, представляющего отсчет, через
резисторы с различным сопротивлением сводятся в одну точку, причем
сопротивление резисторов падает с ростом старшинства разрядов двоичного
числа. Таким образом, изменение старшего разряда из 0 в 1 и наоборот будет
вносить в линию максимальное изменение напряжения, а то же самое в младшем
разряде - минимальное, и в случае 8 разрядов разница составит в точности
256 раз. При последовательном переборе всех чисел от 0 до 255 сигнал на
выходе будет ступенчато изменяться от нуля до максимума - в 256 раз более
плавно, чем простой цифровой переход от 0 к 1.
Лет десять назад на компьютерах IBM PC подобные 8-разрядные ЦАП
делались при помощи параллельного порта принтера, имеющего как раз 8 линий
данных, а при использовании дополнительных линий управления - и более
качественный 12-разрядный. Выводя из программы в порт отсчеты с нужной
скоростью, можно получить достаточно чистый звук, сравнимый по качеству с
телефоном или дешевым магнитофоном.
Сейчас выпускается широчайший ассортимент звуковых адаптеров, или
карт, для всех видов персональных компьютеров, а во многих моделях они
являются компонентом системной платы. Современный звуковой адаптер содержит
16-разрядные стереофонические ЦАП и АЦП, работающие на частоте 5..48 кГц,
которые передают и получают цифровой звук по каналам прямого доступа к
памяти (DMA), без прямого участия программ, которым остается только вовремя
забирать готовый оцифрованный фрагмент с АЦП, или подавать очередной
цифровой фрагмент на ЦАП. Многие адаптеры могут записывать и воспроизводить
звук одновременно, и программа при должном быстродействии может синхронно
воспроизводить записанный звук в уже обработанном виде.
1.3. Процессоры DSP (Digital Signal Processing)
В принципе DSP (Рис.3) нужен чтобы разгрузить центральный процессор
(CPU) компьютера, да и вообще поменьше от него зависеть. Это делает работу
платы устойчивей и позволяет избежать многих проблем совместимости с
разными компьютерами.
Обработка цифрового звука - отдельная и весьма обширная область,
которая, по
Рис.3.
Процессор-DSP.
сути, сводится к выполнению над числами-отсчетами тех же математических
операций, которые в аналоговых устройствах выполняются электронными
схемами. Например, усилению или ослаблению соответствует умножение или
деление отсчетов, смешиванию двух сигналов - попарное сложение их отсчетов,
фазовому сдвигу - задержка одних отсчетов относительно других. Единственная
проблема состоит в том, что для выполнения сложных преобразований вроде
фильтрования или модуляции требуется очень большое число элементарных
числовых операций, которое рядовой компьютер не в состоянии делать
синхронно с поступающим сигналом (как говорят - в реальном времени). В
таких случаях либо применяются специальные цифровые сигнальные процессоры
(DSP), либо обработка проводится основным процессором, но после
предварительной записи звука в память или на жесткий диск, с
воспроизведением оттуда после окончания обработки. Эта так называемая
нелинейная обработка занимает больше времени и не позволяет тут же слышать
результат, однако никак не ограничена по сложности и глубине воздействия на
звук.
Частным случаем обработки является простой монтаж фонограмм, с которым
постоянно сталкиваются операторы самых различных звуковых студий. То, что
на обычном магнитофоне делается за минуты, часы и дни путем многократной
перезаписи с ленты на ленту, даже на самом простом компьютере занимает
считанные секунды или часы, благодаря полному визуальному контролю и
точности вплоть до одного цифрового отсчета (при 44.1 кГц - 23 мкс).
Однако компьютер способен не только сохранить и воспроизвести однажды
записанный в него звук, даже после цифровой обработки - он может создавать
совершенно новые звуки при помощи аппаратного или программного синтеза.
Простейший метод синтеза состоит в генерации серии отсчетов и циклическом
их воспроизведении, в результате чего получается периодический (тональный)
звуковой сигнал. Например, при воспроизведении значений функции sin (x),
вычисленных с некоторым шагом в границах периода, получается чистый
синусоидальный звуковой сигнал с мягким звучанием и четкой музыкальной
высотой; при усложнении вычислительной функции звуковые колебания будут
повторять ее график - с точностью до параметров оцифровки и погрешностей
ЦАП. График можно и нарисовать прямо на экране при помощи мыши; при этом
плавному графику будут соответствовать более мягкие, глухие звуки, а
крутому - более резкие, яркие и звонкие.
Если взять какой-либо физический процесс, приводящий к появлению звука
- разряд молнии, шум ветра или колебания скрипичных струн - то всегда можно
разработать достаточно точную математическую модель этого явления, которая
сведется к системе уравнений. Решая эти уравнения, можно получить график
звуковых колебаний, возникающих в этом процессе, и затем воспроизвести их.
Подобным образом был получен предполагаемый звук московского Царь-Колокола
при помощи только его наружных измерений и структурного анализа сплава.
Этот метод физического моделирования - самый точный для имитации реальных
звуков, однако он же - самый трудоемкий и длительный.
1.4. Частотная модуляция (FM)
Другой, более простой, метод синтеза состоит в генерации
синусоидального сигнала, частота которого управляется другими генераторами
таких же сигналов - это разновидность частотной модуляции (англ. FM). В
результате получается сигнал весьма сложной структуры, тембр которого может
меняться в чрезвычайно широких пределах. При достаточном количестве
управляющих друг другом генераторов (так называемых операторов) и точном
подборе их параметров можно не только синтезировать необычные звуки, но и
достаточно точно имитировать звуки природы и музыкальных инструментов.
Однако на практике количество операторов не превышает десяти, и разумное
управление даже таким небольшим их числом сильно затруднено. В большинстве
звуковых адаптеров есть аппаратный FM-синтезатор с двумя или четырьмя
операторами, при помощи которого можно синтезировать различные шумы, стуки
и звоны, однако для имитации музыкальных инструментов он в силу своей
простоты совершенно непригоден.
1.5. Таблично-волновой метод синтеза звуков (Wave table)
Наиболее распространенный сейчас метод синтеза музыкальных звуков -
таблично-волновой (wave table - WT). Он заключается в записи характерных
фрагментов звучания реальных инструментов - начального и среднего по
времени всего звучания ноты - и использования их для синтеза всех прочих
звуков, издаваемых этими инструментами. Записанные фрагменты образуют
основной тембр инструмента, а различные приемы обработки в реальном времени
- изменение частоты, амплитуды, добавление гармоник или их фильтрация -
придают тембру оттенки и динамику, свойственные различным приемам игры. Для
повышения достоверности имитации берется больше образцов (англ. samples)
звучания и выполняется больше работы по их обработке во время синтеза; в
простейшем случае таблично-волновой метод вырождается в так называемый
сэмплерный, при котором звучание инструмента записывается и воспроизводится
целиком от начала до конца. Пионером в реализации WT-синтеза стала в 1984
году фирма Ensoning. Вскоре WT-синтезаторы стали производить такие
известные фирмы, как Emu, Korg, Roland и Yamaha.
В качестве образцов звучаний в таблично-волновом и сэмплерном методах
могут использоваться и результаты других методов синтеза или обработки.
Например, многие модные сейчас "электронные" звучания получены путем
сложной обработки различных ударных звуков, звука падения капель и даже
скрежета ржавого железа. Путем намеренного огрубления, внесения искажений и
дополнительных призвуков изначально мягкие звуки делаются более резкими и
пронзительными (яркий пример - дисторшн или овердрайв для гитары), а
изначально звонкие и яркие - смягчаются и выравниваются. При помощи даже
сравнительно простых операций вроде суммирования сигналов с фазовым сдвигом
можно получать совершенно не похожие на оригиналы звуки.
В последнее время все большее число звуковых адаптеров
| |  скачать работу |
Музыкальные возможности ПК |
