Эволюция аудиосредств PC
"Законодателем мод" на звуковые карты можно назвать фирму
Creative Labs. Ее первые звуковые карты, выпускавшиеся для шины ISA, по
нынешним меркам были примитивными. Sound Blaster имел 8-битный
монофонический цифровой тракт с частотой дискретизации 11/22 кГц
(запись/воспроизведение), двухоператорный (но многоголосый)
FM-синтезатор OPL2, интерфейс MIDI, аналоговые аудио входы и выходы;
полный дуплекс не поддерживался. Позже появился Sound Blaster Pro
- уже стереофонический, частота дискретизации поднята до 45.4 кГц в моно
режиме, при стереозаписи 22.05 кГц. Синтезаторов стало два - по одному
на каждый канал. Эта карта стала основой для программно-аппаратной
модели совместимости SB: в пространстве ввода/вывода 220-22F находятся
регистры синтезатора, микшера и, дополнительно, DSP. Использует
прерывание (IRQ5), стандартным средством доставки цифрового потока
являлся 8-битный канал DMA1 шины ISA. Следующим шагом эволюции стал
переход на 16-разрядные АЦП/ЦАП - карта Sound Blaster 16 стала
основой фактического стандарта SB16. Частота дискретизации до 44.5 кГц в
любом режиме, для 16-битного режима использует канал DMA5. Поддерживает
дуплексный режим, но при этом запись идет в 8-битном формате, поскольку
требуется два канала DMA, а DMA1 - 8-битный. В аналоговый тракт введены
управляемые регуляторы тембра по низким и высоким частотам. Плата
эмулирует MPU-401 в режиме UART (адреса 330, 331h). На плату может быть
установлен "продвинутый" сигнальный процессор (ASP), а также дочерняя
плата с WT-синтезатором. Разъем дочерней платы унифицирован, на него
выводится выход MIDI (с уровнями ТТЛ), аналоговые входы и питание. Карты
обычно снабжаются портом для подключения джойстика - GAME-порт с
программной реализацией обработки сигналов от резистивных датчиков
положения. На контакты 12 и 15 разъема GAME выводятся сигналы MIDI с
уровнями ТТЛ. Похожие возможности имел целый ряд моделей карт от
Creative Labs и иных поизводителей. Они отличались в некоторых деталях и
характеристиках (особенно по уровню шумов), развивались возможности
FM-синтезаторов (увеличивалось число операторов и голосов).
Совершенствовались и применяемые DSP. На многих картах присутствует и
интерфейс IDE для подключения CD-ROM (в старых моделях устанавливали
специфические интерфейсы CD-ROM Sony, Panasonic, Mitsumi). Более поздние
модели исполнялись в варианте PnP, что большинству пользователей
облегчало установку карты. Для музыкантов большой интерес стали
представлять карты с WT-синтезатором. Карта Sound Blaster AWE32
(Advanced Wave Effects) сочетает в себе SB16 с 32-голосным
WT-синтезатором. Сигнальный процессор для каждого голоса (а также
сигнала с FM-синтезатора) реализует управляемые эффекты реверберации,
хоруса, резонансного фильтра. Голоса инструментов хранятся в ПЗУ,
имеется и ОЗУ (наращиваемое) для загрузки произвольных наборов
инструментов. Существует целое семейство карт AWE (включая и AWE64, и
SB32), с поддержкой PnP и без нее, с разным объемом памяти, с нюансами в
процессорах эффектов, в поддержке 3D-Sound и т.п. Раньше, чем
появились карты AWE, фирма Gravis Ultrasound выпустила своего
знаменитого "гуся" - карту GUS с WT-синтезатором (но без FM).
Первые модели имели только 8-битный АЦП (но ЦАП 16-битный), процессор
эффектов отсутствовал, голоса загружались в ОЗУ (наращиваемое). Карта
несовместима ни с какими другими семействами, что осложняло ее
немузыкальные применения. Позже появились полностью 16-разрядные карты,
поддержка PnP, процессоры эффектов. Однако теперь фирма Gravis звуковыми
картами не занимается. Для шины ISA разными фирмами выпускается
большое число моделей звуковых карт, похожих по свойствам на
перечисленные. Их совместимость с моделью SB16 является залогом
совместимости с множеством игр, работающих в среде DOS непосредственно с
"железом" звуковой карты. В противном случае игра (ее разработчик)
должна "знать" аппаратуру данной карты, или пытаться работать с
программным эмулятором SB. В среде Windows с аппаратурой принято
общаться через системные драйверы, так что проблемы совместимости
решаются чисто программно. При необходимости эмуляции в защищенном
режиме ее выполняют через генерацию исключений процессоров при обращении
к портам ввода-вывода. Однако в реальном режиме процессора полностью
прозрачная эмуляция невозможна, и именно DOS-игры оказались носителями
груза наследия, который в 21 век тащить уже не хотят.
Традиционно
на звуковых картах устанавливают порт аналогового джойстика, при этом
сохраняя интерфейс, пришедший со времен первых PC. Этот интерфейс
реализует аналого-цифровое преобразование сигналов от резистивных
датчиков чисто программно, расходуя ресурс процессора. В некоторых
звуковых картах преобразование выполняется аппаратно (интерфейс с
джойстиком сохраняется), но программа должна снимать показания иным
способом. В последнее время стали популярными звуковые карты для шины
PCI. Казалось бы, это и никчему - производительности шины ISA для
доставки аудиопотока вполне хватало. Однако эту шину "приговорили" - в
спецификации Hardware'99 от Microsoft ее уже нет, а ее функции
переносятся на PCI, USB, FireWire. Функциональные возможности и высокая
пропускная способность PCI открывают новые возможности для аудиосистемы
PC. Правда, перенос звуковых карт на PCI вызывает некоторые трудности
переходного периода, поскольку на какое-то время требуется обеспечить
совместимость с SB16, где доставка цифрового потока производится по
каналу DMA. В PCI понятия DMA нет, но любая карта может быть
контроллером обмена с памятью. Для обеспечения совместимости звуковых
карт PCI с SB16 может использоваться один из двух механизмов: PC/PCI или
DDMA. Механизм PC/PCI был разработан фирмой Intel для обеспечения
возможности использования слотов ISA блокнотными ПК, подключаемыми к
док-станциии по шине PCI. Альтернативное решение - механизм DDMA
(Distributed - распределенный) DMA. Как известно, контроллеры DMA для
шины ISA располагаются на системной плате, и управление несколькими
каналами выполняется через одни и те же регистры. DDMA позволяет
"расчленить" стандартный контроллер и отдельные его каналы эмулировать
средствами карт PCI. Оба этих механизма реализуемы только как часть
моста между первичной шиной PCI и шиной ISA, поэтому их поддержка может
обеспечиваться (или не обеспечиваться) только на системной плате и
разрешаться в BIOS Setup. Кроме режима совместимости с SB16 звуковая
карта PCI может работать и в естественном для этой шине режиме, реализуя
все ее преимущества. По степени вытеснения аналоговой обработки
цифровой технологией фирма Intel различает три градации звуковых
карт. Аналоговые (Analog) карты имеют аналоговые входные
(микрофон, линейный вход, CD) и выходные (линейный и от усилителя) цепи.
В этих картах чаще всего применяются аналоговые микшеры. На этих картах
располагается и порт традиционного аналогового джойстика и MIDI. Первое
поколение этих карт использовало шину ISA, аудиокристаллы располагались
и на некоторых системных платах. Теперь их сменяют карты для PCI, но при
этом обычно сохраняется совместимость с SB16. Карты Digital
Ready позволяют заменить входные и выходные аналоговые интерфейсы на
цифровые, используя шины общего назначения (USB, FireWire) и специальные
цифровые аудиоинтерфейсы (S/PDIF,
I2S)1
для подключения цифровой аудиоаппаратуры. В этих картах аудиопоток от
любого источника внутри карты представляется в цифровом виде и может
перенаправляться как на аналоговые, так и на цифровые внешние интерфейсы
или носители информации. В отличие от первых карт, где характеристики
АЦП (разрядность, максимальная частота преобразования) часто были хуже,
чем ЦАП, теперь упор сделан на АЦП. Его разрядность повышают до 18 бит и
более, сохраняя разрядность ЦАП в 16 бит. Качественный АЦП, который
остается единственным источником шума ("цифра" не шумит по определению),
нужен для расширения динамического диапазона. Разрядность обрабатываемых
аудиоданных увеличивают до 32 бит, чтобы при вычислениях не терялась
точность. ЦАПы используются только для прослушивания, так что их
погрешности и шумы не накапливаются. Поскольку между такой картой и
системной шиной может потребоваться циркуляция множества цифровых
аудиопотоков, в качестве шины расширения PCI альтернатив не имеет.
Интерфейс аналогового джойстика с этих карт уходит, подразумевая его
замещение цифровым для шины USB. Полностью цифровые карты (Digital
Only) полностью избавлены от аналоговых интерфейсов - все ушли на
USB и FireWire. Здесь ожидается переход от существующих 16-битных стерео
стандартов к многоканальным системам большей разрядности и с частотой
квантования выше 48 кГц. Переход на полностью цифровую обработку
аудиосигналов, включая микширование, фильтрацию, позиционирование и
применение эффектов стал возможен даже для программной реализации на
современных процессорах (для этого, в частности, и предназначалась
технология MMX). Однако если для одного потока это и приемлемо, то для
множества потоков и в многозадачной системе высокого качества обработки
не получить (начнутся "заикания"), а загрузка процессора будет слишком
высокой. В графической системе подобная проблема решается
видеоакселераторами, которые стали уже традиционной частью видеокарт. То
же начинают применять и в аудиокартах. Аппаратные средства, реализующие
функции обработки аудиопотоков, называют аудиоакселераторами.
Фактически это сигнальные процессоры (DSP) со стандартизованным
программным интерфейсом (набором драйверов). В среде Windows имеется
технология DirectX, позволяющая эффективно взаимодействовать с
аппаратными средствами компьютера. Для звуковых задач в ней имеется
интерфейс DirectSound и DirectSound 3D, названия которых говорят сами за
себя. Приложения вызывают аудиосервисы через стандартные программные
интерфейсы, а если в системе установлен аудиоакселератор с поддержкой
DirectSound и DirectSound 3D, то возможности этих сервисов расширятся, а
нагрузка на процессор снизится. В качестве примера современной
относительн недорогой карты PCI рассмотрим Sound Blaster Live!,
опять-таки от Creative Labs. В составе этой карты имеется волновой
синтезатор-сэмплер, процессор эффектов, цифровой микшер, многоканальный
аудиорекордер/проигрыватель, процессор трехмерного позиционирования
звука, аналоговые и цифровые аудиоинтерфейсы, порты MIDI. Все эти
функции реализуются на одном кристалле EMU10K1 - 32-разрядном DSP,
выполняющим все операции при частоте квантования 48 КГц. Архитектура
карты ориентирована на средний (по нынешним меркам) компьютер: минимум
Pentium 133, ОЗУ 16 МБ, шина PCI 2.1. Синтезатор использует часть ОЗУ
(до 32 МБ) компьютера (на плате нет ни ПЗУ, ни ОЗУ для сэмплов), общаясь
с ним через собственный интеллектуальный контроллер шины PCI. Аппаратно
обеспечивается 64-голосная полифония с использованием 8-точечной
интерполяции, позволяющей сократить объем сэмплов не в ущерб качеству.
Программно могут быть реализованы еще 512 голосов. Доступ к синтезатору
обеспечивают 2 внутренних порта MIDI для аппаратного и 1 порт для
программного синтезатора, что позволяет одновременно использовать до 48
разных инструментов (3x16 каналов). Высокое качество WT-синтеза
обеспечивается применением многослойной структуры инструментов,
управляемых фильтров и прочих технологий "оживления" звука. Карта имеет
средства редактирование сэмплов и банков инструментов, используя формат
SF2 (SoundFont 2). Процессор эффектов в реальном времени обеспечивает
реверберацию, хорус, флэнджер, смещение высоты тона и ряд других.
Эффекты доступны для любых аудиоисточников (включая и воспроизведение
звукозаписей) в различных сочетаниях. При обработке, микшировании и
позиционировании используется до 131 аппаратных каналов, вся обработка
выполняется в цифровом виде. Эффекты (их параметры) управляемы в
реальном времени. Структура микшеров позволяет одновременно использовать
как "чистые" сигналы источников, так и с наложенными эффектами. Система
трехмерного позиционирования позволяет выбрать оптимизацию для 2 или 4
колонок или наушников. Карта имеет акселератор DirectSound и
DirectSound3D. Канал записи/воспроизведения обеспечивает разрядность
8 или 16 бит, частоту квантования 8-48 кГц, полный дуплекс. Более того,
поддерживается до 32 одновременных аудиосессий с аппаратным
микшированием. Возможно применение внешних 20-битных АЦП с интерфейсом
S/PDIF, при этом все критичные к наводкам цепи выносятся из корпуса
компьютера. Карта имеет богатый набор внешних интерфейсов. Это
традиционные мини-джеки для микрофонного и линейного входов, линейных
выходов фронта и тыла, разъем джойстика/MIDI. На дополнительной плате
установлены разъемы-"колокольчики" S/PDIF (вход и выход), MIDI (вход и
выход), цифровой выход на 8-колоночное расширение. Для внутренних
источников имеются входы с CD-ROM (аналоговый и S/PDIF), с DVD
(I2S) и еще пара аналоговых входов. Отношение сигнал/шум
90 дБ, динамический диапазон 94 дБ. В заключении отметим, что на PC
появилась возможность прослушивания музыки без звуковой карты, но с
высоким качеством (вот она, спираль развития). Достаточно приобрести
колонки для USB, например LCS-1040 фирмы Labtec ($80), и подключить их к
разъему USB (если таковой установлен - на многих системных платах порт
есть, а внешний разъем не прилагается). Под управлением Windows 9x/NT
можно наслаждаться воспроизведением с CD, WAV-файлов, а при наличии
программного WT-синтезатора - еще и проигрывать MIDI. Есть, правда,
некотрые неудобства - под DOS колонки будут молчать (USB недоступна),
трудности возникнут и с другими ОС. Что происходит при отсутствии
аудиоакселератора, мы обсуждали выше. Кроме того, программное
микширование при 16-битном тракте после микшера к колонкам по мере
уменьшения громкости сужает динамический диапазон. Так что "прелесть"
такого решения пока сомнительна - традиционное решение SB+колонки или
наушники дешевле и эффективнее.
1) S/PDIF (Sony/Philips
Digital Interface Format) - цифровой последовательный интерфейс (и
форматы данных) для передачи аудиосигналов между блоками бытовой
цифровой аудиоаппаратуры (DAT, CD-ROM и т.п.). Существует электрическая
(с разъемами мини-джек или "колокольчики") и оптическая версии
интерфейса. Применение оптики позволяет обеспечить полную гальваническую
развязку устройств, что необходимо для снижения уровня наводок. Кроме
того в студийной аппаратуре применяют и интерфейсы AES/EBU, ADAT, TDIF,
которые имеются только на дорогих профессиональных звуковых картах. Для
обмена данными с приводами DVD применяется цифровой последовательный
интерфейс I2S.
Михаил Гук ( Mgook@stu.neva.ru) Опубликовано
в газете "КомпьютерИнфо" (СПб.) 29-38, 1998 г. Публикация в печатных
изданиях только с разрешения автора, ссылка
обязательна.
Книги | Статьи | Начало
Copyright (c) М. Гук, 1999. Дизайн (с) О. Гук, 1999.
|