CYFROWY ZAPIS I SYSTEM DŹWIĘKU

Cyfrowy zapis sygnałów nie jest wynalazkiem ostatniej dekady. Problem zapisu sygnałów w dyskretnej postaci nękał informatyków jeszcze przed pojawieniem się pierwszego mikrokomputera domowego. Proste karty dźwiękowe dostępne były jako opcjonalne rozszerzenie także do najwcześniejszych modeli PC.

Jeżeli skupimy się wyłącznie na zapisie i odtwarzaniu dźwięków z pominięciem możliwości syntezy, można założyć, że podstawowym elementem każdej karty dźwiękowej są przetworniki analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy. Ich pracą steruje procesor sygnałowy DSP, którego wydajność warunkuje osiągi urządzenia. Szybszy DSP oznacza obróbkę danych z większą prędkością, wolniejszy - gorsze parametry całej karty.

Nośnikiem sygnału dźwiękowego jest powietrze przenoszące drgania. W mikrofonie drgania przenoszone są na membranę (cienki plaster sztywnego materiału). Ruch membrany powoduje proporcjonalne zmiany prądu.

Pierwszym etapem przetwarzania analogowo-cyfrowego jest próbkowanie (sampling). Termin ten oznacza prowadzony z określoną częstością pomiar amplitudy sygnału. Najważniejszym parametrem etapu przetwarzania A/C jest tzw. Częstotliwość próbkowania. Odnosi się ona do liczby pomiarów przeprowadzanych w ciągu sekundy i jest wyrażona w Hertzach (Hz). Istnieje prosta zależność między częstotliwością próbkowania a jakością nagrania. Można założyć, że im jest większa, tym wierniej odzwierciedlany jest sygnał wejściowy. Kluczową rolę odgrywa tu tzw. kryterium Nyquista (nazywane też prawem Shannona) mówiące o tym, że do zapisu sygnału o określonej częstotliwości koniecznie jest próbkowanie z dwukrotnie większą częstotliwością.

Ponieważ ucho ludzkie jest w stanie wychwycić dźwięki o częstotliwości do 20 kHz, minimalna częstotliwość próbkowania potrzebna do wiernego zapisu słyszalnych odgłosów to ok. 40 kHz (w przypadku płyt CD Audio to ok. 44 kHz). Zmniejszenie liczby próbek na sekundę powoduje wyraźny spadek jakości dźwięku. Do uzyskania jakości telefonicznej nagrania wystarczy próbkowanie około 8 kHz (zapisywane jest pasmo o szerokości 4 kHz). Z pojęciem próbkowania nieodłącznie wiąże się problem tzw. aliasingu. To niekorzystne zjawisko polega na pojawianiu się w próbkowanym sygnale niechcianych częstotliwości. Aby temu zapobiec, podczas wejścia sygnał jest poddawany działaniu filtrów antyaliasingowych (wytłumiających składowe o częstotliwościach wyższych niż połowa częstotliwości próbkowania).

Uzyskane w wyniku próbkowania pomiary mają ciągle charakter analogowy (ciągły). Wartość zmierzonej amplitudy musi być jednak zapisana w postaci ciągu bitów o ustalonej długości. Ten etap zapisu dźwięku nazywa się kwantyzacją. Polega on na zaokrąglaniu kolejnych wyników do najbliższej wartości przy uwzględnieniu "głębi" zapisu. Najprościej wyjaśnić to na przykładzie. Załóżmy, że wynik kolejnego pomiaru jednostronnego sygnału (wartość próbki przed kwantyzacją) to 1,4567. Ponieważ na wejściu przetwornika A/C pojawiać się mogą sygnały z przedziału 0-3, wynik leży mniej więcej w połowie "skali". Jeżeli zapis ma się odbyć z użyciem 8 bitów, mamy do wyboru jeden z możliwych 256 (28) poziomów pojedynczej próbki.

SYNTEZA DŹWIĘKU, kształtowanie (tj. wytwarzanie i przekształcanie) dźwięku metodami elektrycznymi. Synteza dźwięku stanowi podstawę warsztatu realizacyjnego muzyki elektronicznej, wykorzystywana jest w elektrycznych instrumentach muzycznych.

Z wielu metod syntezy dźwięku stosowanych w muzyce najważniejsze są metody: reprodukcyjna, addytywna, subtrakcyjna, odkształcenia, metody modulacyjne - modulacji częstotliwości (FM) i modulacji amplitudy (AM), metody symulacji głosu - VOSIM i FOF, metoda granulacyjna.

W metodzie reprodukcyjnej utrwalony uprzednio wzorzec dźwiękowy jest odtwarzany zawsze w tej samej postaci. Metoda ta znalazła zastosowanie w elektromechanicznych instrumentach muzycznych w których barwa i wysokość dźwięku określana jest przez wzorzec w postaci śladu dźwiękowego naniesionego na wirującą tarczę lub przez formę drgania strun, języczków, płyt itd. stanowiących element generatora elektromechanicznego

Udoskonaloną formę metody reprodukcyjnej zastosowano w cyfrowych samplerach, w których można utrwalać różne zestawy dźwięków. Szczególna odmiana metody reprodukcyjnej użyta jest w syntezatorach Fairlight CMI, PPG Wave i Korg Wavestation, w których w płynny sposób łączone są w sekwencje fragmenty utrwalonych w pamięci cyfrowej przebiegów dźwiękowych o różnym kształcie.

W metodzie addytywnej, zwanej też sumacyjną, dźwięk o określonej barwie powstaje przez sumowanie tonów składowych o odpowiednich stosunkach amplitudy. Stosunki te mogą zmieniać się w czasie trwania dźwięku i przy zmianie wysokości w określony sposób, np. podobnie jak w dźwięku naturalnym. Metoda addytywna jest jedną z najbardziej uniwersalnych i teoretycznie pozwala na stworzenie dowolnego dźwięku; w praktyce wymaga użycia tylu źródeł tonu, ile składników ma mieć syntezowany dźwięk, a co więcej - wymaga określenia dla każdego tonu składowego odpowiedniej zmiany amplitudy w czasie. Synteza dźwięku metodą addytywną może być najpełniej zrealizowana przy użyciu komputera (komputerowa muzyka) lub cyfrowych syntezatorów muz. ( Fairlight, Synclavier i in.), w których można m.in. uzależniać skład widma (barwę) od wysokości, głośności, siły uderzenia lub nacisku klawisza itp. W starszych elektrycznych instrumentach muzycznych wykorzystujących metodę addytywną (m.in. telharmonium, connsonata, organy Hammonda, polychord, organy AWB) stosowano niezmienne dla danej barwy stosunki amplitudowe tonów składowych, ograniczano też znacznie liczbę składowych (liczbę generatorów); do tworzenia wyższych tonów składowych wykorzystywano także tony podstawowe danego instr. (np. w organach Hammonda).

W metodzie subtrakcyjnej, zwanej też metodą eliminacji, barwa dźwięku tworzona jest przez przekształcanie bogatego w składniki widma dźwięku w taki sposób, aby uwypuklić pewne zakresy tonów składowych ( formanty) decydujące o barwie. Przekształcanie dokonywane jest za pomocą elektrycznych filtrów i korektorów ( modyfikatory dźwięku) eliminujących lub osłabiających składniki widma pomiędzy formantami; w komputerowej syntezie dźwięku przekształcenie może mieć formę odpowiednich operacji matematycznych.

Metoda subtrakcyjna przypomina sposób tworzenia się barwy w tradycyjnych instrumentach muzycznych i naturalnych źródłach dźwięku, dlatego chętnie stosowana jest w instrumentach elektrycznych, szczególnie w syntezatorach analogowych, pozwalających imitować rozmaite dźwięki. Jako źródło drgań bogatych w składowe stosuje się zazwyczaj generatory przebiegów piłowych, prostokątnych, trójkątnych oraz generatory szumu. W syntezatorach parametry filtrów mogą być zmieniane w trakcie trwania dźwięku i uzależnione od numeru klawisza, siły uderzenia lub nacisku itp. Metoda odkształcenia polega na zaprogramowanej zmianie kształtu uprzednio generowanego przebiegu, np. zmianie wytwarzanego przez generator przebiegu sinusoidalnego w prostokątny lub trójkątny; realizowana jest za pomocą nielinearnych modyfikatorów dźwięku lub cyfrowo za pomocą mnożenia odkształcanego przebiegu przez odpowiednią funkcję matematyczną.

W metodach modulacyjnych dźwięk użyteczny powstaje zwykle z dwóch sygnałów przez modulację, tj. przez oddziaływanie jednego sygnału na parametry drugiego, np. na jego częstotliwość (modulacja częstotliwości) lub amplitudę (modulacja amplitudy). W rezultacie powstaje rozbudowane widmo częstotliwości, nawet jeśli oba sygnały są drganiami prostymi. Modulacja częstotliwości (FM, ang. Frequency Modulation), zastosowana do komputerowej syntezy dźwięku przez J. Chowninga (1973), pozwala na tworzenie bogatych widm dźwięku o budowie formantowej już nawet z dwóch przebiegów sinusoidalnych.

Charakter widma (barwę) można zmieniać w szerokich granicach przez zmianę jedynie dwóch parametrów: wskaźnika modulacji (zależnego od amplitudy przebiegu modulującego) oraz stosunku częstotliwości obydwu przebiegów. Płynna zmiana wskaźnika modulacji w czasie trwania dźwięku powoduje przesuwanie formantów, równoznaczne z ciągłą zmianą barwy. Stosunek częstotliwości decyduje o harmoniczności lub nieharmoniczności widma. Modulację częstotliwości można w zasadzie realizować w syntezatorach analogowych, jednak zalety tej metody udało się w pełni wykorzystać w cyfrowej syntezy dźwięku w komputerach lub syntezatorach cyfrowych (Synclavier, Yamaha DX).

Modulacja amplitudy (AM, ang. Amplitude Modulation) polega na mnożeniu przez siebie dwóch sygnałów, w wyniku czego powstają częstotliwości będące sumą i różnicą częstotliwości oryginalnych. Jeśli jeden z sygnałów oryginalnych ma przebieg sinusoidalny, zaś drugi jest przebiegiem złożonym, wówczas w wyniku modulacji widmo sygnału złożonego zostaje przetransponowane w górę i w dół o częstotliwości sygnału sinusoidalnego; jednocześnie następuje zmiana harmonicznej struktury widma (np. z harmonicznej na nieharmoniczną), prowadząca do istotnych zmian barwy. Synteza dźwięku metodą modulacji amplitudy znalazła najszersze zastosowanie w syntezatorach analogowych, gdzie jest realizowana za pomocą modulatora kołowego lub przesuwnika widma; jest ona szczególnie przydatna do tworzenia dźwięków o charakterze metalicznym.

Metody symulacji głosu opierają się na fizycznym modelu powstawania głosu ludzkiego. Metoda VOSIM (od ang. VOice SIMulation), której autorami są W. Kaegi i S. Tempelaars (1973, 1978), wykorzystuje do generowania dźwięku serię zanikających impulsów (o kształcie wyrażonym funkcją sin2), powtarzaną z określoną częstotliwością; serie rozdzielone są pauzą o regulowanej długości. Sygnał VOSIM ma widmo z wyraźnym formantem, przy czym o położeniu (częstotliwości) formantu decyduje długość pojedynczego impulsu, o jego szerokości liczba i szybkość zanikania impulsów w serii, zaś o wysokości dźwięku częstotliwość powtarzania serii (zależnie od długości pauzy).

Metoda FOF (od franc. Forme d'Onde Formantique), zaproponowana przez X. Rodeta (1975), różni się od metody VOSIM głównie kształtem impulsu (wyrażonym funkcją sin), formą narastania i zanikania serii impulsów oraz użyciem jednocześnie wielu generatorów, z których każdy odpowiada za jeden formant; pozwala to na elastyczną zmianę barwy i wysokości dźwięku za pośrednictwem kilku parametrów.

Metoda FOF (podobnie jak metoda VOSIM) realizowana jest w praktyce za pomocą komputera; użytkownik posługuje się nią przy użyciu specjalnego programu CHANT, pozwalającego m.in. imitować z dużą wiernością różnorodne głosy wokalistów, barwy różnych instrumentów. itp. Metoda granulacyjna, oparta na pomyśle fizyka D. Gabora (1947), polega na traktowaniu każdego dźwięku jako sumy nakładających się elementarnych sygnałów (ziaren) w postaci krótkich (rzędu 1/50 sekundy) fragmentów sinusoidy. Metoda ta, przystosowana do celów muz. przez I. Xenakisa, została urzeczywistniona przez C. Roadsa (1975); ze względu na konieczność generowania kilku tysięcy ziaren na sekundę daje się realizować jedynie za pomocą komputera. Metoda granulacyjna pozwala na uzyskiwanie dźwięków o żywej, zmiennej fakturze.

SKŁADNIKI I ZASADA DZIAŁANIA MAGISTRALI USB

USB (ang. Universal Serial Bus - uniwersalna magistrala szeregowa) to opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM, DEC rodzaj portu komunikacyjnego komputerów, zastępującego stare porty szeregowe i porty równoległe. Port USB jest uniwersalny, pozwala na podłączanie do komputera wielu urządzeń, na przykład: kamery wideo, aparatu fotograficznego, skanera lub drukarki.

Przyjęty w normie USB sposób opisu powiązań pomiędzy sprzętem i oprogramowaniem

nawiązuje do warstwowego modelu wzorcowego zalecanego przez ISO:

• w warstwie fizycznej scharakteryzowano współdziałanie układów sprzęgających,

• warstwa logiczna dotyczy organizacji przepływu danych pomiędzy oprogramowaniem systemowym i „wirtualnymi” urządzeniami logicznymi,

• w warstwie funkcjonalnej podano opis systemu z punktu widzenia programów, wykonywanych na komputerze macierzystym, które odwołują się do funkcji pełnionych przez urządzenia wykonawcze.

W normie USB są cztery główne kategorie składowych systemu:

1. program klient - wykonywany w komputerze macierzystym program odwołujący się,

za pośrednictwem oprogramowania systemowego USB, do funkcji pełnionej przez

urządzenie wykonawcze;

2. oprogramowanie systemowe USB obejmujące, działające w ramach systemu

operacyjnego, programy - USBD (program obsługi magistrali) i HCD (program

obsługi sterownika USB);

3. sterownik magistrali USB - znajdujące się po stronie komputera macierzystego

układy interfejsowe i związane z nimi oprogramowanie;

4. urządzenie USB - zewnętrzne urządzenie dołączone do komputera macierzystego za

pośrednictwem kabla USB: koncentrator lub urządzenie wykonawcze.

Magistrala USB miała być początkowo jedynie standardowym interfejsem urządzeń transmisji danych po liniach telefonicznych. Wkrótce okazało się, ze może być wykorzystywana do dołączania komputerowych urządzeń peryferyjnych. Uniwersalna magistrala szeregowa (USB) w wersji 1.1 stała się podstawowym standardem stosowanym w przypadku dołączania do systemów komputerowych urządzeń zewnętrznych. Według tej wersji standardu możliwe jest przesyłanie, za pomocą magistrali USB, strumienia bitów zmieniających się z częstotliwością 1,5 Mb/s lub 12 Mb/s.

W nowej wersji normy dotyczącej uniwersalnej magistrali szeregowej „Universal Serial Bus Specification Revision 2.0” firmowanej przez czołowych producentów urządzeń komputerowych i telekomunikacyjnych (Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies, Microsoft, NEC i Philips), możliwości magistrali USB zostały znacznie rozszerzone.

Wprowadzono dodatkową 40-krotne większą od dotychczas stosowanej maksymalnej, szybkość transmisji danych - 480 Mb/s. W nowej specyfikacji magistrali przewidziano zachowanie obustronnej kompatybilności urządzeń zgodnych z wcześniejszą wersja 1.1 i opracowanych dla USB-2. W jednej sieci, obok urządzeń przesyłających strumienie danych z częstotliwością bitowa 480 Mb/s, mogą pracować urządzenia transmitujące z częstotliwością 1,5 Mb/s i 12 Mb/s.

Norma „Universal Serial Bus Specification Revision 2.0” zawiera informacje o budowie układów sprzęgających, o programach obsługi urządzeń we-wy oraz opis konstrukcji koncentratorów i głównego sterownika magistrali. Parametry magistrali USB-2 spełniają wymagania szerokiej gamy urządzeń peryferyjnych.

Rys. 1 Hub - USB

Rys 2. Końcówki USB

5

---