utk_021_kdzwiekowe

UTK. Karty dźwiękowe.

1. Cyfrowy zapis i synteza d

Proces kodowania informacji analogowej, czyli ciągłej, jaką jest dźwięk wymaga

realizacji kilku etapów:

•

próbkowanie, polegające na cyklicznym sprawdzaniu wartości przebiegu analogowego i
zwykle czasowym zapamiętaniu tej wartości,

•

kwantyzacja, polegająca na podziale całego obszaru zmienności wielkości analogowej na
określoną ilość podziałów i stwierdzeniu, w którym przedziale znajduje się dana próbka,

•

kodowanie,  polegające  na  przyporządkowaniu  kaŜdemu  przedziałowi  zmienności
wielkości  analogowej  określonej  kombinacji  zero-jedynkowej  i  podaniu  kodu  tego
przedziału, w którym znajduje się nasza próbka.

Interpretacja wyŜej przedstawionych operacji przedstawiona jest na rysunku 9.1.

adres

011 101 101 100 011 001 000 000 001 011 101 101 101 011

Pamięć
Rysunek 11.1. Przedstawienie przebiegu analogowego na cyfrowy

Przedstawienie informacji analogowej w postaci dyskretnej jest jednak pewnym

przybliŜeniem, co ilustruje rysunek 9.2. Gruba linia reprezentuje przebieg po zdigitalizowaniu
(czyli przetworzeniu na wartości cyfrowe).

Im więcej przedziałów, na które dzielimy przebieg analogowy, tym dokładniejsze jest

jego odtworzenie. Zwiększenie ilości przedziałów wymaga jednak większej ilości słów
kodowych potrzebnych do ich oznaczenia. Ilość kombinacji ciągów zero-jedynkowych zaleŜy
od ich długości i wynosi 2

. Dlatego teŜ dokładność przetwarzania związana jest z ilością

bitów,  których  uŜywamy  do  zapisywania  wyniku  przetwarzania.  Przykładowo  uŜywając  8
bitów  moŜemy  ponumerować  256  przedziałów  kwantowania.  Przy  uŜyciu  16  bitów
przedziałów tych moŜemy uŜyć 65 536.

Rysunek 9.2. Ilustracja błędu digitalizacji

Ilość bitów decyduje takŜe o waŜnym parametrze akustycznym zwanym dynamiką.

Dynamika jest stosunkiem najsilniejszego sygnału do najsłabszego, jaki jest w stanie
odtworzyć dane urządzenie akustyczne. Zwykle jest to jednocześnie stosunek maksymalnego

UTK. Karty dźwiękowe.

sygnału do szumu. Dla dźwięku cyfrowego dynamika zaleŜy w sposób oczywisty od długości
słowa zapisującego amplitudę dźwięku, bowiem stosunek maksymalnego sygnału do
minimalnego to maksymalna wartość cyfrowa równa 2

do 1-go bitu. Długość słowa 16-

bitowego gwarantuje dynamikę 95 dB, która jest osiągana jedynie przez bardzo dobre źródła
sygnału akustycznego, na przykład przez odtwarzacze płyt CD.

Innym istotnym parametrem przetwarzania przebiegu analogowego na cyfrowy jest

częstotliwość, z jaką sprawdzamy jego wartość, czyli tak zwana częstotliwość próbkowania.
Decyduje ona o tym jak szybkozmienny przebieg jesteśmy w stanie scyfryzować. Ilustruje to
rysunek.

Rysunek 9.3. Ilustracja znaczenia częstotliwości próbkowania

Na rysunku widać, Ŝe próbkowanie przebiegów 1 i 2 da w przyblizeniu takie same

wyniki, czyli Ŝe zostaną zapisane te same rezultaty, podczas gdy w rzeczywistości przebieg 2
ma  częstotliwość  czterokrotnie  większą  od  przebiegu  1.  Powodem  jest  zbyt  mała
częstotliwość  sprawdzania  przebiegu  w  drugim  przypadku.  W  teorii  sygnałów  istnieje  tak
zwane  twierdzenie  o  próbkowaniu,  które  mówi,  Ŝe  aby    odtworzyć  prawidłowo  przebieg  o
częstotliwości f, musimy pobierać jego próbki z częstotliwością dwukrotnie większą, czyli 2f.

W przypadku kart dźwiękowych konsekwencja jest następująca. PoniewaŜ chcemy

odtwarzać częstotliwości akustyczne, maksymalna częstotliwość, która nas interesuje, wynosi
20 kHz. Stąd częstotliwość próbkowania f

powinna wynosić:

= 2 * 20 kHz + niewielki zapas = 40 kHz + 4kHz = 44 kHz

Tę częstotliwość znają posiadacze kart dźwiękowych, gdyŜ taka jest właśnie zwykle

ich częstotliwość próbkowania.

Teoria sygnałów pomaga teŜ w znalezieniu sposobów syntezy dźwięków. Mówi ona

między  innymi,  Ŝe  dowolny  przebieg  periodyczny  moŜna  zsyntezować    z  przebiegów
sinusoidalnych  o  częstotliwościach  będących  całkowitymi  wielokrotnościami  częstotliwości
przebiegu  syntetyzowanego.  Sinusoidy  te  powinny  mieć  odpowiednio  pobrane  amplitudy  i
przesunięcia fazowe.

Synteza z modulacją częstotliwości (synteza FM)
Synteza ta polega na zastosowaniu jednego lub kilku generatorów o zmiennej częstotliwości,
która  dodatkowo  moŜe  być  modulowana  (zmieniana)  drugim  przebiegiem  pochodzącym  z
drugiego generatora takŜe o zmiennej częstotliwości. Szczególnie interesujące wyniki osiąga
się, gdy częstotliwość modulująca i częstotliwość podstawowa niewiele się róŜni. Na rysunku
9.4a przedstawiona jest fala sinusoidalna zmodulowana takŜe przebiegiem częstotliwości fali
podstawowej. Na rysunku 9.4b róŜnica tych częstotliwości wynosi 2,3.
Dodatkowym  zabiegiem  stosowanym  przy  syntezie  dźwięków  jest  kształtowanie  obwiedni
przebiegów,  zwanej  od  angielskich  nazw  poszczególnych  jej  fragmentów  obwiednią  ADSR
(Attac  -  narost,  Decay  -  spadek,  Sustain  -  trwanie  i  Release  -  zanik).  Obwiednie  takie  są
charakterystyczne  dla  niektórych  instrumentów,  na  przykład  gitary.  Zabieg  ten  pozwala  na

UTK. Karty dźwiękowe.

syntezę  znacznie  szerszego  zestawu  klas  dźwięków.  Kształtowanie  obwiedni  ADSR  dla
sygnału zmodulowanego częstotliwościowo pokazano na rysunku 9.4c.
Synteza  FM  jest  prostą  i  tanią  metodą  syntezy  dźwięku,  jednakŜe  daje  dźwięk,  który  brzmi
nieco sztucznie.

Rysunek 9.4. Synteza dźwięków metodą FM

Synteza Wave Table
Synteza Wave table uŜywa gotowych kształtów naturalnego dźwięku danego instrumentu. Dla
jej  potrzeby  przechowywane  są  próbki  dźwięków  róŜnych  instrumentów,  zwane  samplami
(ang.  sample  -  próbkować).  Próbka  taka  moŜe  być  podawana  obróbce.  Zmieniając  jej
częstotliwość, zmieniamy wysokość dźwięku, a zmieniając amplitudę, zmieniamy głośność.

2. Schemat blokowy i zadania karty d

kowej

Rysunek 9.5. Schemat blokowy karty dźwiękowej

UTK. Karty dźwiękowe.

Karta zawiera dwa przetworniki: analogowo/cyfrowy (ADC) i cyfrowo/analogowy

(DAC)  wraz  z  filtrami  dolnoprzepustowymi  (FDP).  Przetwornik  ADC  umoŜliwia
wprowadzenie poprzez wejście mikrofonowe i wejście audio dźwięków i ich zapis w postaci
cyfrowej, a przetwornik DAC umoŜliwia odtwarzanie dźwięków zapisanych cyfrowo. Układy
mikserów  pozwalają  łączyć  dźwięki  z  kilku  źródeł.  Źródłami  wyprowadzanych  dźwięków
mogą być pliki lub jeden z bloków syntezy: FM albo Wave Table. Ponadto część kart posiada
tak  zwany  interfejs  MIDI  pozwalający  na  współpracę  z  instrumentami  równieŜ
wyposaŜonymi  w  ten  interfejs.  Częstym  elementem  występującym  na  kartach  dźwiękowych
jest teŜ interfejs joysticka.

Współczesne karty są kartami stereo, co oznacza, Ŝe posiadają układy obsługujące dwa

kanały. W bardziej rozbudowanych kartach producenci oferują róŜnorodne moŜliwości
rozbudowy uzyskiwanych efektów dźwiękowych (dźwięk 3D).