UTK. Karty dźwiękowe.

1

Spis treści

1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku.......................................................................... 2
2. Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej ............................................... 4

UTK. Karty dźwiękowe.

2

1. Cyfrowy zapis i synteza d

ź

wi

ę

ku

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 każdemu przedziałowi zmienności
wielkości analogowej określonej kombinacji zero-jedynkowej i podaniu kodu tego
przedziału, w którym znajduje się nasza próbka.

Interpretacja wyżej 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

przybliżeniem, 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 zależy
od ich długości i wynosi 2

n

. Dlatego też dokładność przetwarzania związana jest z ilością

bitów, których używamy do zapisywania wyniku przetwarzania. Przykładowo używając 8
bitów możemy ponumerować 256 przedziałów kwantowania. Przy użyciu 16 bitów
przedziałów tych możemy użyć 65 536.

Rysunek 9.2. Ilustracja błędu digitalizacji

Ilość bitów decyduje także o ważnym 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.

3

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

n

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, że próbkowanie przebiegów 1 i 2 da w przyblizeniu takie same

wyniki, czyli że 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, że aby odtworzyć prawidłowo przebieg o
częstotliwości f, musimy pobierać jego próbki z częstotliwością dwukrotnie większą, czyli 2f.

W przypadku kart dźwiękowych konsekwencja jest następująca. Ponieważ chcemy

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

p

powinna wynosić:

f

p

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

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

ich częstotliwość próbkowania.

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

między innymi, że dowolny przebieg periodyczny można 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 może być modulowana (zmieniana) drugim przebiegiem pochodzącym z
drugiego generatora także o zmiennej częstotliwości. Szczególnie interesujące wyniki osiąga
się, gdy częstotliwość modulująca i częstotliwość podstawowa niewiele się różni. Na rysunku
9.4a przedstawiona jest fala sinusoidalna zmodulowana także przebiegiem częstotliwości fali
podstawowej. Na rysunku 9.4b różnica 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.

4

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, jednakże daje dźwięk, który brzmi
nieco sztucznie.

Rysunek 9.4. Synteza dźwięków metodą FM

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

2. Schemat blokowy i zadania karty d

ź

wi

ę

kowej

Rysunek 9.5. Schemat blokowy karty dźwiękowej

UTK. Karty dźwiękowe.

5

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

(DAC) wraz z filtrami dolnoprzepustowymi (FDP). Przetwornik ADC umożliwia
wprowadzenie poprzez wejście mikrofonowe i wejście audio dźwięków i ich zapis w postaci
cyfrowej, a przetwornik DAC umożliwia 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 również
wyposażonymi w ten interfejs. Częstym elementem występującym na kartach dźwiękowych
jest też interfejs joysticka.

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

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