Преобразователи АЦП и ЦАП

1.2. Преобразователи АЦП и ЦАП

Наиболее естественным способом "подружить" цифровой компьютер с его "рваной" импульсной системой передачи информации, и непрерывный реальный мир является использование преобразователей аналоговых сигналов в цифровые и обратно, которые и называются аналогово-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями - АЦП и ЦАП. Первый получает непрерывный аналоговый сигнал и постоянно выдает поток цифровых сигналов, второй действует наоборот. При этом говорят, что АЦП кодирует аналоговый сигнал, а ЦАП - декодирует его. В англоязычной литературе используются обозначения ADC и DAC, а также codec (coder/decoder).

Для преобразования в цифровой код аналоговый сигнал приходится подвергать дискретизации - разбиению на фиксированные участки во времени и на ряд фиксированных величин - по уровню. Каждый элементарный участок сигнала кодируется одним числом, величина которого пропорциональна среднему уровню сигнала на этом участке; такое число называется отсчетом. Числа появляются на выходе АЦП синхронно с изменением сигнала на входе; точность преобразования будет тем выше, чем выше частота следования отсчетов и чем больше используется фиксированных значений уровня. Частота следования отсчетов называется частотой дискретизации, а диапазон значений отсчета определяется разрядностью его двоичного представления.

Выбор частоты дискретизации важен в первую очередь для передачи частотного диапазона сигнала - при слишком низкой частоте звук 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

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.

Похожие работы

Музыкальная пушкиниана в отечественной культуре XIX-XX веков

Скачать

14526

0

0

... , при мне" с простым безыскусным напевом Глинки, услышанным от Грибоедова, и более сложное драматическое решение в романсе - восточной поэме Рахманинова, полной элегической тоски и одиночества. Музыкальная пушкиниана ХХ века также весьма обширна и интересна. В числе наиболее значительных произведений - балеты "Медный всадник" Глиэра, одна из главных тем которого поистине стала "гимном великому ...

Возможности развития элементарных способностей в условиях работы в классах коррекционно-развивающего обучения

Скачать

56358

0

0

... песен, прибауток, считалок для исполнения на музыкальных инструментах; для нориолизации просодической стороны речи при импровизации мелодичных и ритмических подпевок. В работе с учащимися начальных классов в коррекционно-развивающем обучении могут быть использованы лишь самые простые инструменты. Это музыкальные инструменты ударной группы как чисто ритмические, не обладающие определенной высотой ...

Музыкальное обучение в детском саду

Скачать

49126

0

0

... нравственных качеств личности ребенка, закладывает первоначальные основы общей культуры будущего человека. II.        Педагогические условия реализации видов деятельности детей в детском саду   2.1 Методы музыкального обучения в детском саду Основной вид музыкальной деятельности, которому принадлежит ведущая роль в реализации познавательной и коммуникативной функции музыки – ее восприятие ...

Организация музыкального воспитания умственно отсталых детей-сирот и детей, лишенных попечения родителей, в системе комплексной педагогической работы

Скачать

51227

0

1

... работы над музыкальным произведением, уровнем эмоционально-поведенческих расстройств. 2. Специфика музыкальной работы в детском доме для умственно отсталых детей-сирот и детей, лишенных попечения родителей Решению задач музыкального образования помогает использование разнообразных форм организации музыкальной деятельности, каждая из которых обладает определенными возможностями (см. схему). ...