Всі сучасні персональні комп’ютери дозволяють ефективно обробляти зву ковие (аудіо) сигнали, включаючи програвання звукових файлів, генерацію звукових еф дефектів в комп’ютерних іграх, запис та аналіз аудиосигналов. Більшість користувачів знайоме з основними сферами застосування звукових карт. Тим не менш, звукові карти знаходять широке застосування і в домашній лабораторії радіоаматора, причому на їх осно ве можна створювати досить серйозні вимірювальні схеми, генератори сигналів раз особистої форми і схеми керування різними пристроями.

Застосування звукової карти в якості «електронного осцилографа» відомо широко му колу читачів, причому розроблено цілий ряд програм, що дозволяють запустити на ва шем комп’ютері такий осцилограф. Незважаючи на відносно вузький діапазон вимірювань, обмежений верхньою межею звукових частот (приблизно 20 КГц), в більшості випадків цього цілком достатньо для виконання вимірювань щодо повільно змінять ющіхся аналогових сигналів.

Перед тим як обговорити можливості роботи зі звуковими картами, необхідно хоча б коротко ознайомитися з принципами обробки звукових коливань і їх перетворення в цифровий сигнал. В основі роботи звукових карт, втім, як і багатьох інших пристроїв, лежить принцип імпульсно кодової модуляції (ІКМ, від англ. Pulse Code Modulation, PCM), який ми коротко розглянемо.

5.1.   Імпульсно * кодова модуляція

Принцип імпульсно кодової модуляції (ІКМ) проілюстрований на рис. 5.1.

При ІКМ з вихідного сигналу FS з певною частотою FSAMPLE, яка називається частотою дискретизації, вибираються значення (вибірки), які потім перетворюються в двійковий код. Якщо вибірку представляють у вигляді 8 бітового двійкового коду, то максі мальное кількість кодувань сигналу одно 256, якщо, наприклад, вибірка кодується

12 бітами, то максимальна кількість вибірок одно 212 або 4096. Природно, чим вище розрядність, тим точніше будуть представлені дискретні значення сигналу.

Другим найважливішим фактором, що визначає якість перетвореного сигналу, яв ляется частота дискретизації FSAMPLE. При проектуванні систем з ІКМ, та й з іншими виду ми модуляції, основоположним критерієм є теорема Найквіста.

Стосовно принципу ІКМ її можна сформулювати наступним чином: для отримання однозначного відповідності цифрового коду аналоговому вхідного сигналу необ

Рис. 5.1

Імпульсно кодова модуляція безперервного сигналу

ходимо, щоб частота дискретизації, або, по іншому, частота квантування (FSAMPLE в нашому прикладі) була б як мінімум в два рази вище максимальної частоти сигналу FS.

Так, якщо верхнє значення частоти в спектрі частот звукового сигналу дорівнює 4 КГц, то частота квантування повинна як мінімум дорівнювати 8 КГц. Тут важливим є сле ший зауваження: критерій Найквиста гарантує лише однозначне відповідність дис ної вибірки в певний момент часу значенням вихідного сигналу в цей же момент часу, але не означає абсолютно точну передачу безперервного сигналу у всьому тимчасовому діапазоні. Мова тут може йти про як завгодно точному наближенні цифрово го образу до вихідного сигналу.

Інтуїтивно очевидно, що чим вище частота квантування, тим точніше буде подання аналогового сигналу. Якщо, наприклад, частота дискретизації буде дорівнює 12 КГц, то кількістю ство вибірок зросте з 4000 до 12000, що забезпечить більш точне цифрове представлення вихідного сигналу. У звукових картах найвища частота діапазону звичайно приймається рав ної 22 КГц, тому мінімальна частота квантування дорівнює як мінімум 44 КГц.

Те ж саме стосується і зворотного перетворення цифрового коду в безперервний ана

датковий звуковий сигнал при відтворенні звукових файлів.

Метод імпульсно кодової модуляції з деякими доповненнями і поліпшеннями реа

лізованних в звукових картах сучасних персональних комп’ютерів.

У загальному вигляді блок схему звукової карти можна представити таким чином (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Базова блок схема звукової карти

Це досить спрощена функціональна схема, оскільки сучасні звукові кар ти, особливо професійні, набагато складніше і можуть містити додаткові вузли обробки і синтезу аудиосигналов. Тим Проте, базова схема дозволяє зрозуміти основ ні принципи обробки звуку в таких пристроях.

В звукової карти для перетворення аналогового звукового сигналу в цифрову форму і

назад застосовується цифровий процесор, основними вузлами якого є аналого цифро вої (перетворення «сигнал цифровий код») і цифро аналоговий (перетворення «цифровий код звуковий сигнал») перетворювачі. Для того щоб обробити вхідний сигнал або забезпе чить стандартний рівень вихідного сигналу, служать попередні підсилювачі вхідного сигна ла та буферні підсилювачі вихідного сигналу. У цьому ж вузлі здійснюється попередня фільтрація вхідних сигналів за допомогою аналогових фільтрів нижніх частот.

При практичній реалізації ІКМ в звукових картах виникає проблема з так називається емим «шумом квантування», який є артефактом для даного методу перетворення ня. При підвищенні частоти квантування зростає достовірність (точність) преобразова ня сигналу в цифрову форму, однак потрібні складніші методи фільтрації віз ріс шуму квантування (наприклад, використання «сигма дельта »аналого цифрових перетворювачів з декількома каскадами« сигма дельта »модуляторів).

Джерело: Магда Ю. С. Комп’ютер в домашній лабораторії. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 200 с.: Іл.