Реферат: Музыкальные возможности ПК

В случае превышения сигналом значения самого верхнего уровня квантования («старшего» кванта), а так же в случае, когда значение сигнала оказывается меньше нижнего уровня квантования («младшего» кванта), т. е. при ограничении сигнала, возникают искажения, более заметные по сравнению с шумом квантования. Для исключения искажений этого типа динамические диапазоны сигнала и АЦП должны соответствовать друг другу: значения сигнала должны располагаться между уровнями, соответствующими младшему и старшему квантам.

При записи внешних источников звука это достигается с помощью регулировки их уровня, кроме того, применяется сжатие (компрессия) динамического диапазона, о которой речь пойдет ниже.

В звуковых редакторах существует операция нормализации амплитуды сигнала. После ее применения наименьшее значение сигнала станет равным верхнему уровню младшего кванта, а наибольшее — нижнему уровню старшего. Таким образом, от ограничения сигнал сверху и снизу будет защищен промежутками, шириной в один квант. Разумеется, если при записи уже имело место ограничение амплитуды, то нормализация не избавит сигнал от искажения.

Приемлемым считается 16-разрядное представление сигнала, являющееся в настоящее время стандартным для воспроизведения звука, записанного в цифровой форме. С точки зрения снижения уровня шумов квантования дальнейшее увеличение разрядности АЦП нецелесообразно, т. к. уровень шумов, возникших по другим причинам (тепловые шумы, а также импульсные помехи, генерируемые элементами схем компьютера и распространяющиеся либо по цепям питания, либо в виде электромагнитных волн), все равно оказывается значительно выше, чем —96дБ.

Однако увеличение разрядности АЦП обусловлено еще одним фактором — стремлением расширить его динамический диапазон. Динамический диапазон это максимальное и минимальное значения сигнала, который может быть преобразован в цифровую форму без искажения и потери информации. Минимальный сигнал не может быть меньше, чем напряжение, соответствующее одному кванту, а максимальный — не должен превышать величины напряжения, соответствующего N квантам. Поэтому динамический диапазон для 16-разрядного АЦП составляет 96 дБ, для 18-разрядного— 108 дБ, для 20-разрядного— 120 дБ. Иными словами, для записи звучания некоторого источника звука, динамический диапазон которого составляет 120 дБ, требуется двадцатиразрядный АЦП. Если такого нет, а имеется только шестнадцатиразрядный, то динамический диапазон звука должен быть сжат на 24 дБ: со 120 дБ до 96 дБ.

В принципе, существуют методы и устройства сжатия (компрессии) динамического диапазона звука. Но то, что они проделывают со звуком, как ни смягчай формулировки, все равно искажает его. Именно поэтому так важно для оцифровки звука использовать АЦП, имеющий максимальное количество разрядов. Владелец 16-битной звуковой карты может убедиться в отсутствии особых причин для расстройства: динамические диапазоны большинства источников звука вполне соответствуют динамическому диапазону такой звуковой карты. Кроме того, 18-битное или 20-битное представление сигнала применяется только на этапе обработки звука. Конечная аудиопродукция (CD и DAT) реализуется в 16-битном формате.

После того как мы немного разобрались с разрядностью звуковой карты, пришло время поговорить о частоте дискретизации.

2.3. Частота дискретизации

В процессе работы АЦП происходит не только квантование сигнала по уровню, но и его дискретизация во времени. Сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, заменяют рядом отсчетов этого сигнала. Обычно отсчеты сигнала берутся через одинаковые промежутки времени. Интуитивно ясно, что если отсчеты отстоят друг от друга на слишком большие интервалы, то при дискретизации может произойти потеря информации: если важные изменения сигнала произойдут не в те моменты, когда были взяты отсчеты, они могут быть «пропущены» преобразователем. Получается, что отсчеты следует брать с максимальной частотой. Естественным пределом служит быстродействие преобразователя. Кроме того, чем больше отсчетов приходится на единицу времени, тем больший размер памяти необходим для хранения информации.

Проблема отыскания разумного компромисса между частотой взятия отсчетов сигнала и расходованием ресурсов трактов преобразования и передачи информации возникла задолго до того, как на свет появились первые звуковые карты. В результате исследований было сформулировано правило, которое в отечественной научно-технической литературе принято называть теоремой Котельникова [Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости.— М., Госэнергоиздат, 1956].

Если поставить перед собой задачу обойтись без формул и использования серьезных научных терминов типа «система ортогональных функций», то суть теоремы Котельникова можно объяснить следующим образом. Сигнал, представленный последовательностью дискретных отсчетов, можно вновь преобразовать в исходный (непрерывный) вид без потери информации только в том случае, если интервал между соседними отсчетами не превышает половины периода самого высокочастотного колебания, содержащегося в спектре сигнала.

Из сказанного следует, что восстановить без искажений можно только сигнал, спектр которого ограничен некоторой частотой F. Теоретически все реальные сигналы имеют бесконечные спектры. Для того чтобы при дискретизации избежать искажений, вызванных этим обстоятельством, сигнал вначале пропускают через фильтр, подавляющий в нем все частоты, которые превышают заданное значение Fmax и лишь затем производят дискретизацию. Согласно теореме Котельникова частота, с которой следует брать отсчеты, составляет Fд = 2Fmax Теорема получена для идеализированных условий. Если учесть некоторые реальные свойства сигналов и устройств преобразования, то частоту дискретизации следует выбирать с некоторым запасом по сравнению со значением, полученным из предыдущего выражения.

В стандарте CD частота дискретизации равна 44,1 кГц. Для цифровых звуковых магнитофонов стандартная частота дискретизации составляет 48 кГц. Звуковые карты, как правило, способны работать в широком диапазоне частот дискретизации. Важно, чтобы максимальное значение частоты дискретизации было не менее 44,1 кГц, в противном случае качества звучания CD достичь не удастся. Следует различать частоту дискретизации в АЦП/ЦАП, предназначенных для оцифровки внешних сигналов, и частоту дискретизации в ЦАП WT-синтезатора звуковой карты. Значение последней может не совпадать с указанными стандартными значениями.

2.4. Дуплекс и наличие цифрового выхода

Довольно часто изготовители, доказывая преимущество своих звуковых карт, подчеркивают еще два обстоятельства:

> наличие у звуковой карты выхода, на котором информация представлена в цифровой форме;

> наличие дуплексного режима прямого доступа к памяти.

Действительно, если звуковая карта имеет выход, на который сигналы поступают не в аналоговой (после ЦАП), а в цифровой форме, то это позволяет уменьшить искажения, связанные с дополнительными преобразованиями при дальнейшей цифровой обработке сигнала вне звуковой карты. Это становится актуальным при записи композиции на CD или DAT.

Так, например, в звуковых картах SB AWE32, AWE64 имеется разъем интерфейса S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format - формат цифрового интерфейса фирм Sony и Philips), который предназначен для передачи звуковых сигналов от WT-синтезатора в цифровой форме, Но не следует забывать, что S/PDIF представляет собой лишь упрощенный вариант профессионального студийного интерфейса AES/EBU (Audio Engineers Society/European Broadcast Union), разработанного Европейским радиовещательным союзом.

Для разгрузки центрального процессора работа АЦП/ЦАП звуковых карт организуется в режиме прямого доступа к памяти [Direct Memory Access — DMA). Полный дуплекс [Full-Duplex) означает способность звуковой карты одновременно воспроизводить и записывать звук. Для этого требуется поддержка звуковой картой одновременно двух каналов DMA. Для звуковых карт семейства AWE возможна организация одного 16-ти разрядного и одного 8-ми разрядного каналов. По одному из них возможна запись, а по другому воспроизведение. Это ограничение затрудняет работу с программами многоканального монтажа и сведения, а также подготовку материала для записи CD на том же компьютере, на котором установлена звуковая карта.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗВУКА НА КОМПЬЮТЕРЕ

3.1. Что такое MIDI-технология

Появившаяся в начале восьмидесятых годов MIDI-технология вскоре получила новый импульс в связи с широким распространением персональных компьютеров.

Миди файл представляет собой список ссылок на звуки в WT синтезаторе звуковой карты, и список команд, таких как тональность, продолжительность, скорость звука и т.д.

Основными недостатками MIDI считаются низкая скорость передачи информации, узкий диапазон изменения параметров и ограниченная сфера применения. В то время как одно из главных ее достоинств — небольшой объем файлов — в последнее время уже потеряло решающее значение: цены на пишущие CD-приводы и “болванки” для записи становятся все доступнее. А с появлением широких возможностей по использованию при создании музыки готовых, заранее записанных музыкальных фраз с CD-качеством (всякие “лупы”, “сэмплы” и т.п.) многие “артисты” вообще решили, что таких проблем, как обучение нотной грамоте, владению инструментом, MIDI-технология и пр. для них не существует.

Однако если принять во внимание, что MIDI-технология изначально предназначалась не для записи или воспроизведения музыки, а только лишь для управления на некоем расстоянии (в пространстве и времени) синтезаторами, звуковыми модулями и прочими “железными” ящиками, то многие претензии к ней будут сняты. Это все равно, что упрекать виолончель за плохое звучание во флейтовом регистре.

Итак, чтобы закончить мысль о достоинствах и недостатках MIDI, сделаем несколько предварительных выводов. Во-первых, MIDI-технология остаётся ведущей в компьютерной и аппаратно-студийной области. Во-вторых, она совершенствуется, учитывает новые требования и новые технические возможности. Об этом говорит последовательное появление стандартов GM, GS и XG. В-третьих, идея оказалась настолько удачной, что MIDI-технология вовлекает в сферу своего влияния все новые и новые области, для которых она и не предназначалась, — управление магнитофонами, устройствами звуковой обработки, микшерскими пультами (не говоря уже о мультимедийных продуктах и компьютерных играх).

В музыкальном обучении качество звучания уже не играет столь значительной роли, как в звукозаписи или концертной деятельности. Зато возможность воспроизводить изучаемый опус в любом темпе и (тут вокалисты и духовики должны затаить дыхание) в любой тональности делают MIDI-технологию незаменимой в музыкальных школах и училищах. Смешно сказать, но для этого достаточен 286-й компьютер со звуковой картой за 40 долл. Я думаю, недалеко то время, когда некий аппарат, подобными характеристиками станет распространенней метронома. А вместо толстых нотных сборников люди будут покупать дискеты с этюдами Черни или Шопена.

3.1.1. Описание MIDI-интерфейса.

MIDI — Musical Instrument Digital Interface — компьютерный протокол (иногда говорят — язык), предназначенный для связи одного музыкального устройства с другим. Оба эти устройства должны обладать любого вида микропроцессором или программой, которые поддерживают MIDI-протокол.

Рис.4.

Пример использования MIDI.

Пример использования MIDI: На синтезаторе вы можете играть ноты, выбирать новый тембр инструмента, менять громкость, но сам он сейчас не звучит. Все перечисленные действия передаются по MIDI-кабелю (красного цвета) в виде команд на звуковой модуль. Последний выполняет все эти действия (звучат сыгранные ноты, меняется тембр и громкость) и выдает звук через обычные динамики. Красная стрелка показывает направление потока MIDI-сообщений (Рис.4).

Цель MIDI — управлять работой музыкального устройства не с его панели или клавиатуры, а на расстоянии (по MIDI-кабелю) — с другого устройства. Для этого второе устройство передает первому последовательность управляющих команд, которые называются MIDI-сообщениями.

3.1.2. Какая информация передается с помощью MIDI

Все, что вы делаете, управляя работой своего музыкального устройства (крутите ручки, нажимаете на кнопки, играете на клавиатуре), может передаваться в виде управляющих MIDI-сообщений на ваше устройство с другого MIDI-устройства.

MIDI-сообщение передает не сам звук (аудиоинформацию) или какие-то его характеристики, а только управляющие команды, которые выполняются устройством-получателем.

Сам процесс передачи MIDI-сообщения может осуществляться в реальном времени (во время исполнения или воспроизведения музыки), но может быть и разорванным во времени. В этом случае MIDI-сообщение записывается в виде файла на дискету или жёсткий диск компьютера, а потом считывается устройством-получателем.

3.1.3. Музыкальные устройства принимающие информацию по MIDI

Технология MIDI с самого начала была предназначена для связи между самыми различными устройствами (синтезаторами, звуковыми модулями, компьютерами, устройствами цифровой обработки звука и многими другими).

MIDI-устройство должно иметь:

1)   внутри — программу или микропроцессор, который понимает MIDI-информацию;

2)   снаружи — разъемы, к которым подсоединяется MIDI-кабель.

3.1.4. MIDI-разъемы

По MIDI-кабелю (в отличие, скажем, от телефонного) информация передается всегда в одном направлении. Поэтому каждый MIDI-разъем используется только для одной цели в зависимости от его вида.

                                                                               Таблица 1.

Виды MIDI-разъемов

В качестве разъема для MIDI используется стандартный европейский 5-контактный разъем Рис. 5.

Рис. 5.

MIDI-разъем. Контакт 2 — земля, контакты 4 и 5 — сигнальные, контакты 1 и 3 — не используются.

Существует три вида MIDI-разъемов, они представлены выше в таблице.

MIDI-кабель соответственно должен иметь три провода, которые соединяют контакты 1, 4 и 5 на обоих его концах.

3.1.5. Соединение MIDI-устройств между собой

Всегда одно устройство передает MIDI-сообщение, другое получает. MIDI-кабель связывает разъем MIDI Out передающего устройства с разъемом MIDI In принимающего. Если вы хотите направить информацию в обратную сторону, вы должны соединить устройства по-новому (в соответствии с тем, что было сказано в предыдущем предложении) или использовать еще один кабель и, опять же, связать MIDI-выход одного устройства с MIDI-входом другого (рис. 6).

Рис. 6.

По одному MIDI-кабелю синтезатор передает MIDI-сообщение на звуковой модуль. Затем (но не одновременно) по другому MIDI-кабелю этот модуль может послать свое MIDI-сообщение на синтезатор.

У любого устройства имеется только один MIDI-выход. Поэтому, если с него нужно посылать команды на два или несколько других устройств, используется разъем MIDI Thru. Тогда подключение устройств-приемников происходит последовательно (рис. 7). Но имеются, конечно, и специальные приборы, которые способны разветвлять MIDI-сообщения. Тогда нет необходимости в последовательном подключении MIDI-устройств.

Рис. 7.

Компьютер посылает MIDI-сообщения для синтезатора и звукового модуля через свой MIDI-выход. Они оба поступают на MIDI-вход синтезатора, оба выходят через его разъем MIDI Thru. Синтезатор не может добавить никакую свою информацию, поэтому эти MIDI-сообщения в неизмененном виде поступают на MIDI-вход звукового модуля. Каждое из устройств-получателей само определяет, какие команды, находящиеся в MIDI-сообщениях, ему следует выполнять. Кривые линии красного цвета изображают MIDI-кабели, прямые линии красного цвета — схематический путь MIDI-информации.

Итак, первое — при подключении MIDI-устройств вы всегда должны учитывать направление передачи информации. Второе — при подключении третьего и следующих MIDI-устройств вы должны пользоваться разъемом MIDI Thru. Третье — передаваемая MIDI-информация аналогична управлению вашим синтезатором с помощью ручек, кнопок или клавиш.

3.1.6. Типы MIDI-сообщений

Все типы MIDI-сообщений делятся на две большие группы (рис. 8). Системные MIDI-сообщения (System message) передают команды, которые воздействуют на общие параметры и режимы работы всех устройств-получателей.

Рис. 8.

Разделение всех типов MIDI-сообщений на две группы.

Примером системного сообщения может служить команда “Старт”, которая включает режим воспроизведения у любого секвенсора или магнитофона, находящегося в MIDI-связке.

Канальные MIDI-сообщения (Channel message) включают в себя номер MIDI-канала и передают сообщения на каждый MIDI-канал индивидуально. Всего для одного (и каждого) устройства MIDI-технология предусматривает 16 MIDI-каналов.

3.1.7. MIDI-каналы

Представьте себе обычный многодорожечный магнитофон. На одну дорожку можно записать трубу, на другую — гитару и так далее. При воспроизведении мы слышим все записанные дорожки одновременно.

MIDI-каналы предназначены для того, чтобы один синтезатор или звуковой модуль мог играть несколькими разными тембрами одновременно, причем каждый тембр (инструмент) исполняет свою независимую партию.

Когда одно устройство передает канальные MIDI-сообщения на другое, внешне это выглядит так, как если бы они были соединены шестнадцатью кабелями (и по каждому следуют указания о том, какие ноты каким тембром играть).

Рис. 9.

Разделение MIDI-сообщений на MIDI-каналы.

На самом деле MIDI-технология использует один кабель, но в каждое канальное MIDI-сообщение вписывается номер MIDI-канала, для которого оно предназначено. Устройство-получатель, пользуясь этим номером, направляет каждое канальное MIDI-сообщение на свой канал (рис. 9).

3.1.8. Типы сообщений из группы Channel

1) Канальные MIDI-сообщения можно разделить по типам их структуры и по их целям. В последнем случае имеются две группы MIDI-сообщений: голосовые (Voice message) и режимные (Mode message).

Рис. 10.

MIDI-сообщения из группы Channel. Все режимные сообщения по типу (а не по функциям, как они разделены на этом рисунке) являются MIDI-сообщениями типа Control Change, поэтому изображены одним цветом и обведены пунктиром.2)

Голосовые сообщения несут информацию о нотах, тембре и других характеристиках, которые должно учитывать устройство-получатель для конкретного MIDI-канала.

3) Режимные сообщения тоже делятся на две группы. Первая группа воздействует на конкретный MIDI-канал (эти сообщения устанавливают канал в состояние по умолчанию — сбрасывают все ноты, настраивают канал на стандартную высоту звука и пр.).

Сообщения второй режимной группы воздействуют на все MIDI-устройство в целом, другими словами, устанавливают режим его работы.

3.1.9. MIDI-сообщения группы System

В отличие от канальных сообщений все MIDI-сообщения группы System message принадлежат одному типу (то есть имеют одинаковый статус).

Но по своему функциональному назначению их делят на три подгруппы (рис. 11). К первой из них (System Real Time) относятся сообщения, связанные с синхронизацией работы двух MIDI-устройств.

Рис. 11.

MIDI-сообщения из группы System message (подгруппы показаны разным цветом, но по статусу принадлежат к одному типу — Control Change).

Во второй подгруппе (System Common) находятся сообщения, которые одинаково воспринимаются всеми MIDI-устройствами. Поэтому они и называются “общими”. Эта группа просто собрана из различных MIDI-сообщений, и между ними нет никакой логической связи.

Сообщения третьей группы (System Exclusive) являются одними из самых важных и самых неформализованных в MIDI-технологии. Они носят название “эксклюзивные”, потому что содержание данных определяется для каждого MIDI-устройства своей фирмой-производителем и не может быть распознано устройством другой модели или фирмы. Среди этих сообщений могут быть команды о настройке всего устройства целиком или отдельных его модулей. Другие сообщения управляют процессом передачи данных сэмплов или каких-то специальных файлов (Sample Dump, File Dump).

3.2. Mp3 - технология сжатия звуковой информации

Само название МрЗ появилось в результате сокращения аббревиатуры MPEG-1 Layer3.

MPEG (Motion Pictures Expert Group) - это группа при Международной организации по стандартизации и Международном электрическом комитете, которая занимается разработкой стандартов для цифрового сжатия видео и аудио информации. А зачем сжимать эту информацию? Во-первых, для экономии экономических и материальных ресурсов при передаче информации на расстояние по каналам связи (в том числе и спутниковым), а во-вторых, для ее хранения.

Официальное одобрение стандарт MPEG-1 получил в 1992 году, однако до недавнего времени открытие не было востребовано в полной мере. Лишь с появлением достаточно мощных процессоров Pentium (с тактовыми частотами от 300 МГц и выше, позволяющих резко снизить время на кодирование/декодирование сигнала) и высокоскоростных модемов стандарт получил широкое признание.

Стандарт MPEG-1 является потоковым форматом и состоит из аудио, видео и системной частей. Последняя часть содержит информацию об объединении и синхронизации двух первых.

Передача данных происходит потоком независимых отдельных блоков данных - фреймов, получаемых при "нарезке" на равные по продолжительности участки, которые кодируются независимо друг от друга.

Всего в настоящее время существует пять видов (номеров) стандартов MPEG:

1) MPEG1 - сжатие аудио и видео с общей скоростью до 150 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц);

2) MPEG2 - сжатие аудио и видео с общей скоростью до 300 Кбайт/сек (аудио 38, 44.1, 48 килогерц), сжатие аудио ИДЕНТИЧНО MPEG1;

3) MPEG2.5 - сжатие аудио с пониженным разрешением (аудио 16,22.05,24 килогерц). Интересно заметить, что стандарт MPEG2.5 (еще известный как MPEG2 LSF - LOW SAMPLE FREQUENCY - низкая частота сканирования аудио) введен фирмой IIS Fraunhofer (институт информационных технологий имени Фраунхофера из Германии). Этот стандарт является расширением "чистого" аудио MPEG2 (то есть MPEG1!) для частоты сканирования аудио в два раза меньшей, чем обычно;

4) MPEG3 - многоканальный MPEG1+MPEG2. Этот стандарт практически не используется;

5) MPEG4 - новомодный за рубежом стандарт. Его особенность: может держать до 8-и каналов аудио (то есть AC-3 - цифровое расширение системы Surround.

Страницы: 1, 2, 3, 4