из электронной библиотеки / 435556696262211.pdf

искажения подстерегают именно на этой стадии, а чтобы получить здесь приемлемое качество, придется заплатить. Достаточно сказать, что хороший профессиональный ЦАП или АЦП, обеспечивающий разрядность пре-

образования 20—22 бит, стоит более 10 тыс. долл. Что же касается 24-

разрядного преобразования, то оно недостижимо ни за какие деньги,

поскольку выходит за пределы возможностей современной техники. Хотя это не мешает некоторым производителям утверждать, будто их продукты за

200 долл. на это способны. Итак, между тем, что принципиально возможно извлечь из цифрового звука определенной разрядности и с определенной частотой дискретизации, и тем, что реализовано в конкретных устройствах,

— дистанция огромного размера. Поэтому от описания теоретических искажений цифрового звука перейдем к искажениям, связанным с недостатками аппаратуры аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.

Один из важнейших факторов, влияющих на звук, — точность изготовления ЦАП и АЦП.

Скажем, погрешность в 0,1 % в старшем раз-

ряде такого преобразователя ведет к тому, что наличие или отсутствие нескольких младших разрядов уже никак не сказывается на качестве аудиосигнала. Более того, погреш-

ность преобразователя ведет к коррелирующим с полезным сигналом искажениям, которых никакими «софтверными примочками» уже не компенсировать. Поэтому может оказаться, что 16-разрядный ЦАП с ошибкой в 0,1% в каждом разряде (рис. 14), соответственно по уровню искажений эквивалентный 10-разрядному, будет давать худший звук, чем

«честный» 8-разрядный (в последнем случае к сигналу добавится белый шум, тогда как в первом неприятные «призвуки»).

Помимо характеристик ЦАП и АЦП (нередко как в дорогих, так и в дешевых устройствах используется одна и та же микросхема) существенную роль играют аналоговая часть и схема включения, а также примененные методы борьбы с электромагнитной наводкой и наводкой по питанию. Диапазон частот помех простирается в основном от десятков килогерц (преобразователи питания) до сотен мегагерц (тактовые частоты работы шины, процессора и памяти), поэтому в звуковом диапазоне они ведут

себя как широкополосная (шумовая) помеха. Как показывают измерения, сделанные автором (Андрианов С., Яковлев К. Фабрики звука под управлением PCI. «Мир ПК», №7/99; Андрианов С. Универсалы в мире звука. «Мир ПК», №2/02),

при использовании лучших бытовых звуковых плат сигнал помехи составляет около трех единиц младшего разряда, что снижает динамический диапазон примерно на 20 дБ по сравнению с теоретическим. Таким образом, эффективной разрядностью таких аудиоплат можно считать 12—13 бит.

Для обеспечения более высокого качества записи/воспроизведения можно применять внешние АЦП/ЦАП. Как правило, они обладают большей линейностью преобразования и меньшим уровнем помех, чем встроенные. Но есть еще один источник помех, от которого внешние АЦП/ЦАП не спасают (если только это не очень дорогие модели, снабженные буфером и генератором). Это джиттер (jitter) — нестабильность частоты дискретизации,

вызванная различными причинами (рис. 15). Высокостабильный генератор стоит недешево и, как правило, может работать только на

одной частоте. На практике же возникает необходимость записывать и воспроизводить сигналы с самой различной частотой дискретизации. В этих случаях сплошь и рядом используется синтезатор частот, который получает более низкие частоты из более высоких, пропуская часть импульсов (рис. 16). Сходный эффект получается и при передискретизации сигнала методом отбрасывания/добавления отсчетов. Если тактовый генератор платы ра-

ботает с частотой 48 кГц, а в файле записан 44-

кГц звук, то спектр полученного сигнала может походить на то, что изображено на рис. 17.

Джиттер, как и другие виды нелинейных искажений, не проявляется в отсутствие сигнала, зато интенсивность помехи увеличивается для высокочастотных составляющих спектра (рис. 18). При этом нередко бывает даже трудно выделить ос-

новную частоту на фоне помех. На рис. 19

показан 1-кГц сигнал, записанный с генератором, частота которого модулируется синусоидаль ным сигналом, а на рис. 20 — белым шумом. На

практике наблюдается одновременное действие всех описанных факторов.

До сих пор мы говорили о воспроизведении звука и неприятностях, подстерегающих при этом слушателя. Но аудиоплаты обладают еще и возможностью записи. Она понадобится при составлении музыкального альбома в собствен-

ном исполнении, оцифровке телепередач с помощью TV-тюнера или копировании музыки с магнитофона, винилового либо компакт-дис-

ка. К сожалению, аналого-цифровое преобразование технически гораздо сложнее, чем цифро-аналоговое. Да и производители оборудования уделяют ему гораздо меньше внимания. В результате, хотя все звуковые платы умеют записывать звук, далеко не каждая из них может быть реально использована для этой цели.

Дело в том, что превышение допустимого уровня сигнала

(перегрузка) при записи ведет к искажениям. В аналоговой аппаратуре при этом происходит ограничение сиг-

нала (максимальный коэффициент гармоник около

30%), в то время как в цифровой могут быть утеряны старшие разряды (максимальный коэффициент гармоник ничем не

ограничен), что приводит к гораздо более сильным, резким и заметным на

слух искажениям. В правильно спроектированном узле АЦП такие искажения предотвращаются, но зачастую разработчики бытовых звуковых плат с целью удешевления продукции этим пренебрегают. Проверить,

пригодна ли плата для записи звука, несложно. Для этого надо оцифровать с ее помощью плавно нарастающий синусоидальный сигнал, а результат посмотреть в любом волновом редакторе. Если форма сигнала аналогична показанной на рис. 21, а, то АЦП реализован правильно. Если же форма сигнала больше напоминает рис. 21,6 или в, то такую плату лучше вообще не использовать для записи звука.

Спектр и форма сигнала при потере старшего разряда показаны на рис. 22 и 23.

Качество звука может пострадать и от неграмотных действий пользователя.

Иногда при попытке составить собственную музыкальную подборку любитель сталкивается с тем, что отдельные композиции довольно сильно различаются по громкости, и пытается это исправить. Почти любой звуковой редактор предоставляет такую функцию, как нормализация, которая, по убе-

ждению многих пользователей, именно для выравнивания уровня громкости и предназначена. Но, с одной стороны, нормализация опирается на максимальный уровень, а громкость человеческое ухо определяет по средней, с другой — большинство музыкальных композиций уже прошли через процедуру согласования громкости перед тем, как оказались на компакт-диске. Поэтому на практике нормализация чаще приводит к увеличению рассогласования. И вообще, эта функция практически бесполезна и включается в программы лишь «для галочки», а качество ее исполнения часто ниже всякой критики.

Довольно распространено мнение, будто оптический цифровой выход лучше электрического. Да и производители последнее время все чаще оснащают первыми свои изделия, используя укоренившееся заблуждение в маркетинговой политике. На самом деле особой разницы нет, а при передаче сигнала на расстояния более нескольких метров электрический кабель даже предпочтительнее. Считается очевидным, что при оптическом соединении следует применять специальный оптический кабель, а не кусок рыболовной лески. Но при этом почему-то подразумевается, будто вместо согласованного электрического кабеля с нормированным волновым сопротивлением может подойти любой «тюльпан-тюльпан» из ближайшего ларька.

Таким образом, известный факт, что качество стоит денег, причем немалых,

ни в коей мере не утратил своей актуальности в связи с появлением

цифровых технологий. По-прежнему как изготовление хороших цифро-

аналоговых и аналого-цифровых преобразователей и высокостабильных генераторов, так и разработка алгоритмов цифровой обработки звука обходятся недешево.

Нельзя не упомянуть и самое последнее звено в звуковоспроизводящей цепочке — акустическую систему. Нет смысла покупать отдельную аудиоплату при наличии «набортного» звука, если предполагается использование дешевых колонок.

Их стоимость должна ориентировочно в 3—4 раза превышать цену звуковой платы. Но имея в виду, что основную массу искажений вносят именно колонки, не следует забывать и о характеристиках электронных частей звукового тракта. Из-за избирательности человеческого слуха даже довольно сильные искажения зачастую не могут замаскировать гораздо более слабых искажений другой природы. Поэтому, скажем, при 5% гармоник, привно-

симых колонками, 0,5% гармоник, добавляемых ЦАП или усилителем, могут быть весьма заметны. Конечно, как не приходится ожидать CD-качества от встроенной звуковой системы, так и у рядового пользователя практически нет надежды на приобретение профессиональной аппаратуры. Тем не менее понимание того, что требуется от звуковоспроизводящего оборудования и на что реально можно рассчитывать, позволяет добиться неплохого качества,

избежав неоправданных расходов. Например, если требуется воспроиз-

ведение музыкальных записей, то следует отдать предпочтение двух-

трехканальной системе, а не 5.1-канальной. А если основной источник помех

— джиттер, то покупка дорогой ЦАП ситуацию не изменит.

o

o

o Что такое MIDI, и чем такие файлы отличаются от WAVE-

файлов

Что такое MIDI

Стандарт MIDI (акроним от Musical Instruments Digital Interface,

в буквальном переводе — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) представляет собой «язык», на котором «общаются»

MIDI-совместимые устройства. Иными словами, этот стандарт описывает определённые сообщения (двоичные команды),

которыми могут обмениваться различные MIDI-устройства.

Ключевой особенностью интерфейса MIDI является то, что с его помощью устройства обмениваются именно логическими командами, и никакого отношения к передаче звука как такового

MIDI не имеет.

клавиатура даст синтезатору команду «начать воспроизведение ноты

ЛЯ третьей октавы». Когда клавиша будет отпущена, клавиатура,

послав другое сообщение, прикажет синтезатору прекратить воспроизведение ноты ЛЯ третьей октавы. При этом звук, издаваемый

светомузыкальным оборудованием, а при большом желании — даже промышленными роботами. :)

Очевидно, любая последовательность MIDI-сообщений может быть сохранена в виде обычного файла. Один из форматов хранения последовательностей MIDI-сообщений (SMF — Standard MIDI File)

также регламентируется стандартом.

Модификации MIDI

Существует ряд модификаций стандарта MIDI:

GM (General MIDI),

GS (General Standard),

XG (eXtended General).

Каждая из них, помимо основных MIDI-сообщений (одно из которых

рассмотрено в примере чуть выше), описывает количество

и конкретный набор инструментов (тембров), которые обязательно

спецификацией инструментов. Каждому инструменту соответствует строго определённый номер. Кроме того, MIDI-устройства должны обладать строго определённым количеством независимых MIDI-

каналов, каждому из которых может быть назначен свой тебмр и соответствовать собственная последовательность MIDI-событий.

Смена тембра, аналогично началу и окончанию воспроизведения ноты, производится также после получения MIDI-синтезатором уникального MIDI-сообщения. Таким образом, обеспечивается схожее звучание одного и того же MIDI-файла на разных MIDI-

синтезаторах с поддержкой одного и того же стандарта.

Например, любой синтезатор с поддержкой GM обладает следующими

возможностями: 16 каналов, каждому из которых может быть

назначен собственный тембр (инструмент). Выбрать тембр можно

128 как живых, так и синтезированных инструментов, куда входят фортепиано, гитара, струнные, флейта и др. Кроме того, можно использовать как минимум один набор ударных звуков.

Предусмотрен также ряд так называемых MIDI-контроллеров,

желания и целей) изменять высоту звука, при помощи контроллера

Expression — изменять громкость звучания на каждом из 16-ти

каналов в отдельности, с помощью контроллера Pan устанавливать

любой сдвиг MIDI-канала в стереопанораме и т. д. Существуют

также контроллеры, не оговорённые стандартом и являющиеся

устройствами, которые попросту «не поймут» незнакомые

действительности, поскольку стандарты эти различаются не только