Формат цифрового звука Dolby Digital 5.1

Формат Dolby Digital описывает способ формирования в общей сложности до шести раздельных каналов звука. Пять каналов считаются основными, в каждом из них предусмотрено воспроизведение полного частотного спектра (от 3 до 20 000 Гц). Один канал считается дополнительным, потому что отводимая ему полоса частот составляет всего от 3 до 120 Гц. Отсюда вытекает и обозначение числа каналов — 5.1. Пять основных каналов разделяются по функциям следующим образом: левый, правый и центральный фронтальные каналы, левый и правый тыловые каналы. Низкочастотный канал предназначен для подключения сабвуфера и призван имитировать звуковые эффекты.

Для сжатия данных, кодирования и смешивания каналов применяется технология АС-3 (Audio Coding, version 3). Благодаря этой технологии данные в формате Dolby Digital получаются упакованными в один поток (файл), который может передаваться как между отдельными устройствами обработки звукового сигнала, так и внутри звукового тракта устройств практически без потери качества. Для восстановления исходных каналов требуется наличие декодера Dolby Digital, который представляет собой всего лишь микропрограммный код, извлекаемый из ПЗУ цифровым сигнальным процессором. В результате на выходе получаются шесть раздельных каналов.

В формате Dolby Digital использована технология «разделяемых битов», а также модель маскирования звуков, не воспринимаемых человеческим слухом. Исходный сигнал перед обработкой кодеком Dolby Digital анализируется по спектральным и динамическим параметрам. В зависимости от результатов анализа он разбивается на шесть независимых каналов, а каждый из них — на узкие частотные диапазоны. Частотный диапазон оцифровывается отдельно, ему динамически выделяется доля разрядов кодовой таблицы (глубина оцифровки до 20 бит). Именно в этот момент применяется метод «психоакустического» сжатия — число выделенных разрядов динамически меняется в зависимости от характера сигнала в диапазоне. Неслышимые человеком, так называемые «маскируемые» гармоники изымаются из сигнала. Кроме того, разряды могут перераспределяться между каналами, если, например, сигнал в одном из каналов маскирует другие.

Технические параметры формата Dolby Digital таковы. Глубина оцифровки сигнала в каждом из пяти основных каналов до 20 бит в диапазоне частот от 20 Гц до 20 000 Гц ± 0,5 дБ (при уровне –3 дБ на 3 Гц и 20300 Гц). Низкочастотный канал работает в диапазоне от 20 Гц до 120 Гц ± 0,5 дБ (при уровне –3 дБ на 3 Гц и 121 Гц). Поддерживаются частоты дискретизации 32 кГц, или 44,1 кГц, или 48 кГц. Полоса выходного потока данных составляет от 32 Кбит/с для одного канала в режиме «моно» до 640 Кбит/с (полный набор каналов).

Устройства ввода-вывода звука

Считается, что эпоха мультимедиа началась с того, что компьютер стал членораздельно воспроизводить звуки человеческого голоса и проигрывать стереофонические записи электромузыкальных инструментов с помощью встроенного синтезатора. Для этого потребовалось оснастить ПК целым рядом «чуждых» для него устройств: аудиоадаптером, микрофоном и стереофоническими акустическими системами. В итоге некоторые мультимедиа-ПК стали походить больше на аудиостереокомплекс, чем на компьютер.

Главное из этих устройств — аудиоадаптер. С легкой руки ныне хорошо известной Сингапурской фирмы Creative Labs, первой создавшей аудиоадаптер для массовых ПК и назвавшей его «Sound Blaster», аудиоадаптер (или звуковая карта) так и стал именоваться SoundBlaster (в переводе Орудие Звука).

Современный аудиоадаптер — довольно сложное устройство (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 — Структура аудиоадаптера

Он содержит:

• входы: линейный вход, микрофонный вход, вход для CD-ROM, независимый вход для микширования сигналов;

• вход и выход для МИДИ-сигналов;

• нормирующие входные усилители;

• входной смеситель сигналов — микшер;

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования аналоговых входных звуковых сигналов в цифровые коды;

• сигнальный процессор DSP (или более современный расширенный ASP) для воспроизведения ряда специальных звуковых эффектов (объемный звук, эхо и т.д.) и реализации сложных методов обработки звуковых сигналов (подавление шумов, система DOLBY и т.д.), а также для аппаратной реализации систем компрессии/декомпрессии оцифрованных звуковых сигналов;

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) для превращения цифровых кодов (хранящихся в файлах) вновь в аналоговые сигналы;

• синтезатор музыкальных звуков, удовлетворяющий стандарту MIDI на электромузыкальные инструменты и их интерфейс, это может быть FM-синтезатор или волновой синтезатор музыкальных звуков с выбором их из таблицы (иначе — табличный синтезатор);

• стереофонический выходной усилитель и микшер.

Работу аудиоадаптера можно представить следующим образом. При записи звука сигналы от разных источников (микрофона, линии, проигрывателя звуковых компакт-дисков и музыкального синтезатора) усиливаются и нормируются по уровню сигналов. Затем эти сигналы подаются на устройство смешивания сигналов — микшер. С выхода микшера сигналы поступают на АЦП и превращаются в обычные цифровые коды, с которыми может работать ПК и которые можно записывать на магнитные диски. Правда, предварительно эти сигналы подвергаются сжатию (компрессии) как на аппаратном, так и на программном уровне. Таким образом формируются файлы WAV.

Записанные на диск звуковые файлы в дальнейшем могут считываться с дисков, и содержащиеся в них коды подаются на ЦАП. Затем после фильтрации (подчас достаточно сложной) полученные аналоговые сигналы через электронный регулятор громкости подаются на входы стереофонического усилителя мощности. Наконец с него они подаются на звуковые колонки, преобразующие электрические сигналы в акустические, которые мы и слышим.

Конструктивно аудиоадаптер выглядит как обычная печатная плата с набором радиокомпонентов. Она вставляется в разъем расширения (слот) материнской платы ПК и соединяется с приводом CD-ROM двумя кабелями — широким ленточным кабелем интерфейса и тонким звуковым кабелем для выходных сигналов CD-ROM.

На плате аудиоадаптера обычно имеется множество переключателей для установки следующих параметров:

• базовых адресов ввода/вывода узлов аудиоадаптера;

• номера канала прямого доступа к памяти DMA;

• номеров используемых прерываний IRQ.

Важно отметить, что любое устройство ПК должно иметь свои значения этих параметров (разные для разных устройств). Именно поэтому установка переключателей — дело не простое и не под силу начинающему пользователю. С большими трудностями, особенно если ПК оснащен рядом дополнительных периферийных устройств (например, сканером, стримером, видеобластером и т.д.), могут столкнуться и опытные пользователи.

Кроме того, на плате аудиоадаптера обычно установлены перекидные переключатели (в виде штырьков с перемычками) включения/выключения игрового порта (для джойстиков), переключения выхода с громкоговорителей на линию, разъемы для подключения CD-ROM и MIDI-интерфейса электромузыкальных инструментов, панели для установки цифрового сигнального процессора и дополнительных микросхем памяти для волновых синтезаторов музыкальных звуков. На сторону платы, выходящую на заднюю стенку системного блока ПК, выводятся следующие органы:

• разъем для подключения микрофона,

• разъем для подключения стереонаушников,

• регулятор уровня выходного сигнала,

• выход стереосигналов для акустической аппаратуры.

Из указанного вытекает, что подключение аудиоадаптера (и иных аппаратных средств) требует определенных навыков. Самая большая трудность — правильная установка переключателей. Именно она стала побудительным мотивом к разработке спецификации Plug and Play (Включи и Работай), которую поддерживают современные операционные системы, начиная с Windows 98. Подавляющее большинство выпускаемых в настоящее время аудиоадаптеров спецификацию Plug and Play поддерживают. Уже появились программно-управляемые аудиоадаптеры, удовлетворяющие этой спецификации и имеющие минимум перекидных переключателей (или даже не имеющие их вообще).

Кроме того, довольно большая часть компьютеров выпускается в соответствии со стандартом на мультимедийные компьютеры, там этих проблем вообще нет — все мультимедийное оборудование уже установлено в компьютере.

Кроме платы аудиоадаптера, в аудиовооружение ПК должен входить динамический микрофон и звуковые колонки (аудиосистемы). Колонки могут быть пассивными (без встроенных усилителей) и активными (со встроенными усилителями). Усилители аудиоадаптера имеют малую мощность — чаще всего 4–6 Вт, да и то при малых искажениях звука и эта мощность не достигается. Поэтому пассивные звуковые колонки обеспечивают небольшую громкость звучания, поскольку работают от встроенного в аудиоадаптер усилителя мощности. Зато активные колонки могут быть любой мощности и габаритов. Они могут обеспечивать оглушающую громкость звуков и высокое качество звучания.