Методика проведения осциллографических измерений с использованием возможностей звуковой карты персонального компьютера Возможности типовой звуковой карты
Типовая звуковая карта в своем составе имеет цифровой канал записи-воспроизведения, микшер, синтезатор и MIDI-порт.
Цифровой аудиоканал, он же аудиокодек, обеспечивает возможность моно- или стереофонической записи и воспроизведения аудиофайлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до аудио-CD и даже выше. Запись (recording) производится оцифровкой (аналого-цифровым преобразованием) выборок мгновенного значения сигнала; современные карты позволяют принимать и цифровые аудиоданные. Оцифрованный звук может храниться в файлах, для которых обычно используется расширение .WAV (сокращенно от Wave— волна). Размер файла зависнт от длительности записи, разрядности преобразования, частоты квантования и количества каналов (моно- или стереозапись). Эти «волновые файлы» могут редактироваться программными средствами, которые обычно позволяют вывести на экран подобие осциллограмм записанных сигналов. При воспроизведении (playback) поток цифровых данных выводится на внешний интерфейс, аналоговый (линейный выход или выход усилителей на колонки или наушники) или цифровой.
Основы цифровой обработки сигналов
Для оцифровки аналогового сигнала применяется дискретизация по времени и квантование по уровню. Это означает, что регулярно с частотой дискретизации производятся выборки мгновенного значения аналогового сигнала (рис. 4). Эти выборки квантуются при помощи аналогово-цифрового преобразователя АЦП (ADC — Analog-Digital Converter). На выходе АЦП информация представляется в виде двоичного кода — то есть числом, которое может принимать одно из множества дискретных значений, определяемых разрядностью преобразователя. Очевидно, чем выше разрядность, тем точнее это число может представлять мгновенное значение аналогового сигнала. «Может» потому, что для точности характеристика преобразователя должна быть еще монотонной и линейной. В идеале передаточная характеристика преобразователя выглядит ровной «лесенкой» с одинаковыми ступеньками (линейность) и без провалов (монотонность). Поскольку мгновенные значения сигнала не «обязаны» попадать на ступеньки этой лесенки, при преобразовании возникают шумы квантования — отклонения квантованного значения от реального, в среднем, половина кванта. Для высококачественной передачи музыки разрядность преобразователя должна составлять, по крайней мере, 16 бит, что мы и имеем в аудио-CD, на качество которого будем ориентироваться для определенности.
Рис. 4. Оцифровка аналогового сигнала
Выбор частоты дискретизации определяется теоремой Котельникова: для адекватного восстановления частота дискретизации должна быть больше (лучше — с запасом) удвоенной частоты высших спектральных составляющих входного сигнала. Чтобы не интересующие нас более высокие частоты не искажали оцифровку, они должны быть тщательно отфильтрованы. В том же CD частота 44,1 кГц позволяет воспроизводить сигнал в полосе до 20 кГц — весь слышимый спектр. Обратное преобразование выполняется с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП (DAC — Digital-Analog Converter), на вход которого поступает цифровой поток с той же частотой. Аналоговый сигнал после ЦАП должен быть опять-таки отфильтрован — частоты выше половины частоты квантования подавляются. К устройству ЦАП предъявляют те же требования по разрядности, линейности и монотонности. Разрядность АЦП и ЦАП может и не совпадать — эффективная разрядность тракта будет определяться наименьшим значением (включая разрядность находящегося между ними цифрового канала передачи или хранения информации). Заметим, что достаточно быстродействующий (около 20 мкс/преобразование) 16-разрядный АЦП стал широкодоступным только в конце 80-х годов. ЦАП реализуется проще, поэтому проигрыватели CD получили массовое распространение довольно давно.
Итак, на выходе АЦП мы имеем поток данных с интенсивностью 16 бит 44,1 кГц = 705,6 Кбит/с (88,2 Кбайт/с) на один канал, а если хотим стерео — то около 1410 Кбит/с (176 Кбайт/с). Если такой поток покажется слишком интенсивным, можно понизить частоту и разрядность квантования. Очевидно, что с понижением частоты дискретизации пропорционально снизится и доступная полоса частот. Снижение разрядности приведет к повышению погрешности — уровня шумов квантования. Каждый отброшенный двоичный разряд повысит уровень этого шума на 6 дБ. Если нас интересует только разборчивая передача речи, можно «опуститься» до 8-битного преобразования с частотой 5 кГц — в моно это даст поток около 5 Кбайт/с.
Теперь обсудим, что можно делать с этим потоком полезного и на что способен PC.