Zvukové rozhraní. Základní pojmy

Transkript

1 Zvukové rozhraní Zvukové rozhraní (zvukový adaptér) je rozšiřující rozhraní počítače, které slouží k počítačovému zpracování zvuku (vstup, výstup). Pro vstup zvuku do počítače je potřeba jeho konverze do podoby elektrického signálu pomocí mikrofonu, Pro reprodukci zvuku je potřeba jeho konverze z elektrického signálu na akustický signál (zvuk) pomocí reproduktoru. V současné době je běžnou integrovanou součástí každé základní desky počítače. Je-li potřeba profesionálnějšího zpracování zvuku, lze využít interní či externí rozšiřující zvukový adaptér. Externí zvukové adaptéry se zapojují do standardizovaného rozhraní USB. Základní pojmy Zvuk je mechanické vlnění částic hmotného prostředí, které je schopno vyvolat v lidském uchu sluchový vjem. Frekvence tohoto vlnění leží přibližně v rozsahu 20 Hz až 20 khz. Za jeho hranicemi člověk zvuk sluchem nevnímá. Zvuk s frekvencí nižší než 20 Hz (který slyší např. sloni) nazýváme infrazvuk. Zvuk s frekvencí vyšší než 20 khz (např. delfíni či netopýři vnímají zvuk až do frekvencí okolo 150 khz) nazýváme ultrazvuk. Zvuk se šíří ze svého zdroje všemi směry. Jakmile dorazí zvuk do ucha, rozkmitá ušní bubínek, což lidský mozek vyhodnotí jako sluchový vjem. Zvuky můžeme rozdělit na hudební (tóny) a nehudební (hluk). Jednotlivé tóny se liší frekvencí. Základními parametry zvuku jsou jeho výška a intenzita. Výška zvuku se udává v hertzích [Hz]. Čím je kmitočet vyšší, tím vyšší tón vnímáme. Lidé jsou schopni slyšet zvuk od 16 Hz do 20 khz. S věkem klesá schopnost vnímat zvuky o vyšším kmitočtu. Při kompresi zvuku do formátu MP3 se odstraní všechny tóny nad 15 khz. Intenzita zvuku je nazývána amplitudou a určuje hlasitost, s jakou daný tón vnímáme. Udává se v decibelech (db). Práh vnímání (slyšitelnosti) je kolem 2 až 3 db, práh bolesti je kolem 130 db.

2 Digitalizace signálu Zvuk se šíří jako analogový (časově spojitý) signál. Mikrofon na svém výstupu vytvoří elektrický signál, který je taktéž spojitý. Pro digitální zpracování zvuku počítačem je nutný jeho převod na signál digitální (dvouhodnotový, logický, časově nespojitý). K tomu se používají převodníky analogového signálu na digitální (ADC Analog to Digital Convertor). Při reprodukci zvuku je nutný proces opačný. Digitální záznam je převeden na analogový signál. K tomu se používá digitálně analogový převodník (DAC Digital to Analog Convertor). Při převodu analogového signálu na digitální je signál nejprve vzorkován. V určitých časových intervalech se zjišťuje kmitočet a amplituda vstupního signálu získá se tzv. vzorek vstupního analogového signálu. Čím je rychlost vzorkování vyšší, tím je výsledný digitální signál bližší analogovému originálu. Rychlost vzorkování určuje, kolik vzorků se zjišťuje za jednu sekundu. Tuto rychlost vyjadřujeme vzorkovacím kmitočtem. Kmitočet vzorkování kvalitního záznamu by měl být nejméně dvojnásobkem maximální slyšitelné frekvence. K této hodnotě se přidává rezerva 10 %. Při maximálním slyšitelném kmitočtu 20 khz je doporučený vzorkovací kmitočet 44,1 khz. f 2 fs vzorkovací kmitočet s f m fm maximální slyšitelný kmitočet (pro člověka asi 20 khz) Vedle vzorkovacího kmitočtu je dalším důležitým parametrem rozlišení převodníku. Ten určuje, kolika bity můžeme popsat číselnou hodnotu každého vzorku a kolik číselných hodnot lze vzorkům přiřadit. Čím je rozlišení vyšší, tím více hodnot se dá přiřadit. Je-li rozlišení 8 bitů, dá se přiřadit 256 hodnot (2 8 = 256), při rozlišení 16 bitů to je hodnot a při rozlišení 24 bitů 16,7 milionů hodnot. Příklad 8 bitového A/D převodníku:

3 Základní parametry zvukových adaptérů Rozhraní/sběrnice pro připojení k počítači (PCI, PCIe 1, USB) Konfigurace reproduktorů (2+0, 2+1, 5+1, 7+1). Druhé číslo značí přítomnost tzv. subwooferu, tedy speciálního reproduktoru pro zdůraznění basů (tónů s nízkou frekvencí) Parametry převodníků A/D a D/A vzorkovací frekvence (khz), rozlišení (bit) Odstup signálu od šumu (SNR Signal to Noise Ratio) určuje se jako poměr síly (výkonu) užitečného signálu k síle (výkonu) neužitečných, rušivých signálů, které nazýváme šum. Jednotkou je decibel (db), čím je hodnota vyšší, tím je adaptér kvalitnější. Celkové harmonické zkreslení určuje přesnost reprodukce jednotlivých tónů. Uvádí se v procentech pro referenční kmitočet 1 khz. Čím je hodnota nižší, tím kvalitnější je adaptér. Vstupy a výstupy zvukového adaptéru, včetně typu rozhraní: (digitální / analogové, elektrické / optické) Příklad: zvuková karta Creative Labs Sound Blaster Audigy SE Parametry: Sběrnice: PCI Maximální dostupná konfigurace reproduktorů: 7.1 Rozlišovací schopnost převodníků A/D a D/A: 24 bitů Maximální vzorkovací frekvence: 96 khz Odstup signál/šum: 100 db Celkové harmonické zkreslení při 1kHz: 0,004% Součástí zvukových adaptérů Všechny zvukové adaptéry mají tyto částí: 1. A/D a D/A převodníky 2. Syntezátory - zdroje tónů a zvuků 3. Konektory pro vstup/výstup 4. Rozhraní pro připojení k počítači

4 A/D a D/A převodníky Úkolem A/D převodníku je převést vstupní spojitý (analogový) elektrický signál reprezentující zvuk na digitální data (posloupnost log. hodnot 0 a 1), která poté zpracovává procesor. Zdrojem analogového signálu bývá nejčastěji mikrofon. Na vzorkovací frekvenci A/D převodníku a jeho rozlišovací schopnosti závisí kvalita zaznamenávaného zvuku. D/A převodník má za úkol převést digitální signál na spojitý, který se následně po zesílení přivádí na reproduktor. Syntezátor Jedná se o obvody, které podle instrukcí uměle vytvářejí jednotlivé tóny a zvuky. Zvukové adaptéry se liší zejména typem syntezátoru. Levnější zvukové adaptéry mohou používat frekvenční (FM) syntézu. Pro generování zvuků a tonů syntezátor využívá soustavu oscilátorů, filtrů, zesilovačů a modulátorů. Metoda je jednoduchá, levná, ale kvalita napodobených hudebních tónů či lidské řeči je nízká. Kvalitnější syntezátory používají WaveTable syntézy. V paměti typu ROM mají uloženy digitální vzorky každého jednotlivého tónu hudebních nástrojů (např. komorní A koncertního křídla). V případě potřeby se tento tón (sample) vybere a procesor zvukové karty jej přepočítá na příslušnou délku a výšku. Ze všech upravených tónů následně vypočítá požadovanou melodii. Konektory zvukové karty Téměř všechny zvukové adaptéry mají shodné konektory typu Jack 3,5 mm. Jsou určeny k připojení jednotlivých vstupních a vstupních periferních zařízení (analogový signál): Line In slouží k připojení vstupních externích audio zařízení (CD přehrávač, magnetofon, gramofon, atd.) pro vstup zvuku do počítače Line Out výstup pro připojení předních reproduktorů a sluchátek Rear výstup pro zadní reproduktory Side výstup pro boční reproduktory c/sub výstup pro připojení centrálního reproduktoru a subwooferu 1 Mic zesilovaný vstup pro připojení mikrofonu 1 Subwoofer je speciálně navržený reproduktor pro reprodukci basů (tónů s nízkou frekvencí)

5 Na desce zvukové karty také obvykle najdeme několik interních konektorů. Připojit zde můžeme např. optickou mechaniku. Toto propojení pak umožňuje v mechanice přehrávat audio disky a zvuk následně poslouchat z reproduktorů připojených ke zvukovému adaptéru. Kabel propojující optickou mechaniku se zvukový adaptér (CD IN) CD IN TAD AUX IN linkový vstup pro propojení s CD (obecně optickou) mechanikou interní konektor pro připojení interního zařízení typu faxmodem doplňkový linkový vstup pro připojení interních zařízení (např. TV tuner) Současné zvukové karty mohou být vybaveny rozhraním S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface), což je rozhraní pro digitální přenos signálu mezi zařízeními spotřební elektroniky, vyvinutý firmami Sony a Philips. Přenos je možný v téměř jakémkoliv formátu (nekomprimovaný PCM, komprimovaný MPEG, AC3, WMA, atd.) a libovolném počtu kanálů (stereo, 5.1, 7+1). Pouze připojená zařízení musí podporovat příslušný standard. Spojení je možné jedním koaxiálním (CINCH konektor) nebo optickým kabelem (Toslink) a je jednosměrné. Výhodou digitálního spojení je větší odolnost signálu vůči vnějšímu rušení komunikačního kanálu.