Звуковые карты и их применение

March 9, 2012 by admin Комментировать »

Все современные персональные компьютеры позволяют эффективно обрабатывать  зву ковые  (аудио) сигналы, включая проигрывание  звуковых  файлов, генерацию  звуковых  эф фектов в компьютерных играх, запись и анализ аудиосигналов. Большинство пользователей знакомо с основными сферами применения звуковых карт. Тем не менее, звуковые карты находят широкое применение  и в домашней лаборатории радиолюбителя, причем на их осно ве можно создавать довольно серьезные измерительные схемы, генераторы сигналов раз личной формы и схемы управления различными устройствами.

Применение звуковой  карты в качестве  «электронного осциллографа» известно широко му кругу читателей, причем разработан целый ряд программ, позволяющих запустить на ва шем компьютере такой осциллограф. Несмотря на относительно узкий диапазон измерений, ограниченный верхним пределом звуковых частот (приблизительно 20 КГц), в большинстве случаев этого вполне достаточно для выполнения  измерений  относительно  медленно изменя ющихся аналоговых сигналов.

Перед тем как обсудить возможности  работы со звуковыми  картами,  необходимо хотя бы вкратце ознакомиться с принципами обработки звуковых колебаний и их преобразования в цифровой сигнал. В основе работы звуковых карт, впрочем, как и  многих других устройств, лежит принцип  импульсно кодовой модуляции (ИКМ, от англ. Pulse Code Modulation,  PCM), который мы вкратце рассмотрим.

5.1.   Импульсно*кодовая модуляция

Принцип импульсно кодовой модуляции (ИКМ) проиллюстрирован на рис. 5.1.

При ИКМ из исходного сигнала FS  с определенной частотой FSAMPLE, которая называется частотой дискретизации,  выбираются  значения  (выборки),  которые  затем  преобразуются в двоичный код. Если выборку представляют в виде 8 битового  двоичного кода, то макси мальное количество кодировок  сигнала равно 256,  если, например, выборка  кодируется

12 битами, то максимальное количество выборок равно 212  или 4096. Естественно, чем выше разрядность,  тем точнее будут представлены дискретные значения сигнала.

Вторым важнейшим фактором, определяющим качество преобразованного  сигнала, яв ляется частота дискретизации  FSAMPLE. При проектировании  систем с ИКМ, да и с другими вида ми модуляции, основополагающим  критерием является теорема Найквиста.

Применительно к принципу  ИКМ  ее можно  сформулировать следующим образом:  для получения однозначного соответствия цифрового кода аналоговому входному сигнала необ

Рис. 5.1

Импульсно кодовая модуляция непрерывного сигнала

ходимо, чтобы частота дискретизации, или, по другому, частота квантования  (FSAMPLE в нашем примере) была бы как минимум в два раза выше максимальной частоты сигнала FS.

Так, если верхнее значение частоты в спектре частот звукового  сигнала равно 4 КГц, то частота квантования должна как  минимум быть равной 8 КГц. Здесь важным является сле дующее замечание: критерий  Найквиста гарантирует лишь однозначное соответствие дис кретной выборки  в определенный момент времени значению исходного сигнала в этот же момент времени, но не означает абсолютно точную передачу непрерывного  сигнала во всем временном диапазоне. Речь здесь может идти о сколь угодно точном приближении цифрово го образа к исходному сигналу.

Интуитивно очевидно, что чем выше частота квантования,  тем точнее будет представление аналогового  сигнала. Если, например, частота дискретизации будет равна 12 КГц, то количе ство выборок  возрастет с 4000  до 12000,  что обеспечит более точное цифровое представление исходного сигнала. В звуковых картах наивысшая частота диапазона обычно принимается рав ной 22 КГц, поэтому минимальная частота квантования равна как минимум 44 КГц.

То же самое касается и обратного преобразования цифрового кода в непрерывный ана

логовый звуковой сигнал при воспроизведении звуковых файлов.

Метод импульсно кодовой модуляции с некоторыми дополнениями и улучшениями  реа

лизован в звуковых картах современных персональных компьютеров.

В общем виде блок схему звуковой  карты можно представить следующим образом (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Базовая блок схема звуковой карты

Это довольно упрощенная функциональная схема, поскольку современные звуковые кар ты, особенно профессиональные, намного сложнее и могут содержать дополнительные узлы обработки и синтеза аудиосигналов. Тем не менее, базовая схема позволяет понять основ ные принципы обработки звука  в таких устройствах.

В звуковой  карте для преобразования  аналогового  звукового  сигнала в цифровую форму и

обратно применяется цифровой процессор, основными узлами которого являются аналого цифро вой (преобразование   «сигнал цифровой код») и цифро аналоговый  (преобразование   «цифровой код звуковой  сигнал») преобразователи.  Для того чтобы обработать входной сигнал или обеспе чить стандартный уровень выходного сигнала, служат предварительные  усилители входного сигна ла и буферные усилители выходного сигнала. В этом же узле осуществляется предварительная фильтрация входных сигналов с помощью аналоговых фильтров нижних частот.

При практической реализации ИКМ в звуковых картах возникает проблема с так называ емым «шумом квантования»,  который  является артефактом  для данного  метода преобразова ния. При повышении  частоты квантования  возрастает  достоверность (точность) преобразова ния сигнала в цифровую форму, однако требуются более сложные методы фильтрации воз росшего  шума квантования  (например,  использование  «сигма дельта»  аналого цифровых преобразователей с несколькими каскадами «сигма дельта» модуляторов).

Источник:  Магда Ю. С. Компьютер  в домашней лаборатории.  – М.: ДМК Пресс, 2008. – 200 с.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты