Возможности встроенного динамика ( PC- Speaker)

Представим себе батарейку, которая через регулятор (для удобства - прямолинейный, а не круглый) подключена к динамику акустической системы. При перемещении регулятора диффузор динамика будет аналогично перемещаться между своим нейтральным положением и точкой максимального отклонения, в точности повторяя движения ползунка и изменение электрического тока в цепи. В таком случае говорят, что имеет место аналоговая передача звука, которая используется почти во всей звуковой аппаратуре. Таким образом, перемещая ползунок с нужной скоростью, мы можем заставить динамик издать любой нужный нам звук - вся проблема только в скорости перемещения ползунка.

В компьютерах, как известно, используется цифровой принцип передачи информации: электрические сигналы могут принимать только два состояния - 0 и 1, что соответствует минимальному и максимальному уровням напряжения. Графики электрических сигналов при этом даже отдаленно не напоминают, например, график изменения яркости картинки на мониторе или траекторию перемещения мыши, поскольку аналоговые сигналы закодированы в цифровых. Подключив динамик к выходу цифровой схемы, мы можем привести его диффузор только в одно из двух возможных положений; если теперь переключать цифровой сигнал со звуковой частотой - мы услышим знакомое гудение или писк разной высоты. Именно так и было реализовано управление встроенным динамиком в самых первых персональных компьютерах, таким же оно осталось и в их современных моделях - программа либо программирует генератор импульсов на их повторение с нужной частотой, либо сама переключает цифровой сигнал на динамике. Изменяя частоту следования импульсов, можно повышать или понижать тон звука, однако более приятных звуков таким способом извлечь невозможно. Такой способ управления называется частотной модуляцией (ЧМ/FM).

Однако кое-что все-таки можно сделать, вспомнив, что диффузор динамика имеет инерцию и из-за нее не может перемещаться со скоростью, сравнимой со скоростью изменения цифровых сигналов в компьютере. Если подать на него цифровой сигнал из равномерно меняющихся 0 и 1 с частотой более 20 килогерц - диффузор будет излучать неслышимый ультразвук, сила которого будет очень быстро падать с ростом частоты, и уже на нескольких десятках килогерц диффузор практически перестанет двигаться. Однако если изменение между 0 и 1 будет неравномерным, то диффузор уже не сможет оставаться на месте, однако и не будет колебаться в точном соответствии с цифровым сигналом. Можно сказать, что удержание одного из уровней на выходе схемы ускоряет движение диффузора в выбранном направлении, а смена уровня на противоположный - тормозит его, а при удержании нового уровня в течение длительного времени диффузор начнет двигаться в противоположном направлении. Этот способ управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Таким образом, если достаточно искусно переключать цифровые уровни на схеме управления динамиком, то в принципе из него можно получить произвольные и чистые звуки. Однако на практике это возможно лишь при условии точного знания момента инерции диффузора, параметров усилителя мощности и очень высокой (в идеале - бесконечной) точности управления сменой уровней. Поэтому описанный метод получил довольно ограниченное применение - для имитации выстрелов и взрывов в играх, простейшего синтеза речи или воспроизведения очень низкокачественной музыки.

Преобразователи АЦП и ЦАП

Наиболее естественным способом "подружить" цифровой компьютер с его "рваной" импульсной системой передачи информации, и непрерывный реальный мир является использование преобразователей аналоговых сигналов в цифровые и обратно, которые и называются аналогово-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями - АЦП и ЦАП. Первый получает непрерывный аналоговый сигнал и постоянно выдает поток цифровых сигналов, второй действует наоборот. При этом говорят, что АЦП кодирует аналоговый сигнал, а ЦАП - декодирует его. В англоязычной литературе используются обозначения ADC и DAC, а также codec (coder/decoder).

Для преобразования в цифровой код аналоговый сигнал приходится подвергать дискретизации - разбиению на фиксированные участки во времени и на ряд фиксированных величин - по уровню. Каждый элементарный участок сигнала кодируется одним числом, величина которого пропорциональна среднему уровню сигнала на этом участке; такое число называется отсчетом. Числа появляются на выходе АЦП синхронно с изменением сигнала на входе; точность преобразования будет тем выше, чем выше частота следования отсчетов и чем больше используется фиксированных значений уровня. Частота следования отсчетов называется частотой дискретизации, а диапазон значений отсчета определяется разрядностью его двоичного представления.

Выбор частоты дискретизации важен в первую очередь для передачи частотного диапазона сигнала - при слишком низкой частоте звук становится глухим и неразборчивым. Чаще всего для хорошей передачи звука достаточно частоты, вдвое большей максимальной частоты исходного сигнала, хотя для достижения высокого качества используется трех - пятикратное превышение. А разрядность влияет прежде всего на количество искажений и шумов, вносимых в звук - при недостаточной точности отсчетов звук становится резким и неприятным, как внутри металлической трубы.

В популярных сейчас бытовых проигрывателях компакт-дисков используется частота дискретизации 44.1 кГц и отсчеты в 16 двоичных разрядов (65536 фиксированных уровней). В цифровых телефонных линиях применяется 8-разрядная (256 уровней) оцифровка на 8 кГц, а в студийных системах обработки звука - 24-разрядная (16777216 уровней) с частотой 96 кГц. Понятно, что с ростом частоты дискретизации и разрядности отсчета растет и объем данных, занимаемый звуком. Например, один компакт-диск вмещает 74 минуты стереозвучания, однако при записи на нем звука в монофоническом телефонном формате время непрерывного звучания составит более суток.

Самый простой ЦАП делается при помощи так называемой резистивной матрицы, когда все разряды двоичного числа, представляющего отсчет, через резисторы с различным сопротивлением сводятся в одну точку, причем сопротивление резисторов падает с ростом старшинства разрядов двоичного числа. Таким образом, изменение старшего разряда из 0 в 1 и наоборот будет вносить в линию максимальное изменение напряжения, а то же самое в младшем разряде - минимальное, и в случае 8 разрядов разница составит в точности 256 раз. При последовательном переборе всех чисел от 0 до 255 сигнал на выходе будет ступенчато изменяться от нуля до максимума - в 256 раз более плавно, чем простой цифровой переход от 0 к 1.

Лет десять назад на компьютерах IBM PC подобные 8-разрядные ЦАП делались при помощи параллельного порта принтера, имеющего как раз 8 линий данных, а при использовании дополнительных линий управления - и более качественный 12-разрядный. Выводя из программы в порт отсчеты с нужной скоростью, можно получить достаточно чистый звук, сравнимый по качеству с телефоном или дешевым магнитофоном.

Сейчас выпускается широчайший ассортимент звуковых адаптеров, или карт, для всех видов персональных компьютеров, а во многих моделях они являются компонентом системной платы. Современный звуковой адаптер содержит 16-разрядные стереофонические ЦАП и АЦП, работающие на частоте 5..48 кГц, которые передают и получают цифровой звук по каналам прямого доступа к памяти (DMA), без прямого участия программ, которым остается только вовремя забирать готовый оцифрованный фрагмент с АЦП, или подавать очередной цифровой фрагмент на ЦАП. Многие адаптеры могут записывать и воспроизводить звук одновременно, и программа при должном быстродействии может синхронно воспроизводить записанный звук в уже обработанном виде.