Оцифровка звука и его хранение на цифровом носителе

Д. К вопросу об обработке звука

 

Под обработкой звука следует понимать различные преобразования звуковой информации с целью изменения  каких-то характеристик звучания. К обработке звука относятся способы создания различных звуковых эффектов, фильтрация, а также методы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.д. Все это огромное множество преобразований сводится, в конечном счете, к следующим основным типам:

 

1.  Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала  и приводят к ее усилению/ослаблению  или изменению по какому-либо  закону на определенных участках  сигнала.

 

2.  Частотные преобразования. Выполняются  над частотными составляющими звука: сигнал представляется в виде спектра частот через определенные промежутки времени, производится обработка необходимых частотных составляющих, например, фильтрация, и обратное «сворачивание» сигнала из спектра в волну.

 

3.  Фазовые преобразования. Сдвиг фазы сигнала тем или иным способом; например, такие преобразования стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или «объёмности» звука.

 

4.  Временные преобразования. Реализуются  путем наложения, растягивания/сжатия  сигналов;  позволяют создать, например, эффекты эха или хора, а также повлиять на пространственные характеристики звука.

 

Обсуждение каждого из названных  типов преобразований может стать  целым научным трудом. Стоит привести несколько практических примеров использования указанных видов преобразований при создании реальных звуковых эффектов:

Echo (эхо) Реализуется с помощью  временных преобразований. Фактически  для получения эха необходимо  на оригинальный входной сигнал  наложить его задержанную во  времени копию. Для того, чтобы человеческое ухо воспринимало вторую копию сигнала как повторение, а не как отзвук основного сигнала, необходимо время задержки установить равным примерно 50 мс. На основной сигнал можно наложить не одну его копию, а несколько, что позволит на выходе получить эффект многократного повторения звука (многоголосного эха). Чтобы эхо казалось затухающим, необходимо на исходный сигнал накладывать не просто задержанные копии сигнала, а приглушенные по амплитуде.

Reverberation (повторение, отражение). Эффект заключается в придании звучанию объемности, характерной для большого зала, где каждый звук порождает соответствующий, медленно угасающий отзвук. Практически, с помощью реверберации можно «оживить», например, фонограмму, сделанную в заглушенном помещении. От эффекта «эхо» реверберация отличается тем, что на входной сигнал накладывается задержанный во времени выходной сигнал, а не задержанная копия входного. Иными словами, блок реверберации упрощенно представляет собой петлю, где выход блока подключен к его входу, таким образом уже обработанный сигнал каждый цикл снова подается на вход смешиваясь с оригинальным сигналом.

Chorus (хор). В результате  его применения звучание сигнала  превращается как бы в звучание  хора или в одновременное звучание нескольких инструментов. Схема получения такого эффекта аналогична схеме создания эффекта эха с той лишь разницей, что задержанные копии входного сигнала подвергаются слабой частотной модуляции (в среднем от 0.1 до 5 Гц) перед смешиванием со входным сигналом. Увеличение количества голосов в хоре достигается путем добавления копий сигнала с различными временами задержки.

Безусловно, как и во всех других областях, в обработке  сигналов также имеются проблемы, которые являются своего рода камнем преткновения. Так, например, при разложении сигналов в спектр частот существует принцип неопределенности, который невозможно преодолеть. Принцип гласит, что нельзя получить точную спектральную картину сигнала в конкретный момент времени: либо для получения более точной спектральной картины нужно проанализировать больший временной участок сигнала, либо, если нас интересует больше время, когда происходило то или иное изменение спектра, нужно пожертвовать точностью самого спектра. Иными словами нельзя получить точный спектр сигнала в точке - точный спектр для большого участка сигнала, либо очень приблизительный спектр, но для короткого участка.

Е. Аппаратура

 

Немаловажная часть  разговора о звуке связана  с аппаратурой. Существует много  различных устройств для обработки и ввода/вывода звука. Касательно обычного персонального компьютера следует подробнее остановиться на звуковых картах. Звуковые карты принято делить на звуковые, музыкальные и звукомузыкальные. По конструкции же все звуковые платы можно разделить на две группы: основные (устанавливаемые на материнской плате компьютера и обеспечивающие ввод и вывод аудио данных) и дочерние (имеют принципиальное конструктивное отличие от основных плат - они чаще всего подключаются к  специальному разъему, расположенному на основной плате). Дочерние платы служат чаще всего для обеспечения или расширения возможностей MIDI-синтезатора.

 

Звукомузыкальные и  звуковые платы выполняются в  виде устройств, вставляемых в слот материнской платы (либо уже  встроены в нее изначально). Визуально они имеют обычно два аналоговых входа - линейный и микрофонный, и несколько аналоговых выходов: линейные выходы и выход для наушников. В последнее время карты стали оснащаться также и цифровым входом и выходом, обеспечивающим передачу аудио между цифровыми устройствами.  Аналоговые входы и выходы обычно имеют разъемы, аналогичные разъемам головных наушников (1/8”). Вообще, входов у звуковой платы немного больше, чем два: аналоговые CD, MIDI и другие входы. Они, в отличие от микрофонного и линейного входов, расположены не на задней панели звуковой платы, а на самой плате; могут иметься и другие входы, например, для подключения голосового модема. Цифровые входы и выходы обычно выполнены в виде интерфейса S/PDIF (интерфейс цифровой передачи сигналов) с соответствующим разъемом (S/PDIF – сокращение от Sony/Panasonic Digital Interface - цифровой интерфейс Sony/Panasonic). S/PDIF - это «бытовой» вариант более сложного профессионального стандарта AES/EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union). Сигнал S/PDIF используется для цифровой передачи (кодирования) 16-разрядных стерео данных с любой частотой дискретизации. Помимо перечисленного, на звукомузыкальных платах имеется MIDI-интерфейс с разъемами для подключения MIDI-устройств и джойстиков, а также для подсоединения дочерней музыкальной карты (хотя в последнее время возможность подключения последней становится редкостью). Некоторые модели звуковых карт для удобства пользователя оснащаются фронтальной панелью, устанавливаемой на лицевой стороне системного блока компьютера, на которой размещаются разъемы, соединенные с различными входами и выходами звуковой карты.

Определим несколько  основных блоков, из которых состоят  звуковые и звукомузыкальные платы.

 

1.  Блок цифровой  обработки сигналов (кодек). В этом блоке осуществляются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования (АЦП и ЦАП). От этого блока зависят такие характеристики карты, как максимальная частота дискретизации при записи и воспроизведении сигнала, максимальный уровень квантования и максимальное количество обрабатываемых каналов (моно или стерео). В немалой степени от качества и сложности составляющих этого блока зависят и шумовые характеристики.

 

2.  Блок синтезатора.  Присутствует в музыкальных картах. Выполняется на основе либо FM-, либо WT-синтеза, либо на обоих сразу. Может работать как под управлением собственного процессора, так и под управлением специального драйвера.

 

3.  Интерфейсный блок. Обеспечивает передачу данных  по различным интерфейсам (например, S/PDIF). У чисто звуковой карты этот блок чаще отсутствует.

 

4.  Микшерный блок. В звуковых платах микшерный  блок обеспечивает регулировку:

уровней сигналов с линейных входов;

уровней с MIDI входа и  входа цифрового звука;

уровня общего сигнала;

панорамирования;

тембра.

 

Рассмотрим важнейшие  параметры, характеризующие звуковые и звукомузыкальные платы. Наиболее важными характеристиками являются: максимальная частота дискретизации (sampling rate) в режиме записи и в режиме воспроизведения, максимальный уровень квантования или разрядность (max. quantization level) в режиме записи и воспроизведения. Кроме того, так как звукомузыкальные платы имеют еще и синтезатор, то к их характеристикам относят и параметры установленного синтезатора. Естественно, чем с большим уровнем квантования карта способна кодировать сигналы, тем большее качество сигнала при этом достигается. Все современные модели звуковых карт способны кодировать сигнал с уровнем 16 бит, и в поледнее время появились бытовые карты с уровнем в 24 бит (линейка карт Audigy, Audigy II от Creative). Одной из важных характеристик является возможность одновременного воспроизведения и записи звуковых потоков. Особенность карты одновременно воспроизводить и записывать называют  полнодуплексной (full duplex). Есть еще одна характеристика, которая зачастую играет решающую роль при покупке звуковой карты - отношение сигнал/шум (Signal/Noise Ratio, S/N). Этот показатель влияет на чистоту записи и воспроизведения сигнала. Отношение сигнал/шум – это отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе устройства, этот показатель принято измерять в дБ. Хорошим можно считать отношение 80-85 дБ; идеальным – 95-100 дБ. Однако нужно учитывать, что на качество воспроизведения и записи сильно влияют наводки (помехи) со стороны других компонент компьютера (блока питания и проч.). В результате этого отношение сигнал/шум может изменяться в худшую сторону. На практике методов борьбы с этим существует достаточно много. Некоторые предлагают заземлить компьютер. Другие, дабы как можно более тщательно уберечь звуковую карту от наводок, «выносят» ее за пределы корпуса компьютера. Однако полностью уберечься от наводок очень тяжело, так как даже элементы самой карты создают наводки друг на друга. С этим тоже пытаются бороться и для этого экранируют каждый элемент на плате. Но сколько бы усилий не прилагалось к решению этой проблемы, полностью исключить влияние внешних помех невозможно.

 

Еще одна не менее важная характеристика – коэффициент нелинейных искажений или Total Harmonic Distortion, THD. Этот показатель также критическим образом влияет на чистоту звучания. Коэффициент нелинейных искажений измеряется в процентах: 1% - «грязное» звучание; 0.1% - нормальное звучание; 0.01% - чистое звучание класса Hi-Fi; 0.002% - звучание класса Hi-Fi – Hi End.. Нелинейные искажения – результат неточности в восстановлении сигнала из цифрового вида в аналоговый. Упрощенно, процесс измерения этого коэффициента проводится следующим образом. На вход звуковой карты подается чистый синусоидальный сигнал. На выходе устройства снимается сигнал, спектр которого представляет собой сумму синусоидальных сигналов (сумма исходной синусоиды и ее гармоник). Затем по специальной формуле рассчитывается количественное соотношение исходного сигнала и его гармоник, полученных на выходе устройства. Это количественное соотношение и есть коэффициент нелинейных искажений (THD).

 

Что такое MIDI-синтезатор? Термин «синтезатор» обычно используется применительно к электронному музыкальному инструменту, в котором звук создается и обрабатывается, меняя свою окраску и характеристики. Естественно, название этого устройства пошло от его основного предназначения – синтеза звука. Основных методов синтеза звука существует всего два: FM (Frequency modulation – частотная модуляция) и WT (Wave Table – таблично-волновой). Поскольку мы не можем здесь подробно останавливаться на их рассмотрении, опишем лишь основную идею методов. В основе FM-синтеза лежит идея, что любое даже самое сложное колебание является по сути суммой простейших синусоидальных. Таким образом, можно наложить друг на друга сигналы от конечного числа генераторов синусоид и путем изменения частот синусоид получать звуки, похожие на настоящие. Таблично-волновой синтез основывается на другом принципе. Синтез звука при использовании такого метода достигается за счет манипуляций над заранее записанными (оцифрованными) звуками реальных музыкальных инструментов. Эти звуки (они называются сэмплами) хранятся в постоянной памяти синтезатора.

Надо отметить, что  поскольку MIDI-данные – это набор команд, то музыка, которая написана с помощью MIDI, также записывается с помощью команд синтезатора. Иными словами, MIDI-партитура – это последовательность команд: какую ноту играть, какой инструмент использовать, какова продолжительность и тональность ее звучания и так далее. Знакомые многим MIDI-файлы (.MID) есть нечто иное, как набор таких команд. Естественно, что поскольку имеется великое множество производителей MIDI-синтезаторов, то и звучать один и тот же файл может на разных синтезаторах по-разному (потому что в файле сами инструменты не хранятся, а есть лишь только указания синтезатору какими инструментами играть, в то время как разные синтезаторы могут звучать по-разному).

Вернемся к рассмотрению звукомузыкальных плат. Поскольку мы уже уточнили, что такое MIDI, нельзя обойти стороной характеристики встроенного аппаратного синтезатора звуковой карты. Современный синтезатор, чаще всего, основан на так называемой «волновой таблице» - WaveTable (вкратце, принцип работы такого синтезатора состоит в том, что звук в нем синтезируется из набора записанных звуков путем их динамического наложения и изменения параметров звучания), раньше же основным типом синтеза являлся FM (Frequency Modulation – синтез звука посредством генерирования простых синусоидальных колебаний и их смешения). Основными характеристиками WT-синтезатора являются: количество инструментов в ПЗУ и его объем, наличие  ОЗУ и его максимальный объем, количество возможных эффектов обработки сигналов, а также возможность поканальной эффект-обработки (конечно, в случае наличия эффект-процессора), количество генераторов, определяющих максимальное число голосов в полифоническом (многоголосном) режиме и, может быть самое главное, стандарт, в соответствии с которым выполнен синтезатор (GM, GS или XG). Кстати, объем памяти синтезатора - не всегда величина фиксированная. Дело в том, что в последнее время синтезаторы перестали иметь свое ПЗУ, а пользуются основным ОЗУ компьютера: в этом случае все используемые синтезатором звуки хранятся в файле на диске и при необходимости считываются в ОЗУ.

Ж. Программное обеспечение

 

Тема программного обеспечения  очень широка, поэтому рассмотрим небольшую толику программ для обработки звука.

 

Наиболее важный класс  программ – редакторы цифрового  аудио. Основные возможности таких программ это, как минимум, обеспечение возможности записи (оцифровки) аудио и сохранение на диск. Развитые представители такого рода программ позволяют намного больше: запись, многоканальное сведение аудио на нескольких виртуальных дорожках, обработка специальными эффектами (как встроенными, так и подключаемыми извне – об этом позже), очистка от шумов, имеют развитую навигацию и инструментарий в виде спектроскопа и прочих виртуальных приборов, управление/управляемость внешними устройствами, преобразование аудио из формата в формат, генерация сигналов, запись на компакт диски и многое другое. Некоторые из таких программ: Cool Edit Pro (Syntrillium), Sound Forge (Sonic Foundry), Nuendo (Steinberg), Samplitude Producer (Magix), Wavelab (Steinberg), Dart.

 

Основные возможности  редактора Cool Edit Pro 2.0 (см. Скриншот 1 - пример рабочего окна программы в многодорожечном  режиме): редактирование и сведение аудио на 128 дорожках, 45 встроенных DSP-эффектов, включая инструменты для мастеринга, анализа и реставрации аудио, 32-битная обработка, поддержка аудио с параметрами 24 бит / 192 КГц, мощный инструментарии для работы с петлями (loops), поддержка DirectX, а также управление SMPTE/MTC, поддержка работы с видео и MIDI и прочее.