DISPOZITIVE AUDIO - caracteristicile placilor de sunet, componenta audio analogica

DISPOZITIVE AUDIO - Caracteristicile placilor de sunet, Componenta audio analogica

A) Caracteristicile placilor de sunet.

Sunetul este un fenomen fizic anteles ca o variatie rapida a presiunii aerului. Deplasarea unui obiect creeaza in fata obiectului o zona de presiune ridicata, iar in spatele acestuia o zona de presiune joasa. Presiunea ridicata impinge aerul in toate directiile, dupa care aerul se imprastie si presiunea scade.

Simpla mutare a unui obiect creeaza un curent de aer. Sunetul apare atunci cand obiectul este deplasat cu viteza mare, intr-o miscare oscilanta.

Pentru a se propaga, sunetul are nevoie de un mediu de transmisie. Viteza acestuia nu depinde de obiectul deplasat, ￳a depinde de densitatea aerului (sau a mediului de transmisie). Cu cin densitatea este mai mare, cu atin este mai mare viteza sunetului iar intensitatea scade o data cu distanta, pe masura ce tot mai mult aer intervine in ciclurile de comprimare-decomprimare.

Corpul omenesc poseda un mecanism numit ureche, care detecteaza variatiile de presiune sau undele sonore. Acesta este un dispozitiv mecanic, un convertizor reglat sa reactioneze la variatiile de presiune care creeaza sunetul.

Pentru a manipula sunetele, PC-ul are nevoie de o forma convenabila, corespondenta sunetului din electronica denumita componenta audio analogica, care foloseste semnale electrice pentru a reprezenta intensitatea undelor acustice.

Aceste semnale sunt transformate in interiorul PC-ului in semnale audio digitale, compatibile cu microprocesoarele, cu alte circuite digitale si cu sistemele acustice.

In plus, calculatorul poate genera propriile sale semnale digitale prin procesul denumit sinteza. Pentru a reface sunetele initiale din aceste semnale digitale se utilizeaza un circuit propriu audio denumit placa de sunet care include convertorul digital-analogic si un amplificator (contine un fel de sintetizator).

Ultima etapa este de a transmite semnalele convertite la difuzoarele externe, care le transforma in unde acustice.

1) Componenta audio analogica

Sunetul este un fenomen analogic, cu doua caracteristici de baza: intensitatea (amplitudinea) si frecventa – care variaza intr-un domeniu foarte mare de valori.

Frecventa se masoara in hertzi, domeniul frecventelor receptionate de om fiind 20 la 15000 Hz sau chiar 20000 Hz.

Frecventele joase corespund notelor de bas, iar cele ￡lte sunetelor ridicate, stridente care compun tonurile superioare din muzica.

Frecventele joase au lungimi de unda mari, de ordinul a 3 m pentru notele de bas mijlocii si ceea ce permite ocolirea usoara a obiectelor si umplerea unei camere cu un singur difuzor. Auzul uman nu este sensibil la frecvente joase, deci sursa frecventelor joase nu poate fi localizata usor, ceea ce permite proiectantilor utilizarea unui singur difuzor pentru frecvente joase, denumit subwoofer.

Amplitudinea descrie intensitatea sau puterea sunetului si este denumita nivel de presiune sonora. Pragul auzului uman este de 0,0002 microbari, adica 1/5.000.000.000 din presiune atmosferica normala, urechea umana fiind un detector foarte sensibil la variatiile de presiune.

Decibelii sunt utilizati la masurarea nivelului intensitatii sonore. Unitatea de baza este belul, denumit dupa Alexander Graham Bell, dar uzual se lucreaza cu decibelul, care este de fapt o relatie intre doua valori masurate.

Un bel este raportul dintre doua puteri exprimate in forma logaritmica de exemplu, o sursa sonora puternica are 1 watt, iar una mai slaba un miliwatt, ceea ce duce la un raport de 1000:1. Logaritm din 1000 este 3, deci relatia este de 3 beli sau 30 decibeli adica un watt este mai puternic cu 30 decibeli decin un miliwatt.

Decibelii descriu cu aproximatie puterea sunetelor, pentru urechea umana un sunet de doua ori mai puternic nu are o sursa de doua ori mai puternica datorita functiei logaritmice a auzului uman.

Pentru om, un sunet de doua ori mai intens trebuie generat cu o putere de 10 ori mai mare, ceea ce ￳eamna o crestere a nivelului cu 3 decibeli (log10=0.3beli=3 decibeli).

Cel mai raspandit la sistemele acustice este sistemul de masurare in dBm. 0 dBm=1miliwatt in circuitul de 600 ohmi.

Unitatile de volul se masoara cu VUmetre, 0 semnificand nivelul de 4dB peste 0 dBm.

Impedanta: toate circuitele strabatute de curent se incalzesc, datorita caracteristicii numita rezistenta, masurata in ohmi. Opusul rezistentei este conductivitatea, masurata in mho.

Opozitia circuitelor audio la fluxul de curent alternativ, sensibila la frecventa curentului se numeste reactanta. Suma rezistentei si reactantei unui circuit la o frecventa data se numeste impedanta.

Cand impedanta sursei nu corespunde cu cea adispozitivului destinatie se pierde putere electrica. Adaptarea impedantelor este cea mai importanta problema la conectarea difuzoarelor. Daca un difuzor are o impedanta prea mica poate genera curenti peste capacitatea circuitelor de iesire ale amplificatorului defectandu-l.

La circuitele audio de nivel scazut mai important este voltajul semnalului, nivelurile de tensiune asteptate trebuind sa fie identice pe circuitele conectate. Cele mai multe circuite de nivel scazut folosesc conexiuni de tip punte, in care o intrare cu impedanta mare este conectata la o iesire cu impedanta mica.

Multe placi de sunet nu au decin iesire pentru difuzor. De regula pot fi conectate direct la iesirea AUX a amplificatorului stereo fara pericol de supraincarcare a circuitelor datorita neadaptarii impedantei. Un amplificator de 1 watt cu o impedanta de 8 ohmi produce 125 milivolti suficient pentru AUX care sunt intre 100 si 150 mV.

Deasemenea, castile au impedanta de 600 ohmi, astfel incin se pot cupla fara probleme la iesirile difuzorului de 8 ohmi, utilizandu-se de fapt doar 1/75 din puterea semnalului.

Distorsiunea este o deformare mica a sunetului aplicata de amplificatoarele audio analogice si se exprima ca raportul dintre semnalele necesare dorite si cele nedorite, sub forma de procent.

Cele mai bune amplificatoare sunt cele cu distorsiuni mici. Placile de sunet produc multa distorsiune, mai atenuata la folosirea semnalului stereo.

2) COMPONENTA AUDIO DIGITALA

Dupa ce semnalul corespunzator sunetului este transformat din forma analogica in forma digitala, putem spune ca inregistrarea digitala a sunetului transforma muzica in numere. Placa de sunet analizeaza formele undelor sonore de mii de ori pe secundasi atribuie o valoare numerica tariei sunetului in fiecare analiza, apoi inregistreaza numerele. Reproducerea muzicii se face invers, numerele inregistrate regenerand semnalul corespunzator la intervale de timp egale cu cele folosite la analiza semnalului original, rezultand o copie aproape exacta a semnalului audio original.

Inregistrarea digitala este influentata de cateva variabile: frecventa cu care este examinat semnalul audio original, denumit frecventa de esantionare si codul numeric atribuit fiecarui esantion.

ANALIZA: Prpgrame informatica - generand sirurile ANALIZA: Algoritmi din teoria grafurilor

Frecventa de esantionare limiteaza raspunsul in frecventa al unui sistem, cea mai mare frecventa la care poate fi inregistratasi reprodusa digital fiind jumatate din cea de esantionare.

Sistemul audio digital pentru CD utilizeaza o frecventa de 44,1 KHz. Alte frecvente de esantionare sunt:

Rezolutia, numarul de biti dintr-un cod digital sau profunzime (bit depth), stabileste nr. de valori distincte ce pot fi inregistrate. Un cod digital pe 8 biti poate repreyenta 256 de obiecte diferite. Sistemele acustice de ￡lta calitate folosesc minim 16 biti pentru a micsora distorsiunea si zgomotele.

Largimea de banda – pentru un semnal audio stereo se folosesc o frecventa de esantionare de 44,1 KHz si un cod digital de 16 biti, ceea ce ￳eamna ca trebuie procesati 150 Kb/sec, adica 9 Mb/minut.

Pentru a salva spatiu pe disc, placile de sunet pot folosi valori mai reduse pentru frecventa de esantionare si pentru profunzime.

Sinteza – Hermann Helmholtz a descoperit ca orice ton muzical este compus din vibratii ale aerului care corespund unei forme de unda periodice.

Circuitul de baza folosit pentru generarea frecventelor, oscilatorul, produce un ton foarte curat, astfel incin sunetul pare ireal – electronic, deoarece sunetele naturale nu sunt simple frecvente ci colectii de mai multe frecvente de tarii diferite.

Generarea unui sunet presupune de fapt realizarea combinatiei corecte de frecvente, fapt posibil prin sinteza.

• Sinteza substractiva – primele sintetizatoare au folosit tehnologia analogica, create pe principilu sintezei substractive. Sintetizatoarele generau sunete cu ajutorul unor oscilatoare speciale, denumite generatoare de forma de unda, care creeau sunete bogate in armonici. In locul sunetelor clare ale undelor sinusoidale, ele generau unde patratice, ca dintii de fierastrau si alte forme intermediare.

Tehnologia digitala aparuta ca solutie alternativa, a facut ca sintetizatoarele digitale sa ofere un control foarte mare al sunetelor si posibilitatea de a crea sunete complet noi, inlocuind instrumentele muzicale foarte scumpe.

Sinteza aditiva – opusul sintetizatorului substractiv este cel aditiv care construieste sunetele prin metoda cea mai logica – alaturarea frecventelor ce compun unsunet muzical.

Sinteza FM (cu modulatie de frecventa) – opereaza astfel: este generata o frecventa sau sunet numit purtatoare combinata cu o a doua frecventa numita modulatoare. Cand cele doua au frecvente apropiate rezultatul este o unda complexa.

Un sistem de sintetizare FM are nevoie de doua oscilatoare pentru producerea undelor sinusoidale, fiecare numita operator. Cele mai cunoscute sintetizatoare FM au 4-6 operatori. Totul incape pe un singur cip, ceea ce duce la un cost mic de implementare.

Sinteza pe baza unui tabel de unde, numitasi esantionare, foloseste in loc de tonuri forme de unda reprezentative pentru anumite sunete. Reprezentarea se face folosind forma de unda exacta a sunetului, toate formele de unda ce pot fi produse de sistem fiind memorate eintr-un tabellectronic. Dezavantajul este ca necesita un spatiu mare de stocare a tabelului.

Tehnici avansate – cea mai noua tehnica se bazeaza pe modelarea instrumentelor reale, in loc sa descompuna forma de unda creata de instrument, se construieste cu aproximatie forma de unda la fel cum o face instrumentul. Avantajul este un control sporit asupra operatiilor.

• Sistemele audio in Internet – cea mai mare problema este largimea de banda, de ex o simpla conversatie 300 – 3000 Hz necesita 60 K/sec, mult peste posibilitatile unui modem 33600. In plus Internetul a fost gandit ca o retea asincrona cu comutare de pachete, utilizand protocolul TCP/IP care nu poate transmite date izosincrone (transmisiile directe). Pentru aceasta se utilizeaza produse pentru prelucrarea datelor audio ca Internet Wave si RealAudio.

Comprimarea, folosita pentru a stoca mai multe sunete pe o suprafata a discului. Algoritmii de comprimare decomprimare sunt denumiti codecuri. Windowsul 95-98 includ suport software pentru codecuri.

MPEG utilizat de regula ca standard video, descrie si informatiile audio atasate imaginii in miscare. Sistemul sau de comprimare este folosit pentru DVD. Modelul de baza are 3 straturi, ce formeaza o ierarhie:

strat 1 32 – 448 kbiti/sec optim 192 kbiti/sec aplicat la Digital Compact Casette strat 2 32 – 384 kbiti/sec optim 128 kbiti/sec aplicat la MUSICAM (Difuzare) strat 3 32 – 320 kbiti/sec optim 64 kbiti/sec aplicat la DVD, sunete Internet

B) COMPONENTELE HARDWARE UTILIZATE

1) SISTEMUL ACUSTIC FUNDAMENTAL

Pastreaza modelul simplu introdus de IBM in primul PC, cu scopul de a genera sunete clare care sa avertizeze utilizatorul asupra evenimentelor din PC. Sistemul acustic fundamental are trei elemente componente: un generator de ton, un amplificator si un difuzor.

Generatorul de ton, circuitul de baza folosit pentru generarea sunetelor este oscilatorul sau ceasul sistemului care genereaza frecventa de operare a CPU din PC. La primul calculator s-a folosit ca oscilator unul din canalele circuitului integrat 8253, la cele mai noi sunt implementate in cipset.

Amplificatorul, creste puterea semnalului. Sistemul acustic fundamental foloseste un simplu amplificator operational de 100-200 miliwati. PC-ul standard contine intre oscilator si difuzor un filtru trece-jos (care elimina frecventele ce depasesc domeniul auditiv) si un rezistor limitator de curent.

Difuzorul, emite sunetele sistemului, si are 2-3 inci. El se conecteaza la placa de baza cu un cablu special format dintr-o pereche de fire rasucite.

Programele driver, sunt folosite pentru ca aplicatiile sa poata controla sistemul acustic fundamental.

2) PLACILE DE SUNET

Toate componentele electronice necesare producerii de sunete sunt incorporate pe o placa numita de sunet, care asigura prin caracteristicile hardware cateva functii referitoare la componenta audio.

Cea mai importanta functie este de conversia datelor audio digitale in forma analogica, redata de difuzoare sub formaa de sunete. In plus inregistreaza sunete pentru redarea ulterioara a unui convertor analogic-digital. Prin sintetizatoarele interne proprii pot crea sunete iar prin circuitele de mixare combina datele de la toate sursele disponibile PC-ului (microfonul si iesirea convertorului digital-analogic de pe placa de sunet. Tot aici este inclus si un amplificator care preia amestecul audio si in amplifica la volumul dorit.

Placile de sunet pot include si functii suplimentare, ce amai cunoscuta fiind interfata MIDI, care permite legarea calculatorului la diferite instrumente muzicale astfel incin PC-ul sa lucreze ca un secventiator, sau invers, permite conectarea unei claviaturi pentru a controla sintetizatorul placii de sunet.

Clasificarea placilor de sunet se face dupa compatibilitate, conectivitate si calitate. Compatibilitatea refera la produsele software cu care poate lucra o placa de sunet, conectivitatea defineste dispozitivele ce pot fi cuplate la ea, de obicei interfete MIDI si unitati CD, iar calitatea determina gradul de multumire al utilizatorului relativ la optiunea multimedia.

Jocurile si produsele software trebuie sa respecte standardele industriale de facto: Ad Lib si Sound Blaster.

Ad Lib este nivelul de baza al compatibilitatii hardware necesare pentru jocurile DOS, cu acesta fiind compatibile panasi cele mai noi standarde hardware cum ar fi AudioCodec97.

Sound Blaster, introdus de Creative, utilizeaza un circuit integrat Yamaha YM3812, cu un singur canal de iesire astfel incin sa poata produce doar sunet mono si contine un repertoriu fix de 11 voci -sase instrumentale si 5 pentru ritm.

Cele mai noi placi includ cipul de sintetizare FM YM262 sau OPL3, care produce 20 de voci si poate scoate sunete stereo.

Interfata Sound Blaster opereaza transferand date prin doua porturi de control, un port de adresa localizat la 0338h si unul de scriere a datelor la 0389h, folosite pentru a accesa cei 224 de registri interni ai placii Sound Blaster. Interfata mai contine si 4 porturi pentru difuzoare, cu adresele 220h 221h pentru difuzorul st￧a si 222h 223h pentru cel din dreapta. Cele mai multe placi folosesc o intrerupere software pentru accesul la functiile sale.

Pentru producerea sunetelor in mediul Windows este nevoie de un driver software compatibil Windows.

Interfata DirectX cere ca o placa de sunet sa incorporeze doua functii de control specifice pentru dispozitive externe: o interfata pentru CD si una MIDI, plus un mixer analogic pentru controlul nivelului semnalelor audio.

Performantele placilor de sunet sunt date de gama semnalelor digitale cu care lucreaza. Pentru calitatea CD se asigura un raspuns in frecventa liniar intre 0 si 15KHz si un raport de semnal/zgomot de 96dB.

3) TRADUCTOARELE

Fac legatura dintre lumea electronica a datelor audio (analogice si digitale) si cea mecanica a sunetului. Microfonul converteste sunetele in semnale audio iar difuzoarele efectueaza conversia inversa, de la semnale audio la sunet.

Microfonul

Converteste variatiile de presiune a aerului in variatii de tensiune, acuratetea traducerii realizate de microfon determinand calitatea sunetelor ce pot fi inregistrate. tendinta actuala este de a realiza microfoane care sa elimine sunetele nedorite. Se utilizeaza mai multe tehnologii: microfon dinamic si microfon cu condesator.

Cel dinamic opereaza ca un mic generator ce induce curent intr-o bobina. Pentru a detecta variatiile de presiune in calea undelor sonore este pusa o diafragma din plastic usor sub forma de calota, conectata la o bobina numita bobina de voce plasata in jurul unui magnet mic cilindric permanent. Bobina se deplaseaza in timpul vibratiilor, generand o tensiune mica din care rezulta semnalul trimis placii de sunet.

Cele cu condensator modifica o tensiune existenta, diafragma actionand ca o placuta a unui condensator electric; cand aceasta vibreaza capacitatea se modificasi variaza tensiunea.

Microfoanele se descriu prin directionalitate, ele calsificandu-se astfel:

-omnidirectionale, nu tin cont de directia suneteleor

-unidirectionale, are o directie principala, sunetele care vin pe aceasta

numindu-se sunete pe axa iar cele care se abat sunete in afara axei.

-bidirectionale, sensibile la sunetele ce vin de pe doua directii, zona de

sensibilitate formeaza cifra 8.

Microfoanele pot avea impedanta scazuta 50-600 ohmi sau mare peste 50000 ohmi. De regula se prefera o impedanta de 150 ohmi.

Semnalele produse sunt intre –60 si –40 dB. Un nivel ridicat produce distorsiuni ce pot fi eliminate prin adaugarea unui atenuator.

Microfoanele profesionale folosesc conectori XLR cu trei pini – doua fire si semnal de masa.

♦Difuzorul

Pentru a crea sunete ce pot fi auzite, PC-ul efectueaza un lucru mecanic,

necesitand un traductor ce transmite energie de la un sistem la celalalt, numit difuzor

dinamic inventat de Kellong Rice in 1921. Un curent electric activeaza o bobina de voce ce actioneaza ca un electromagnet fiind plasata in jurul unui magnet permanent. Curentul variabil din bobina de voce schimba valoarea cimpului magnetic ce ﾯspan>si modifica forta de atractie si respingere fata de magnetul permanent, deplasand bobina de voce, la care este conectata o diafragma numita conul difuzorului. Intregul mecanism se numeste de excitare a difuzorului.

Sistemele fonice comerciale impart gama de frecvente auditive ce poate fi generata in doua sau trei cai.

Difuzoarele de frecventa joasa (subwoofer) opereaza la frecvente mai mici de 150 Hz, cele de frecventa ￡lta (tweeter) intre 2000 – 5000 Hz peste limita superioara a auzului uman. Difuzoarele de gama medie se ocupa doar de frecvente intermediare. gama de sunete este impartita in domenii separate de reteaua de reparare.

Cutia unui difuzor este denumita ecran sau incinta, si controleaza fluxul de sunete. Boxa este cutia ce inconjoara spatele difuzorului.

Difuzorul subwoofer extinde posibilitatile de producere a frecventelor joase ale unui sistem de sunet dintr-un PC, fiind nevoie de un singura unitate. Difuzoarele de gama medie si cele pentru frecvente ￡lte sunt plasate in cutii mai mici denumite sateliti si includ unul sau doua subwoofere pentru sunete de frecvente joase.

Difuzoarele active includ un amplificator in timp ce difuzoarele pasive nu au un astfel de dispozitiv.

4) DISPOZITIVELE MIDI

Pentru a produce fragmente muzicale prin controlarea instrumentelor muzicale electronice externe se utilizeaza interfata MIDI (Musical Instrument Digital Interface). Este o conexiune standard pentru interconectarea instrumentelor si accesoriilor lor si contine de regula componente hardware si software.

Un dispozitiv MIDI contine un emitator si un receptor MIDI, fiecare port MIDI avand ca nucleu un cip UART ce converteste datele de pe magistrala PC-ului din formatul paralel in format serial.

Circuitele UART din sistemul MIDI formeaza o conexiune seriala sincrona cu viteza fixa de 31250 biti/sec. Interfata MIDI se leaga de PC exact ca celelelte porturi, si folosesc adresa 0330h sau 0220h.

Iesirea unui emitator MIDI este legata de conectorul OUT al dispozitivului MIDI. Conectorul In face legatura cu un receptor MIDI.

Principalele standarde MIDI sunt:

-General MIDI, contine 128 programe predefinite si 16 canale.

-Basic MIDI cu doar 4 canale si Extended MIDI cu zece canale, sunt realizate de Microsoft.

-formatul GS, introdus de firma Roland Corporation

-XMIDI, dezvoltat pentru a corecta problemele standardului General MIDI

Placile se sunet sunt mari consumatoare de resurse de sistem, avand nevoie de

mai multe intreruperi, de un interval mare de porturi de intrare/iesire si de un

domeniu dedicat de adrese in memoria DOS ￡lta.