Katedra Systemów Multimedialnych · – Syntetyzator wavetable Protheus XR/1 – SNR>89 dB (A) –...

Wprowadzenie

Historia kartdźwiękowych

Konstrukcjakartydźwiękowej

Zastosowaniakartdźwiękowych

Kary graficzne

Karty foniczne i wizyjnewykład z przedmiotu: Technika rejestracji sygnałów

opracowanie na podstawie materiałów wykładowych

autorstwa mgr inż. Andrzeja Ciarkowskiego

mgr inż. Adam Kurowski,Katedra Systemów Multimedialnych

8 listopada 2016

Wprowadzenie




Kary graficzne

Wprowadzenie

Przetwarzanie multimediów często wiąże się z znaczącymi wy-maganiami dotyczącymi mocy obliczeniowej.

Z tego względu w architekturze systemów komputerowych prze-widuje się specjalne sprzętowe akceleratory wspomagające re-jestrację, generowanie i przetwarzanie strumieni multimediówtakich jak dźwięk, czy obraz.

Wprowadzenie




Kary graficzne

Historia IBM PC (1981) - Beeper

– Głośniczek oryginalnie montowany w komputerach PC- ”beeper”, ”buzzer”

– Często przetwornik piezoelektryczny

– Sterowany falą prostokątną o zadanej częstotliwości

– ” Najlepszy sposób na podniesienie jakości dźwięku toodciąć kabelki ”

– Do generowania dźwięku i tworzenia muzyki używanoprzede wszystkim Atari ST, Amigi albo MAC-ów

– Programowanie beepera – ”wyższa magia” (PWM, filtrdolnoprzepustowy)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Covox Speech Thing (1986)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Covox Speech Thing (1986)

– Prosty przetwornik 8-bitowy podłączany do portu dru-karki

– Drabinka rezystorowa + prosty filtr LP

– Szybkość próbkowania zależna tylko od wydajnościkomputera

– Niska cena, jakość ”przyzwoita”

Wprowadzenie




Kary graficzne

Prosty przetwornik DAC

_

+

2R R R R R

2R 2R2R2R2R2R

+

_Vcc

R f

R g

Vo

Sn-1 Sn-2 Sn-3 Sn-4 Sn-5

n = 5MSB LSB

MSB LSB

C f

Wprowadzenie




Kary graficzne

AdLib (1987)

Wprowadzenie




Kary graficzne

AdLib (1987)

– Prosta karta oferująca syntezę FM, zastosowanie do ge-nerowania muzyki

– Układ OPL2 Yamahy, powszechnie stosowany w najtań-szych keybordach

– Synteza do 9 głosów

– Brak możliwości odtwarzania dźwięku digitalizowa-nego (audio)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Creative C/MS Game Blaster (1987)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Creative C/MS Game Blaster (1987)

– Na scenie pojawia się Creative Labs

– 8-bitowe przetworniki ADC i DAC

– 12-głosowa synteza FM

– Zaporowa cena: 400$ (C/MS)

– Game Blaster – karta ”zrób to to sam”

Wprowadzenie




Kary graficzne

Roland LAPC-1

Wprowadzenie




Kary graficzne

Roland LAPC-1

– Karta MIDI (bez możliwości audio)

– 32-głosowa synteza wavetable

– Standardowy moduł ”syntezatorowy” Roland MT-32

– Interfejs szeregowy MPU-401 stał się standardem dointerfejsu MIDI na wiele lat

– Karta adresowana dla muzyków

– Wysoka cena (około 500$)

Wprowadzenie




Kary graficzne

TurtleBeach MultiSound 16 (1990)

– Pierwsza 16-bitowa karta dźwiękowa dla PC

– DSP Motorola 56001 (20MIPS)

– 18-bit DAC i ADC (sigma-delta 128x oversampling)

– Syntetyzator wavetable Protheus XR/1

– SNR>89 dB (A)

– Karta powszechnie wykorzystywana w rozgłośniach ra-diowych i studiach

Wprowadzenie




Kary graficzne

Sound Blaster Pro (1991)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Sound Blaster Pro (1991)

– Wciąż próbkowanie 8-bitowe

– Nagrywanie i odtwarzanie stereo

– 2 syntezatory OPL2 (kompatybilność z ADLib)

– Programowa kontrola głośności (mikser)

– ”gameport”

– Karta skierowana do masowego odbiorcy

Wprowadzenie




Kary graficzne

Gravis Ultrasound (1991)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Gravis Ultrasound (1991)

– Pierwsza karta z synteza wavetable dla masowego od-biorcy

– Audio z jakością CD

– Możliwość ładowania własnych brzmień do pamięci pró-bek

– Brak kompatybilności z Sound Blasterem

– Stosunkowo niska cena (karta adresowana dla muzyków-amatorów, szczególnie upodobana na tzw. demo-scenie)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Sound Blaster 16 (1992)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Sound Blaster 16 (1992)

– Pierwsza 16-bitowa karta Creativa

– Audio jakości CD (ale tylko przy odtwarzaniu)

– Brak trybu full duplex

– Zastosowano 12-bitowe przetworniki ADC

– Możliwość podłączenia modułu wavetable Wave Bla-ster

– Brak kompatybilności z SB Pro

Wprowadzenie




Kary graficzne

AD 1848 (1994)

– Pierwszy masowo produkowany kodek dla kart dźwię-kowych

– Zaadaptowany przez Microsoft jako ”Windows SoundSystem”

– Jakość dźwięku rożna w zależności od producentakarty, ale z reguły lepsza od SB16

– Sprzętowa obsługa kompresji A-law, u-Law i ADPCM

– Podstawa specyfikacji MPC-2

– Wykorzystywany również w wielu kartach PCI

Wprowadzenie




Kary graficzne

Budowa karty dźwiękowej

CODEC

ADC

DAC MIXER

DSPEffects

3DHW Mixing

BUSInterface

Synthesizer

Sample Memory

AC3DTS

S/PDIF

Analog Outs

Analog Ins

Digital Outs

Digital Ins

MIDI

GamePort

Bus

MIDIInterface

Wprowadzenie




Kary graficzne

CODEC

– COder/DECoder

– Układ zawierający przetworniki ADC i DAC

– Standardem dla współczesnych kart są przetworniki 18-24 bit typu sigma delta

– Dodatkowe układy typu koder AC3, DTS

– Często zintegrowany ze wzmacniaczami sekcji analo-gowej, kontrolerem szyny i mikserem

Wprowadzenie




Kary graficzne

Przetworniki ADC i DAC

– W kartach profesjonalnych często umieszczane w zewnętrz-nym module aby ograniczyć interferencje

– Oprócz rozdzielczości bitowej istotna jest liniowość prze-tworników

– Przetworniki ze względu na analogowo-cyfrową strukturęwymagają specjalnej uwagi podczas projektowania płytkiPCB

– Jakość przetworników i ich umieszczenie w decydującysposób wpływają na SNR karty

Wprowadzenie




Kary graficzne

Mikser

– Zestaw potencjometrów analogowych z cyfrowym ste-rowaniem

– Typowo 127 lub 255 poziomów + Mute

– Służy do sumowania sygnałów z rożnych kanałów (ikontroli balansu)

– Typowo sterowanie poprzez interfejs I2C albo SPI

– Analogowy mikser tylko w najtańszych kartach

Wprowadzenie




Kary graficzne

Syntezator

– Układ zamieniający kody MIDI na audio

– W tej chwili rzadko stosowany

– Kiedyś – przede wszystkim synteza FM

– Obecnie karty oferują sampling

– Często funkcję syntezatora pełni procesor DSP wyko-rzystywany również do efektów i 3D

– Szyna PCI umożliwiła wykorzystanie pamięci RAM kom-putera jako pamięci próbek (SB Live, Audigy)

– Również synteza falowodowa (np. SB AWE64)

Wprowadzenie




Kary graficzne

DSP

– Odciąża CPU komputera

– Stosowany w bardziej zaawansowanych kartach do imple-mentacji efektów typu reverb, chorus, itp.

– ”Sprzętowe miksowanie ” kanałów audio

– Pozycjonowanie dźwięku w przestrzeni 3D

– Interpolacja dźwięku

– Obwiednia ADSR i pitch shifting w syntezatorach

– Echo-cancellation w zastosowaniach VoIP

– Kompresja/dekompresja dźwięku

Wprowadzenie




Kary graficzne

Cyfrowa transmisja audio

Format I2S:– rozszerzenie interfejsu I2C do transmisji dźwięku

– Jednokierunkowa magistrala szeregowa

– 3 linie (fizycznie) transmisyjne (zegar, wybór kanału,dane)

– Rozmiar słowa danych do 32 bitów

– Dowolna częstotliwość próbkowania

– Stosowany w profesjonalnych urządzeniach (np. dołączenia CODECów z DSP)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Cyfrowa transmisja danych

Interfejs AC-link (AC97)– 2-kierunkowa magistrala szeregowa

– Przesył zarówno danych jak i słów sterujących

– Słowo danych ograniczone do 20 bitów

– Częstotliwość próbkowania max 48 kHz (wg. najnow-szej specyfikacji 2.3 również 96 kHz)

– Możliwość połączenia do 4 kodeków stereo z 1 kontro-lerem magistrali

– Sztywna specyfikacja ogranicza elastyczność

– Stosowany w tanich kartach (głównie zintegrowanych)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Karty ”ogólnego zastosowania”

Kodek AC97– Standard opracowany przez Intela w 1997 r.

– Interfejs AC-link

– Najwyższa konfiguracja głośników 5.1, max. pasmo 11.5Mb/s

– Powszechnie stosowany w kartach dźwiękowych na pły-tach głównych

– Układy AC97 różnych producentów są (powinny być) zgodneprogramowo

Synteza MIDI tylko programowo

Wprowadzenie




Kary graficzne

Karty do gier/kino domowe

– Obsługa standardu DVD-Audio (format 24/96)

– Obsługa standardów 5.1, 6.1, 7.1 i pozycjonowaniadźwięku w przestrzeni 3D

– Zaawansowane efekty dźwiękowe, ”sprzętowe mikso-wanie”

– Wyposażone w procesor DSP

Wprowadzenie




Kary graficzne

Zaawansowane karty dźwiękowe

Intel High Definition audio– ”Następca” AC97

– 32 bity/ 192 kHz

– Konfiguracja 7.1 i więcej

– Obsługa formatów Dolby Digital Surround EX i DTSES

– Przepustowość do 72 Mb/s

– Sprzętowa obsługa beamformingu

– Możliwość łączenia wielu urządzeń w celu zwiększeniamożliwości

Wprowadzenie




Kary graficzne

Dźwięk przestrzenny

– Standardy EAX 1.0 – EAX ADVANCED HD 4.0 (Cre-ative SB Live!/Audigy)

– Aureal A3D (technologia stosowana w symulatorach NASA)

– QSound3D – VIA Vinyl Audio (Procesor Envy24)

– OpenAL – standard analogiczny do OpenGL, oparty przedewszystkim na EAX (m. in. efekty 3D w Javie)

Wprowadzenie




Kary graficzne

Karty studyjne

– Format 24/96 – próbkowanie 96 kHz, rozdzielczość 24bity – standard dla profesjonalnych nagrań studyjnych

– Wiele kanałów wejściowych i wyjściowych

– ”Direct monitoring” – odsłuch wejścia bez opóźnień

– ”Bit accurate” – brak dodatkowych efektów, korektorów,tłumików itp. w torze audio

– Karty MIDI – specjalizowane interfejsy pozwalające two-rzyć sieć MIDI w studio

– ASIO – standard sterowników kart studyjnych oferującyminimalne opóźnienia (Steinberg)

Wprowadzenie




Kary graficzne

RME HDSP 9632

Wprowadzenie




Kary graficzne

RME HDSP 9632

– 192 kHz/24 bit

– SNR > 110 dB

– opcjonalna możliwość rozszerzenia o 4 symetryczne wej-ścia i wyjścia

– złącze ADAT

– SPDIF (do 96 kHz), do 16 kanałów równocześnie

– wejście i wyjście MIDI

Wprowadzenie




Kary graficzne

Karty dźwiękowe USB

– Klasa urządzeń USB Audio eliminuje konieczność two-rzenia sterowników dla urządzeń

– ”USB Speakers – karta dźwiękowa zintegrowana z gło-śnikami

– Układy USB ASIC – kodek zintegrowany zn kontrole-rem USB w 1 chipie

– USB Streaming Controller – układ kontrolera pozwalającytworzyć rozbudowane konstrukcje w tym z DSP

– Standard USB 2.0 umożliwił tworzenie wielokanało-wych interfejsów studyjnych

Wprowadzenie




Kary graficzne

EDIROL UA-101

Wprowadzenie




Kary graficzne

EDIROL UA-101

– szybkość próbkowania do 192 kHz (przy najwyższej: tylko6 wejść/wyjść jest dostępnych)

– 10 wejść i wyjść analogowych

– wejście i wyjście SPDIF

– preamp mikrofonowy, zasilanie Phantom +48 V, 2 wej-ścia symetryczne

– limiter

– wejście i wyjście MIDI

– wyjście słuchawkowe z regulacją głośności

– możliwość sterowania mikserem z poziomu aplikacji nakomputerze

Wprowadzenie




Kary graficzne

Karty graficzne

Cel stosowania kart graficznych jest analogiczny, jak dlakart audio – wspomóc przetwarzanie i konwersję danychwizyjnych.

Ze względu na charakter przetwarzanych sygnałów, jej bu-dowa jest nieco bardziej skomplikowana, niż konstrukcjekart audio.

Wprowadzenie




Kary graficzne

Bloki funkcjonalne karty graficznej

GPU

RAM RAMDAC

wyjściaOcyfrowe wyjściaOanalogowe

mag

istr

alaO

WE

/WY

CPU BIOS

Wprowadzenie




Kary graficzne


Procesor GPU – główna jednostka obliczeniowa, po-zwala odciążyć CPU komputera. Wykonuje obliczenia gra-fiki 2D/3D (przeliczenia współrzędnych, skalowanie, uru-chamianie shaderów, teksturowanie, efekty, itp.)

Pamięć RAM – na niej operuje GPU, przechowuje prze-twarzane dane graficzne, jej wielkość determinuje liczbęwyświetlanych kolorów, czy jakość tekstur

Konwerter RAMDAC – dokonuje konwersji sygnału cyfro-wego na sygnał analogowy

Wprowadzenie




Kary graficzne


Magistrala wejścia/wyjścia – komunikacja z CPU i sys-temową pamięcią RAM (szyny PCI, PCI Express, AGP, itd.)

BIOS – umożliwia działanie karty przed załadowaniemsystemu operacyjnego

Wprowadzenie




Kary graficzne

Dziękuję za uwagę!

Katedra Systemów Multimedialnych · – Syntetyzator wavetable Protheus XR/1 – SNR>89 dB (A) –...

Documents

Transcript of Katedra Systemów Multimedialnych · – Syntetyzator wavetable Protheus XR/1 – SNR>89 dB (A) –...