认识声卡

headway · 发表于 2005-10-8 01:27:00

认识声卡
　　计算机是如何表现声音的

　　为了认识声音卡，我们首先应该了解一些有关声音的知识。例如，什么是声音、计算机怎样度量声音、计算机是怎样存储声音、怎样播放声音等问题。按照多媒体计算机MPC的规定，声音卡应该支持两种声音：波形声音和MIDI声音(合成声音)。MIDI声音是一种由电子器件和设备合成的声音，按照其原理不同，又可以分为FM合成法和乐音样本合成法(通常也称为波表合成法)。下面先介绍这几种声音的特点及其产生的原理。

　　一、波形声音

　　从本质上讲，声音是一种连续的波，称为声波。声波最基本的参数有两个：一个是声音的幅度，即声音的大小强弱程度，也称为音量；另一个是声音的频率，即声波每秒钟的振动次数，用HZ或者KHZ为单位表示。频率高的声音，听起来尖锐，频率低的声音，听起来低沉。而要把声音信号存储到计算机之中去，必须把连续变化的波形信号(称为模拟信号)转换成为数字信号，因为计算机中只能存储数字信号。把模拟信号转换为数字信号(DAC)一般由对声音信号的采样和转换两步来完成。所谓采样就是采集声音模拟信号的样本，然后再转换成数字信号。计算机对声音采样能力的大小也用两个参数来衡量：采样频率和声音样本的位数(bit)。理解这两个参数十分重要，它们是声音卡的主要指标，它们不仅影响到声音的播放质量，还与存储声音信号所需要的存储空间有直接的关系。

　　采样频率：

　　是指计算机每秒钟采集多少个声音样本。采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。这和测定每天24小时气温变化是一样的，每小时测定一次气温比每二小时测定一次气温的精度要高一倍。应该注意的是采样频率与声音本身的频率不是一回事，这是两个不同的概念，不要混为一谈。采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奎斯特理论，只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。例如，人耳能够听到的声音频率在20HZ-20KHZ之间，所以采样频率应该在40KHZ以上。当然采样频率越高，所需要的存储空间也就越大。声音信号的采集过程可以用图1来表示。

　　声音样本的位数(bit)：

　　这个参数表示了计算机度量声音波形幅度(音量)的精度，就是通常所说的声卡的位数。早期的声音卡是8位声卡，目前多为16位声卡，专业级的高档声卡有32位的。位数越多，声音的质量越高。

　　举例来说，把2米的高度分为4份来度量人的高度。对1.50米的人来说很合适，他恰好占3份，但对1.60米、1.75米高的人却无法准确描述，仍只能表达为3份。但若将2米的高度分为8份，对1.50米(6份)、1.75米(7份)的人均能准确描述，对1.60米(6份)的人却无法准确。把2米的高度分为2千份(毫米)。对所有人的高度就都能非常准确的描述了。

　　声卡的位也是如此，8位声卡把声音信号的大小(音量)分为2的8次方即256个等级(0-225)，每一等级对应一个8位的二进制数。在声音录入(采样)时按其音量大小给定一个二进制数，播放时按此二进制数实施还原。

　　16位声卡把音频信号的大小分为2的16次方即65536个等级(0-65535)实施上述转换，显然它对音频信号(音量大小)的描述比8位声卡准确的多。32位声卡则有更高级精度，因此，声卡的位数越高，性能就越强。

　　采样到计算机内的声音信号经过模数转换后生成数字信号就可以保存在计算机的存储介质中，这样的文件一般称为波形声音文件(简称声音文件)。在WINDOWS中，声音文件的扩展名一般是.WAV。.WAV文件的制作和播放过程与普通录音机录放声音磁带的过程很相似。

　　WAV文件的最大缺点是要占用相当大的存储空间，例如采样频率为44.1KHZ、16位样本的单道声音每分钟需要的存储空间为5.28MB，而如果是立体声则存储空间还要增加一倍。而MIDI文件需要的存储空间则很小。

　　二、合成声音

　　产生MIDI乐音的方法很多，最主要的是FM合成法和波表合成法。FM合成法是八十年代初由美国斯坦福大学的JohnChowning发明的，称为“数字式频率调制合成法”，简称FM合成法。FM合成法生成乐音的基本原理是，用数字信号来表示不同乐音的波形，然后把它们组合起来，再通过数模转换器(DAC)生成乐音播放。

　　FM合成器由五个基本模块组成，如图2所示。

　　1.数字载波器

　　数字载波器有3个参数：音调(pitch)、音量(volume)和各种波形(wave)。

　　2.调制器

　　调制器用了6个参数：频率(frequcncy)、调制深度(depth)、波形的类型(type)、反馈量(feedback)、颤音(effect)。

　　3.声音包络发生器

　　乐器声音除了有它自己的波形参数外，还有它自己的比较典型的声音包络线，声音包络发生器用来调制声音的电平，这个过程也称为幅度调制(amplitudemodulation)，并且作为数字式音量控制旋钮，它的4个参数写成ADSR，这条包络线也称为ADSR包络线。

　　4.数字运算器

　　5.模数转换器

　　在乐音合成器中，数字载波的波形有很多种，不同型号的FM合成器所选用的波形也不同。各种不同乐音的产生是通过组合各种波形参数、采用各种不同的算法实现的。FM合成器的算法包括确定用什么样的波形作为数字载波波形、用什么样的波形作为调制波形、用什么样的波形参数去组合来产生所希望的乐音。例如改变数字载波频率可以改变乐音的音调，改变它的幅度可以改变它的音量。

　　选择的算法不同，载波器和调制器的相互作用也不同，生成的音色也不同。

　　FM合成器的13个声音参数和算法共14个控制参数以字节的形式存储在声音卡的ROM中。播放某种乐音时，计算机就发送一个信号，这个信号被转换成ROM的地址，从该地址中取出的数据就是用于产生乐音的数据。FM合成器利用这些数据产生的乐音是否真实，它的真实程度有多高，取决于可用的波形源的数目、算法和波形的类型。

　　三、波表合成声音

　　使用FM合成法来产生各种逼真的乐音是相当困难的，有些乐音几乎不能产生。目前只有低档次的声卡采用。中高档的声音卡一般采用乐音样本合成法，即波表合成法。这种方法就是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，播放时根据命令生成各种音阶的音符。乐音样本的采集相对比较直观。音乐家在真实乐器上演奏不同的音符，选择44.1KHZ的采样频率、16比特的乐音样本，这相当于CD-DA的质量，把不同音符的真实声音记录下来，这就完成了乐音样本的采集。

　　乐音样本通常放在ROM芯片上，在播放时按照MIDI命令，由MIDI合成器作出解释，然后读出ROM中相关地址的内容，合成加工后送往有源扬声器。基于ROM的乐音样本合成器的原理框图如图3所示。

　　乐音样本合成器所需要的输入控制参数比较少，可控的数字音效也不多，大多数采用这种合成方法的声音设备都可以控制声音包络的ADSR参数。产生的声音质量比FM合成方法产生的声音质量要高。

　　四、MIDI文件

　　MIDI音乐(即合成音乐)文件就是用来播放MIDI音乐的数据文件，它的扩展名通常是.MID。与WAV文件不同，MIDI文件中储存的不是声音信号，而是发给MIDI设备或其它装置(如声卡的合成器)的一组命令。MIDI设备接收到这些命令后，会自动识别出这些命令的含义，准确地发出各种乐器的声音。

　　简单的说，MIDI如同曲谱，可以借助它来演奏各种乐器。MIDI文件是演奏动作的实际记录，但它记录的信息比曲谱要丰富得多，比如用什么乐器演奏，每个音符的力度等等。当前市售的声卡均支持MIDI。但不同声卡播放MIDI的效果不同。低档声卡合成音源的方法(FM合成)不太精确，播放的MIDI音乐很单调，无法与真实的乐器声相比。高档的波表合成声卡(如创新公司的AWE32)能提供较真实的音源，播放MIDI效果几乎可以乱真，MIDI文件与WAV文件相比具有以下优点：

　　1.生成的文件比较小。由于WAV文件记录的是声音，MIDI文件记录的是发出声音的命令，所以将能播放相同时间的WAV和MIDI文件相比，MIDI文件小很多很多。

　　2.容易编辑，因为编辑命令比编辑声音波形要简单得多。

　　3.可以作为背景音乐，MIDI音乐可以和其它媒体，如数字电视、图形、动画、话音等一起播放。

　　　　什么是声音卡

　　声音卡(以下简称声卡)是当前多媒体计算机系统不可缺少的组成部分。将来的声卡也许会集成到主板上，或者由其它多媒体器件取代，但当前声卡所具备的功能是会继续保持并进一步增强的。

　　五、声卡的基本功能

　　声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波／数字信号相互转换的硬件电路。声卡的基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。

　　声卡在多媒体系统中的主要作用可具体归纳如下：

　　1.录制(采集)数字声音文件。通过声卡及相应驱动程序的控制，采集来自话筒(麦克风)、收录机等音源的信号，压缩后存放于微机系统的内存或硬盘中。

　　2.将硬盘或激光盘片压缩的数字化声音文件还原，重建高质量的声音信号，放大后，通过扬声器输出。

　　3.对数字化的声音文件进行编辑加工，以达到某一特殊的效果。

　　4.控制音源的音量，对各种音源进行混合，即声卡具有混响器的功能。

　　5.压缩和解压缩采集数据时，对数字化声音信号进行压缩，以便存储。播放时，对压缩的数字化声音文件进行解压。

　　6.利用语音合成技术，通过声卡朗读文本信息，如读英语单词读句子、说英语、奏音乐。

　　7.具有初步的语音识别功能，让用户用口令指挥计算机工作。

　　8.提供MIDI(乐器数字接口)功能，使计算机可以控制多台具有MIDI接口的电子乐器。同时，在驱动程序的控制下，声卡将以MIDI格式存放的文件输出到相应的电子乐器中，发出相应的声音。

　　六、声卡的基本结构和工作原理

　　　声卡由各种电子器件和连接器组成。电子器件包括集成电路芯片、晶体管和阻容元件，用来完成各种特定的功能。连接器一般有插座和园形插孔两种，用来连接输入输出信号。

　　主要使用的芯片有以下几类：

　　·声音控制芯片　　　

　　它的功能是把从话筒或其它输入设备中获取声音模拟信号，通过模数转换器(ADC)，将声波振幅信号转换成一串数字信号，尔后采样存储到电脑中。当重放声音时，这些数字信号送到一个数模转换器(DAC)，以同样的采样速率还原为模拟波形，放大后送到扬声器发声，这一技术也称为脉冲编码调制技术(PCM)。PCM技术的两个要素就是我们在前面介绍过的采样频率和样本量(位数)。

　　·数字信号处理器(DSP)

　　DSP芯片通过编程实现各种功能。它可以处理有关声音的命令、执行压缩和解压缩程序、增加特殊声效和传真MODEM等。大大减轻了CPU的负担，加速了多媒体软件的执行。但是，低档声卡一般没有安装DSP，高档声卡才配有DSP芯片。

　　·ＦM合成芯片

　　低档声卡一般采用FM合成声音，以便降低成本。FM合成芯片的作用就是用来产生合成声音。

　　·波形合成表(ROM)

　　在波表ROM中存放有实际乐音的声音样本，供播放MIDI使用。一般的中高档声卡都采用波表方式，可以获得十分逼真的使用效果。

　　·波表合成器芯片

　　该芯片的功能是按照MIDI命令，读取波表ROM中的样本声音合成并转换成实际的乐音。低档声卡没有这个芯片。

　　在声卡上配置的连接器有以下几种，如图4所示。

　　·声音信号输入(LineIn)

　　通过该插孔可把其它声音设备，如收录机等设备的音频输出信号连接到声卡，以便通过声卡播放或者记录下来存入计算机中。

　　·麦克风输入(MicIn)

　　该插孔与话筒连接，以便接收话筒来的音频输入信号。

　　·声音信号输出(LineOut)

　　用于与外部的功率放大器连接，输出音频信号。有源音箱应该与此插孔连接。

　　·喇叭输出(SpkOut)

　　用于与无源音箱或者喇叭连接，一般有2-4W的输出功率。

　　·ＭIDI／操纵杆连接器

　　用于与操纵杆或MIDI设备连接。

　　·ＰC喇叭连接器

　　通过这个连接器，可以把送往PC机内部喇叭的信号送到外接音箱。

　　·ＣD输入连接器

　　与CD-ROM的音频信号线相连接，这样就可以播放CD唱盘的音乐了。

　　·ＣD-ROM驱动器接口

　　可用于与CD-ROM驱动器连接。有的声卡没有这个连接器，采用IDE接口的CD-ROM可以直接插入主板上的IDE接口，不必使用这个连接器。

　　当前的声卡品种繁多，档次不同。采用的芯片器件、结构方式有所差别。用户可以通过说明书得到更多的帮助和了解。

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