Звуковая карта реализует 8-битное кодирование аналогового аудиосигнала сколько угодно

Обновлено: 21.11.2024

Адрес для корреспонденции: д-р Кевин Крисп, адъюнкт-профессор биологии, Колледж Св. Олафа, 1520 St. Olaf Avenue, Northfield, MN 55024. Электронная почта: ude.falots@psirc; 507-786-3981.

Аннотация

За несколько долларов и за несколько минут можно построить простую схему, позволяющую использовать дешевую внешнюю звуковую карту и портативный компьютер в качестве портативной системы сбора данных для записи ЭМГ. В схеме используется общая интегральная схема аудиоусилителя для увеличения усиления сигналов ЭМГ, записанных с поверхностных электродов ЭМГ, и для согласования импеданса интерфейса электрод-кожа с входным импедансом звуковой карты. Данные можно записывать с помощью программного обеспечения для редактирования звука с открытым исходным кодом и анализировать в автономном режиме с помощью простого кода Python. Есть надежда, что такие мероприятия дадут студентам возможность обрести уверенность в качестве экспериментаторов и новаторов.

Электромиография (ЭМГ) представляет собой запись электрической активности скелетных мышц и является одной из самых простых форм электрофизиологии для выполнения и анализа. Поскольку сила сокращения коррелирует с активацией мышц, сигналы ЭМГ можно использовать для определения того, насколько сильно активируется интересующая мышца во время различных типов движений или при различных резистивных нагрузках. ЭМГ также можно использовать для измерения мышечной усталости, поскольку доминирующие частоты активности в конкретном сигнале ЭМГ имеют тенденцию смещаться ниже по мере утомления мышц. Наконец, ЭМГ может быть полезна для измерения времени реакции, особенно когда реакция субъекта преимущественно изометрическая.

Запись ЭМГ технически проста, как правило, включает в себя только наложение клейких электродов на кожу субъекта и подключение их к биоусилителю. Из-за своей относительной простоты он обеспечивает подходящий материал для обучения студентов особенностям электрофизиологии: частоте дискретизации, фильтрации, линейному шуму, согласованию импедансов, аналого-цифровому преобразованию, битовому разрешению, анализу сигналов и т. д. простая схема и, возможно, несколько строк кода, есть надежда, что такие упражнения помогут студентам более глубоко понять теорию и практику электрофизиологии, развивая при этом уверенность и навыки экспериментаторов и новаторов.

ЗАЧЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ЗВУКОВУЮ КАРТУ В КАЧЕСТВЕ БИОУСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ ЭМГ?

Биоусилители широко варьируются как по сложности, так и по стоимости: от системы MyoWare на базе Arduino стоимостью менее 50 долларов США до сложнейших систем клинического исследовательского уровня, включающих такие функции, как онлайн-спектральный анализ и телеметрия. Но благодаря размеру сигналов и простоте схем, необходимых для их усиления, лаборатория EMG созрела для новаторов в гараже. Обратите внимание, что в этом же журнале ранее описывалось гораздо более качественное, но и более сложное самодельное ЭМГ-оборудование (Matsuzaka et al., 2012).

Самодельное физиологическое оборудование когда-то было обычным явлением, а сегодня встречается относительно редко. Преимущества создания учащимися собственного оборудования включают в себя повышение уверенности в разработке электроники и устранении неполадок, более глубокое понимание того, как работают схемы и каковы их ограничения, а также вдохновение для дальнейшего проектирования и разработки устройств, связанных и не только.

Ранее я опубликовал статью с двумя студентами, которые разработали макет усилителя, который можно использовать со звуковой картой компьютера в качестве системы записи ЭМГ с минимальным количеством деталей (Crisp et al., 2016). Студенты показали, что простую схему можно использовать не только для записи электрофизиологических сигналов, но и в сочетании с веб-камерой для обеспечения подачи ЭМГ, синхронизированной с видео движения. Они также показали, что его можно подключить к смартфону, чтобы обеспечить беспроводную запись ЭМГ с использованием распространенных технологий передачи голоса по IP. Что меня впечатлило в этих студентах, так это то, что мой простой призыв «получить сигнал ЭМГ на компьютере с как можно меньшим количеством частей» превратился в шквал интенсивной творческой деятельности; через шесть месяцев после публикации один из этих студентов основал компанию по производству недорогих портативных диагностических устройств для медицинского оборудования.

Хотя задача использовать как можно меньше деталей была интересной, она не обязательно приводила к созданию наиболее стабильной и надежной схемы. Используя этот метод в нескольких классах, я иногда наблюдал процент отказов до 50%, несмотря на простоту схемы. Здесь я представляю схему, которая достигает той же цели, только с несколькими дополнительными частями и гораздо большей стабильностью и надежностью, а также с теорией работы и указаниями по поиску и устранению неисправностей. Примечательно, что 80% студентов, которые работали с новой схемой, смогли успешно записать сигналы ЭМГ.Я полагаю, что включение подобных проектов в учебные лаборатории нейробиологии служит как стимулированию инноваций среди ученых-студентов, так и улучшению понимания студентами принципов электрофизиологии. Кроме того, представляя эту схему в качестве семинара на предварительном собрании FUN (факультет студенческой неврологии) летом 2017 года, я понял, что то, что я считал довольно простым, было менее интуитивным для потенциальных инструкторов лаборатории, чем я. надеялся. Таким образом, эта статья разделена на разделы, в которых основные темы электрофизиологической записи рассматриваются отдельно, чтобы помочь инструктору в обучении теории электрофизиологии с помощью этого упражнения.

ХАРАКТЕР СИГНАЛА ЭМГ

Записанный на поверхности сигнал ЭМГ представляет собой разность потенциалов, отражающую кумулятивную электрическую активность многочисленных мышечных волокон (клеток) под поверхностью кожи. Эти мышечные волокна организованы в двигательные единицы, каждая из которых состоит из различного количества мышечных волокон, находящихся под контролем одного мотонейрона. Мышца, находящаяся под точным контролем, может состоять из большого количества мелких двигательных единиц, каждая из которых содержит всего несколько мышечных волокон, тогда как мышца, находящаяся под грубым контролем, может состоять из более крупных двигательных единиц (Heckman and Enoka, 2012). Когда потенциал действия проходит по аксону альфа-мотонейрона и проникает в его пресинаптические окончания, ацетилхолин высвобождается на постсинаптических моторных концевых пластинках, вызывая деполяризацию мембраны мышечного волокна (сарколеммы) до порога потенциала действия. В этот момент генерируется потенциал действия, который распространяется к обоим концам мышечного волокна, а также через поперечные канальцы, пронизывающие мышечное волокно.

На мембранный потенциал мышечной клетки в значительной степени влияет проницаемость мышечной клетки для хлоридов в состоянии покоя. Мембранные потенциалы покоя для сарколеммы могут составлять от -70 до -90 мВ для скелетных мышц, тогда как равновесные потенциалы калия и хлорида составляют -90 и -95 мВ соответственно (Hopkins, 2006). Хлорид способствует поддержанию мембранного потенциала на сарколемме, поскольку повторная активация мышцы может ослабить градиент калия через мембрану. Фактически интерстициальный калий может удвоиться или даже утроиться во время длительной мышечной активности у человека (Juel et al., 2000). Во время потенциала действия пик мембранного потенциала составляет +30 мВ, так что потенциал действия имеет амплитуду до 140 мВ. В то время как моторные единицы сильно различаются по размеру, в человеческом теле насчитывается четверть миллиарда скелетных мышц и менее полумиллиона альфа-мотонейронов, поэтому средний размер альфа-моторной единицы может содержать 500–1000 мышечных волокон (Heckman and Enoka, 2012). ).

Когда в клетках моторной единицы все потенциалы пожарного действия одновременно, это приводит к относительно большому потенциалу поля. Параллельное расположение этих возбудимых мембран большого калибра означает, что они находятся в расположении открытого поля, и когда двигательная единица запускает потенциал действия через каждое из своих мышечных волокон, трехфазный потенциал действия единичной двигательной единицы (ПОДД) относительно большой. напряжение (по сравнению с потенциалами внеклеточного поля от аксонов) может быть зарегистрировано с поверхности. Одновременная активация различных двигательных единиц приводит к тому, что их ПСД накладываются на поверхностную запись, что приводит к появлению шумов на записи ЭМГ для любых произвольных сокращений, кроме самой минимальной силы. По этой причине сигналы ЭМГ могут быть грубо смоделированы с использованием гуассового шума, масштабированного скаляром, который указывает интенсивность активации (рис. 1; Loeb and Gans, 1986; Hayashi et al., 2017).

Простое моделирование вспышки ЭМГ в Visual Python с использованием масштабированного гауссова шума.

ЦИФРОВИЗАЦИЯ

Студенты обычно не понимают принципов аналого-цифрового преобразования. Хорошим источником по вопросам, связанным с цифровизацией, является Hamming (1997). Поверхностная ЭМГ требует частоты дискретизации 1 кГц или выше; качество сигнала ухудшается при более низких частотах дискретизации (Ives and Wigglesworth, 2003). Вообще говоря, сложный сигнал ЭМГ дискретизируется с частотой не менее 1 кГц. Поскольку каждый MUAP имеет продолжительность 10–15 мс, каждый сигнал будет представлен в цифровом виде как последовательность не менее 10 равноотстоящих измерений напряжения. Выборка на более низкой частоте может привести к проблемам с точностью сигнала, особенно к наложению спектров. Это происходит, когда скорость изменения формы сигнала выше, чем частота дискретизации, так что линейная аппроксимация между двумя последовательными замерами напряжения очень плохо соответствует истинному напряжению в течение этого интервала.Например, синусоида с частотой 10 Гц будет выглядеть как плоская линия при частоте дискретизации 1 Гц и будет неотличима от синусоиды с частотой 100 Гц при частоте дискретизации 10 Гц и т. д. Недорогие компьютерные звуковые карты, которые будут использоваться в этом упражнении для оцифровки сигналов ЭМГ, обычно имеют минимальную частоту дискретизации 8 кГц, что уже является излишним для ЭМГ, и они могут выполнять выборку с частотой до 44 (качество компакт-диска) или даже 96 кГц. кГц (качество DVD).

Какое значение имеет 16-битная выборка для записей ЭМГ в текущем приложении? Он определяет чувствительность к напряжению оцифровки. Дешевые звуковые карты обычно имеют диапазон входного напряжения +/- 10 вольт (+/- 400 мВ для линейных входов на компьютерах). Представленные в виде 16 бит означают минимальную чувствительность 20 В/65536 или 0,3 мВ. Если бы ЭМГ имела амплитуду всего 1 мВ, минимальная чувствительность звуковой карты составила бы 33% от общей амплитуды сигнала ЭМГ. Очевидно, что это неприемлемо, и нам нужно будет усилить необработанный сигнал ЭМГ перед оцифровкой, чтобы сигнал занимал гораздо большую часть диапазона напряжения звуковой карты.

СОГЛАСОВАНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Плохая новость о чувствительности сигнала минимального напряжения становится еще хуже, если учесть сопротивление кожи. Импеданс — это способ описания сопротивления с пониманием того, что сопротивление будет меняться в зависимости от частоты сигнала. По своей конструкции звуковая карта имеет входное сопротивление, обычно равное 10 кОм. Многое известно об импедансе кожи на частотах, ярко выраженных на ЭМГ, благодаря исследованиям электрических стенных токов силой 60 В переменного тока на теле человека во время поражения электрическим током (Fish and Geddes, 2009). Сухая кожа может иметь сопротивление до 100 кОм, но контактное сопротивление зависит от площади контакта и других факторов.

При записи ЭМГ мы имеем дело с двумя последовательными сопротивлениями (кожа и звуковая карта). Два последовательно соединенных резистора образуют делитель напряжения; когда на эти резисторы подается напряжение, падение напряжения на каждом резисторе пропорционально величине этого конкретного резистора. Предположим, что сопротивление кожи во время конкретной записи составляет 10 кОм. Сигнал ЭМГ в 1 мВ на звуковой карте будет выглядеть как 0,5 мВ, потому что половина этого падения напряжения приходится на контактное сопротивление кожи.

Буферный усилитель – это устройство, которое согласовывает импеданс одного устройства с другим. Во внутриклеточной электрофизиологии головка электрода представляет собой буферный усилитель, который согласовывает высокое сопротивление внутриклеточного записывающего электрода с сопротивлением электрометра. Буферные усилители обычно имеют единичный коэффициент усиления или даже коэффициент усиления 0,1x, и они не подходят для приложения EMG, поскольку нам необходимо как согласование импеданса, так и усиление сигнала.

В работе Crisp et al. (2016) мы показали, что простая схема с минимальным количеством деталей, собранных на макетной плате, может использовать маломощный операционный усилитель для обеспечения согласования импеданса и усиления, а также для возможной записи ЭМГ на звуковую карту. Однако эта схема с минимальным количеством деталей была несколько привередливой и требовала корректировки и точной настройки после сборки. Была разработана более стабильная конструкция, в которой количество деталей увеличилось менее чем в два раза. LM386 — это маломощный аудиоусилитель, который повсеместно используется в аудиоустройствах с батарейным питанием (рис. 2) и специально разработан для управления устройствами с низким импедансом, такими как наушники с сопротивлением 8 Ом. У него более высокое входное сопротивление (50 кОм), чем у звуковой карты, но оно далеко от бесконечного сопротивления, которое нам хотелось бы. Однако его легко настроить на 200-кратное усиление, что усилит наш скромный сигнал ЭМГ в 1 мВ до 200 мВ. Едва ли это занимает весь диапазон напряжений звуковой карты, но максимальное разрешение по напряжению теперь примерно на 3 порядка превышает минимальную чувствительность 16-битной звуковой карты (~0,3 мВ). Более того, выходное сопротивление рассчитано на нагрузки с сопротивлением всего 4 Ом, поэтому оно достаточно низкое, чтобы соответствовать входному сопротивлению нашей звуковой карты 10 кОм.

Варианты: моно (один канал) или стерео (два канала, правый/левый): чередование находится в одном файле; или сплит-стерео находится в двух отдельных файлах.

Частота дискретизации указана в герцах (Гц) или "циклах в секунду":
Используйте 44 100 Гц (44,1 кГц) = частота дискретизации CD-качества для профессионального аудио. Каждый семпл содержит 16 бит информации.

Размеры файлов
Это огромный объем информации: 2 дорожки * 44 100 сэмплов в секунду * 16 бит/сэмпл = 1 411 200 бит/с.
Стереозвук CD-качества, 16 бит, 44,1 кГц = 176 кбайт/сек слишком высок для CD-ROM (2x привод ~ 200 кбайт/сек устойчиво) или модемов (28,8
модем ~2,88 кбайт/сек). сек). См. Сжатие ниже.

Хорошее эмпирическое правило: каждая минута 16-битного стереозвука с частотой 44,1 кГц требует около 10 МБ дискового пространства.
Таким образом, на пустой 200-мегабайтный жесткий диск можно записать чуть менее 20 минут стереозвука CD-качества (точно 19 минут 20 секунд).

Качество звука CD (стерео, 16 бит, 44,1 кГц = 176 кбайт/сек) слишком высокое для CD-ROM (2x привод ~ 200 кбайт/сек устойчиво) или модемов (модем 28,8
~ 2,88 кбайт /сек).
Аудиофайлы, сжатые в другие форматы, такие как rm или MP3, могут быть меньше, занимать меньше места на диске и передаваться быстрее.

../../index.html	sonic1ac.wav	155 КБ	13 сек
	sonic.rm (то же, что и выше)	65 КБ	13 секунд
большая разрядность	sonic1ac.mp3 (то же, что и выше)	225 КБ	13 секунд
../audio/heartsounds.html	00b10001.wav	62 КБ	3 сек

Возможные компромиссы между качеством звука и размером файла:
В зависимости от вашего предполагаемого использования звука вы можете пожертвовать некоторым качеством, чтобы уменьшить объем информации, необходимой для оцифрованного звука. Вот некоторые вещи, которые следует учитывать:

Стерео часто можно свернуть в монофонический (однодорожечный) аудиофайл. Если две дорожки суммируются, вся звуковая информация будет сохранена, но информация о направлении будет потеряна. Поскольку компьютерные динамики часто не разнесены на подходящее расстояние, даже стереосигналы скомпрометированы. Переход в моно уменьшит размер файла вдвое.
Частота дискретизации: компьютеры часто предлагают частоты дискретизации 44K, 22K, 11K и 6K (или числа, очень близкие к этим). Частота дискретизации является важным фактором качества звука цифрового файла. Для полнодиапазонных звуков необходимы скорости 22K или 44K, в то время как речь часто приемлема при 11K. Когда вы снижаете частоту дискретизации, звук теряет свои высокие частоты, поэтому для воспроизведения криков певчих птиц вам может понадобиться 44K, но для озвучивания вполне подойдет 11K. Чтобы быть точным, частота дискретизации должна быть в два раза выше самой высокой частоты, которая должна быть оцифрована.

Для преобразования файла можно использовать кодировщик MP3. Но его битовая глубина составляет 128, поэтому размер файла может увеличиться.

Расчет требований к свободному пространству на жестком диске:
Для работы с компьютерным цифровым звуком требуется большое количество места на жестком диске. Если вы планируете создавать новые аудиофайлы на диске, вам потребуется достаточно места на жестком диске для их хранения.

Пример: я записал 13 секунд звука в коридоре ITC, 16-битное стерео, 44 100 Гц. Это файл размером 2,5 М, и его определенно нужно сжать.

Требования к аудиофайлам в байтах в секунду:

Качество звука CD (стерео, 16 бит, 44,1 кГц = 176 кбайт/сек) слишком высокое для CD-ROM (2x привод ~ 200 кбайт/сек устойчиво) или модемов (модем 28,8
~ 2,88 кбайт /сек).

Сжатие кодеком (компрессор/декомпрессор), возможно, для уменьшения размера файла:
Сжатие IMA работает достаточно хорошо для компакт-дисков, но является кросс-платформенным только с QuickTime.
MPEG 1 -- качество компакт-диска
MPEG 3 = MP3 и RealAudio являются наиболее популярными из многочисленных решений для веб-аудио.
Для музыки MIDI является лучшим решением как для компакт-дисков, так и для доставки через Интернет.
Кредиты для вышеуказанного материала:

Цели: узнать, что такое звуковая карта, как она работает, какие аудиотехнологии она использует и какие разъемы она может иметь.

Предварительные требования: нет предварительных условий.

Ключевые термины: аудио, цифровой, аналоговый, сэмпл, волна, канал, стандарт, долби, бит, Гц, разъем, интерфейс

Звуковые волны

Задачей звуковой карты в системе ПК является преобразование цифровых данных с ПК в аналоговый звук, который можно воспроизвести на динамиках. Компонент, который делает это, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Чтобы ввести звук на наш компьютер, мы должны преобразовать аналоговый звук в цифровой. Компонент, который делает это, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Еще одним компонентом звуковой карты, участвующим во всем процессе, является процессор цифровых сигналов (DSP). DSP — это встроенный процессор, который снижает нагрузку на ЦП. Чтобы понять все это, нам сначала нужно узнать, как работают звуковые волны.Звуковые волны распространяются в воздухе с помощью волн сжатия. В начале звуковая волна создается за счет сжатия и разжатия воздуха. Естественная звуковая волна является аналоговой волной. Когда мы имеем дело с аналоговой волной, нам нужно знать о двух вещах, которые ее описывают. Во-первых, это частота. Частота – это расстояние между вершинами (пиками) или впадинами волны.

Изображение 324.1 — Частота

Второе — это амплитуда или громкость. Амплитуда – это общая высота волны.

Изображение 324.2 — Амплитуда

Дело в том, что ПК работают с цифровыми сигналами. Чтобы произвести или зафиксировать звуковую волну с помощью ПК, мы должны взять аналоговую волну и представить ее в цифровом виде. Для этого нам нужно примерить его. Это означает, что мы смотрим на волну в какой-то точке и отмечаем амплитуду и частоту волны в этой конкретной точке. Мы делаем это через всю волну по многим точкам. Делая это, мы создаем цифровую аппроксимацию аналоговой волны.

Бит на выборку

При сэмплировании звуковых волн нужно помнить о двух разных параметрах. Первый — это количество битов памяти, используемых для представления данной выборки (бит на выборку). Чем больше битов мы используем для представления данной выборки, тем ближе цифровая выборка приближается к аналоговой волне. Например, мы можем создать восьмибитный образец волны в любой заданной точке. Если мы используем 8 бит, мы можем получить 256 различных десятичных чисел (2 в степени 9) для представления конкретной выборки. Диапазон начинается с 0, поэтому у нас есть числа от 0 до 255. Это числа, которые можно использовать в десятичной форме для представления выборки. Если мы используем 16 бит для представления выборки, у нас есть до 65536 возможных значений для представления волны в любой заданной точке (2 в степени 16). Обратите внимание, что значения начинаются с нуля, поэтому диапазон составляет от 0 до 65535. Если мы пойдем дальше, 20-битные звуковые карты используют размер выборки 1048576, 24-битные звуковые карты используют размер выборки 16777216, 32-битные звуковые карты используют размер выборки. размер 4294967296 и т. д.

Частота выборки

Второй параметр, который необходимо учитывать при преобразовании аналоговых сигналов в цифровые, — это частота дискретизации. Частота дискретизации — это количество выборок в секунду (количество выборок аналогового сигнала за определенный период времени). Чем больше выборок мы делаем в секунду, тем ближе цифровая волна к аналоговой. Частота дискретизации выражается в циклах в секунду, называемых герцами. Например, частота дискретизации может быть 1000 герц (Гц), что составляет 1 килогерц (кГц). Например, если мы используем частоту дискретизации 8 кГц, качество звука будет очень плохим, это будет звучать как телефонная связь. На самом деле 8 кГц достаточно для телефонного разговора, потому что диапазон человеческого голоса составляет около 4 кГц, но для звука ПК этого недостаточно. 22 кГц - это качество радио. 44 кГц — это частота дискретизации, которая может воспроизводить звуковые частоты до 20 500 герц, что охватывает весь диапазон человеческого слуха. 44 кГц считается качеством CD. 48 кГц используется в цифровых телевизорах и фильмах на DVD. 96 кГц используется в аудио DVD. 192 кГц используется LPCM (линейная импульсно-кодовая модуляция), который представляет собой формат производства музыки на DVD. Он также используется в BD-ROM (Blu-ray Disc-ROM) и HD-DVD (High-Density-DVD), которые представляют собой два формата оптических дисков, обеспечивающие HD-видео и хранение данных высокой плотности. Более высокие частоты дискретизации также требуют большего количества битов данных на выборку (больше памяти). Например, чтобы иметь качество звука CD, мы также должны использовать 16 бит на семпл.

Размер аудиофайла

Мы можем сэмплировать волну чаще, но недостатком этого является то, что цифровые файлы, которые мы создаем с более высокой частотой дискретизации и большим количеством битов на сэмпл, становятся очень большими. Это потому, что мы используем больше сэмплов и больше памяти для хранения этих сэмплов. Из-за этого были изобретены различные схемы сжатия, чтобы уменьшить размер цифровых аудиофайлов, сохраняя точность исходного звука с более высокой частотой дискретизации. Например, у нас есть файлы MPEG, файлы Microsoft Windows Media, Advanced Audio Coding и т. д. Эти схемы используют различные типы сжатия для уменьшения размера цифровых файлов. Говоря об аудиоформатах, мы должны упомянуть основные группы форматов аудиофайлов. У нас есть несжатые аудиоформаты, такие как WAV (стандарт Windows), AIFF (формат аудиообмена, аналог WAV для Macintosh), AU или необработанный PCM без заголовка (стандарт UNIX, поддерживается большинством веб-браузеров). Далее идут форматы со сжатием без потерь, такие как FLAC, Monkey's Audio (APE), WavPack (WV), TTA, ATRAC Advanced Lossless, Apple Lossless (m4a), MPEG-4 SLS, MPEG-4 ALS, MPEG-4 DST. , Windows Media Audio Lossless (WMA Lossless) и Shorten (SHN).В конце концов, у нас есть форматы со сжатием с потерями, такие как MP3 (MPEG-1 Layer 3), Vorbis, Musepack, AAC (Advanced Audio Coding, также известный как MPEG-2), ATRAC, Windows Media Audio Lossy (WMA с потерями) , RA или RM (Real Networks, разработанные для потоковой передачи аудиофайлов).

Соображения о звуковой карте

Интерфейсы

Базовая звуковая карта будет иметь аналоговый разъем для динамика и аналоговый разъем для микрофона. Это позволяет нам отправлять звук на динамики, а также вводить звук через микрофон. Имейте в виду, что выходной сигнал громкоговорителя усиливается, а уровень отправляемого звука контролируется компьютером. Некоторые карты также будут иметь разъем линейного выхода, который используется для передачи звука на другие звуковые устройства. Имейте в виду, что сигнал линейного выхода не усиливается. Большинство звуковых карт также имеют разъем линейного входа, который позволяет нам извлекать звук из других звуковых устройств (CD-плееры, музыкальные инструменты и т. д.) и передавать его на наш ПК, чтобы записывать его, манипулировать им или просто воспроизводить его на нашем ПК. Все упомянутые до сих пор интерфейсы являются аналоговыми, и их будет использовать большое количество устройств. Однако новые устройства могут обрабатывать цифровые аудиосигналы. Потребительским стандартом для передачи цифрового звука является S/PDIF, что означает цифровой интерфейс Sony/Phillips. Он используется для передачи цифровых файлов из одной системы в другую без необходимости цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования. Вместо этого звук передается в цифровом виде. Некоторые звуковые карты также имеют порт Midi/джойстик, который мы используем для подключения игрового контроллера к нашему ПК или для взаимодействия со звуковыми устройствами Midi. Некоторые звуковые карты также имеют порты HDMI.

Количество каналов

Разные звуковые карты будут использовать разное количество каналов. Каналы могут сделать звук более реалистичным. Базовые звуковые карты будут иметь 2 канала, то есть стереозвук. Стандартное радио и телевизор имеют стереозвук. Действительно старые звуковые карты фактически имели один канал (монофонический звук), но сегодня все звуковые карты будут иметь как минимум два канала. Мы также можем приобрести 4-канальную стереофоническую звуковую карту, которая дает нам передний левый, передний правый, задний левый и задний правый каналы. 4-канальный звук - это квадрофонический звук, и это ранняя попытка объемного звука. Звуковые карты более высокого качества также поддерживают Dolby Digital Sound. Dolby Digital — это метод цифрового кодирования звука, который уменьшает объем данных, необходимых для получения высококачественного звука. Это также снижает шум, проходящий через систему. Dolby Audio обеспечивает 5 полнополосных каналов (также называемых аудиоканалами): передний левый, передний правый, центральный, объемный левый и объемный правый. Dolby Digital также включает в себя один канал с низкой пропускной способностью, называемый низкочастотным эффектом или каналом LFE (также называемый каналом сабвуфера или каналом эффектов). Вместе этот стандарт Dolby Digital называется Dolby 5.1, потому что у нас есть пять каналов с полной пропускной способностью и один канал LFE. Все каналы воспроизводятся на 6 стратегически расположенных динамиках. Существуют и другие реализации Dolby Digital, такие как Dolby Digital 6.1 и Dolby Digital 7.1. Версия 6.1 и 7.1 Dolby Digital добавляет больше каналов. Например, 6.1 имеет 6 аудиоканалов и 1 канал эффектов. 7.1 имеет 7 аудиоканалов и 1 канал эффектов.

Другие функции

Некоторые звуковые карты поддерживают стандарт Digital Theater System или DTS. Этот стандарт предназначен для воспроизведения аудио с качеством, близким к театральному, с вашей компьютерной системы. Он имеет 6 каналов и основан на Dolby 5.1. Чтобы воспроизводить звук DTS, у нас также должны быть динамики, совместимые с DTS. Некоторые звуковые карты поддерживают стандарт EAX. Стандарт EAX предназначен для создания интерактивного 3D-аудио в компьютерных играх. Существует также стандарт THX, который представляет собой стандарт качества звука, изначально созданный для фильмов, но теперь он доступен и для звуковых карт. Некоторые карты поддерживают MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Это протокол для записи и воспроизведения звука, созданного на цифровых синтезаторах.

Коннекторы

Почти все звуковые карты будут иметь порты, которые принимают разъемы 3,5 мм для аналогового ввода и вывода. Мы называем эти порты портами Mini TRS. Количество портов Mini TRS будет зависеть от количества каналов громкоговорителей, микрофона или линии в поддержке и т. д. Mini TRS использует стандартную цветовую кодировку, которая может помочь нам определить правильный порт. Например, микрофонный вход — розовый, линейный вход — синий, а линейный выход — зеленый (передние динамики). У нас также могут быть другие цвета. Например, черный порт обычно предназначен для тыловых динамиков, а оранжевый — для центрального и тылового динамиков.

Изображение 324.3 — Порты Mini TRS

Изображение 324.4 — штекер Mini TRS (3,5 мм)

Несмотря на то, что эти цвета являются стандартными, для получения подробной информации следует обратиться к документации по звуковой карте. Также имеется разъем Toslink, который используется с цифровым оптическим входом/выходом для звука S/PDIF.

Изображение 324.5 — Штекер TOSLINK

У нас также есть разъем RCA, который обычно используется для коаксиального цифрового входа или выхода для аудио S/PDIF. Его можно использовать для аналогового звука, но разъем RCA на звуковой карте обычно используется для цифрового звука S/PDIF.

Изображение 324.5 — штекер RCA

Разъем DB-15 на звуковой карте используется для подключения к MIDI-устройствам или игровым джойстикам. Иногда его называют игровым портом.

Изображение 324.6 — MIDI/игровой порт

Звуковая карта с портом HDMI может передавать звук высокой четкости на устройство HDMI.

Изображение 324.7 — Порт HDMI

Запомнить

Звуковая карта преобразует аналоговый сигнал в цифровой (например, от микрофона) или цифровой сигнал в аналоговый (отправляемый с ПК на динамики). Когда мы сэмплируем звуковые волны, нам нужно помнить о двух разных параметрах. Первый — это количество битов памяти, используемых для представления данной выборки (бит на выборку). Второй параметр — частота дискретизации. Использование более высокой частоты дискретизации и большего количества битов на выборку означает лучшее качество звука, но это также означает увеличение размера аудиофайлов. Разные звуковые карты будут использовать разное количество каналов. Типичные разъемы, которые можно найти на звуковых картах: Mini TRS, TOSLINK, RCA, DB-15 и HDMI.

Количество уровней квантования для N-битного преобразователя равно 2N.

Связанные термины:

Скачать в формате PDF

Об этой странице

Общая картина

1.2.3.2.2 Квантование

Рисунок 1.6. Оцифровка непрерывного сигнала (вверху слева) требует разделения сигнала по времени и амплитуде (справа). Результат в левом нижнем углу представляет собой серию чисел, которые аппроксимируют исходный сигнал как серию дискретных уровней при дискретных значениях времени. Эта операция оцифровки также известна как аналого-цифровое преобразование.

Пример 1.1

12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) заявляет точность ± младший значащий бит (LSB). Если входной диапазон АЦП составляет от 0 до 10 В, какова точность АЦП в аналоговых вольтах?

Решение. Если входной диапазон равен 10 В, то аналоговое напряжение, представленное младшим разрядом, равно:

Следовательно, точность будет ±0,0024 В.

Относительно просто и распространено преобразование между аналоговым и цифровым доменами с использованием электронных схем, специально разработанных для этой цели. Многие медицинские устройства получают физиологическую информацию в виде аналогового сигнала, а затем преобразуют ее в цифровой формат с помощью «аналогово-цифрового преобразователя» («АЦП») для последующей компьютерной обработки. Например, электрическая активность, производимая сердцем, может быть обнаружена с помощью правильно расположенных электродов, а результирующий сигнал, электрокардиограмма (ЭКГ), представляет собой аналоговый закодированный сигнал. Этот сигнал может пройти некоторую «предварительную обработку» или «обработку» с использованием аналоговой электроники, но в конечном итоге будет преобразован в цифровой сигнал с помощью АЦП для более сложной компьютерной обработки и хранения. На самом деле преобразование в цифровой формат обычно выполняется, даже если данные сохраняются только для последующего использования.

Преобразование из цифрового в аналоговый домен возможно с помощью «цифро-аналогового преобразователя» («ЦАП»). Большинство ПК включают в себя как АЦП, так и ЦАП как часть звуковой карты. Эта схема специально разработана для преобразования аудиосигналов, но может использоваться и для других аналоговых сигналов. Карты преобразования данных и USB-устройства, разработанные как АЦП и ЦАП общего назначения, легко доступны и предлагают большую гибкость в частоте дискретизации и коэффициенте преобразования. Эти устройства обычно имеют многоканальные АЦП (обычно 8–16 каналов) и несколько каналов ЦАП.

В этом тексте основные понятия, связанные с сигналами, часто вводятся или обсуждаются с точки зрения аналоговых сигналов, но большинство этих понятий в равной степени применимы и к цифровой области, при условии, что цифровое представление исходного аналогового сигнала является точным. Эквивалентное уравнение цифровой области представлено рядом с аналоговым уравнением, чтобы подчеркнуть эквивалентность. Многие задачи и примеры используют компьютер, поэтому они обязательно реализуются в цифровой области, даже если они представлены как задачи в аналоговой области.

Является ли сигнал, преобразованный из непрерывной в дискретную область, тем же самым? Явно нет; просто сравните два разных сигнала на рис. 1.5.Тем не менее, при анализе сигналов мы часто оперируем дискретными сигналами, преобразованными из аналогового сигнала, ожидая (или допущения), что дискретная версия по существу такая же, как исходный непрерывный сигнал. Если они не одинаковы, есть ли между ними хоть какая-то значимая связь? Окончательный ответ, может быть. Условия, необходимые для существования значимой связи между непрерывным сигналом и его дискретной версией, описаны в главе 4. Сейчас мы будем считать, что все компьютерные сигналы, используемые в примерах и задачах, являются точными представлениями связанных с ними непрерывных сигналов. В главе 4 мы более подробно рассмотрим последствия процесса аналого-цифрового преобразования и установим правила, когда оцифрованный сигнал можно принять за достоверное представление исходного аналогового сигнала.

Читайте также: