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聲卡與數(shù)字化的聲音

作者:   來源 :中小學(xué)音樂教育網(wǎng)   發(fā)布時(shí)間:2018-01-31   點(diǎn)擊:
什么叫聲卡?聲卡就是規(guī)定您的計(jì)算機(jī)喇叭只許在啟動(dòng)的時(shí)候發(fā)聲的東西(引自尚未編纂完成的《多媒體魔鬼詞典》)。

  人們?yōu)槭裁匆l(fā)明聲卡這玩意兒呢?只要是“享受”過記算機(jī)上的PC喇叭在玩游戲時(shí)發(fā)出的單調(diào)、剌耳聲音的朋友,對(duì)此都是不難理解的。如今提起聲卡,人們的第一個(gè)反應(yīng)往往是“聲霸卡”,也就是新加坡創(chuàng)新公司(CREATIVE)的SOUND BLASTER系列聲卡,但其實(shí)第一塊實(shí)用的聲卡并不是他們的產(chǎn)品,而是同樣大名鼎鼎的位于英國(guó)利物浦的ADLIB公司于1984年推出的ADLIB卡。這塊小小的東西使電腦能夠以相當(dāng)悅耳的聲音演奏音樂,可以說是開創(chuàng)了“多媒體”音頻部分的的先河。我們至今還能在WINDOWS系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)中見到她和她的后續(xù)產(chǎn)品的身影。

  但是ADLIB卡的最大缺點(diǎn)是只有音樂而沒有音效,這對(duì)于越來越貪心的電腦玩家(尤其是電腦游戲玩家)們來說,就象是一個(gè)只會(huì)唱歌而不會(huì)說話的女友一樣不可容忍。所以,當(dāng)創(chuàng)新公司首次推出既“五音具全”又“能說會(huì)道”的8位聲卡SOUND BLASTER時(shí),其受歡迎的程度是可想而知的。此卡至今仍然是電腦游戲的精典標(biāo)準(zhǔn)之一。

  SOUND BLASTER之后的SOUND BLASTER PRO在音頻方面仍然8位的,只是增加了立體聲的功能,無論是midi音樂還是數(shù)字音效都能夠?qū)ψ笥覂蓚€(gè)聲道進(jìn)行分別調(diào)整。這塊聲卡與倍速光驅(qū)、386SX CPU和2MB內(nèi)存等配置一起構(gòu)成了第一代的多媒體標(biāo)準(zhǔn)MPC1。(聽起來很遙遠(yuǎn)嗎?想想才幾年?)

  雖然SOUND BLASTER PRO是一塊正式被定義為“標(biāo)準(zhǔn)”的聲卡,但是他在多媒體發(fā)展史中的地位還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上他的哥哥SOUND BLASTER和他的弟弟SOUND BLSTER 16。SOUNDBLASTER是第一塊兼顧音樂與音效的成熟的多媒體音頻卡;而SOUND BLASTER 16是第一塊被廣泛宣傳為能以CD音質(zhì)錄放聲音的16位的聲霸卡。其后的AWE 32和AWE 64等產(chǎn)品則都是在16位數(shù)字錄音的基礎(chǔ)上對(duì)midi功能進(jìn)行了擴(kuò)展,從另一個(gè)角度對(duì)多媒體聲音標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了突破。

  說到這里,我想我們還是先聊聊8位聲卡和16位聲卡中的“位”都是指得什么,它為什么會(huì)對(duì)聲音的品質(zhì)產(chǎn)生如此重要的影響吧!想必各位仁兄也都對(duì)奸商們口中的32位和64位聲卡半信半疑吧?聲卡這東西真的發(fā)展得這么快嗎?讓我們還是從聲音這一奇妙的東西談起。

  我們知道,聲音是聲波通過空氣對(duì)人的耳鼓產(chǎn)生平滑變化的壓力從而被人腦所識(shí)別的,而大多數(shù)的電子設(shè)備(如普通的錄音機(jī))也都是通過產(chǎn)生電壓平滑變化的電流信號(hào)來輸出聲音的,其電壓變化的規(guī)律實(shí)際上同聲波對(duì)空氣產(chǎn)生壓力變化的規(guī)律是一樣的,所以我們將電子設(shè)備的這種用電壓變化模擬聲波變化的聲音信號(hào)稱為模擬信號(hào)。由于從SOUNDBLASTER開始,聲卡即加入了音效的功能,那么我們就必須用某種方法把自然界的聲音錄到電腦里,以便在必要的時(shí)候播出。在電腦里安上臺(tái)錄音機(jī)是個(gè)好主意,但是電腦并不能直接識(shí)別這種模擬信號(hào),所以,唯一的辦法是??將這種信號(hào)數(shù)字化!

  數(shù)字音頻技術(shù)并不是由聲霸卡開始的,實(shí)際上它從本世紀(jì)50年代就開始發(fā)展了。數(shù)字信號(hào)較模擬信號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn),例如:易于編輯、做備份時(shí)信號(hào)無損失、沒有磁帶噪音等等。到目前為止,數(shù)字音頻技術(shù)的最大貢獻(xiàn)應(yīng)該在于它發(fā)展的CD唱片工業(yè),這種得唱片使得千家萬戶在無需高昂花費(fèi)的前提下就能得到相當(dāng)高品質(zhì)的聲音享受。

  數(shù)字化聲音的兩個(gè)最主要參數(shù)是采樣精度與采樣頻率。用于表示每一個(gè)模擬信號(hào)采樣點(diǎn)的二進(jìn)制位數(shù)稱為采樣精度。采樣精度越高,每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)越接近模擬信號(hào)的真實(shí)值,它所采集的聲音聽起來也就越逼真。那么采樣精度是怎樣作用于數(shù)字化聲音的品質(zhì)的呢?我們可以用“修臺(tái)階”來打一個(gè)比方。

  假設(shè)我們有一條長(zhǎng)100米,落差10米的斜坡要修成臺(tái)階,如果我們只修100級(jí)臺(tái)階的話,那就每級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)一米,落差一分米,太大了,“精度”不夠,爬起來準(zhǔn)會(huì)摔跤的;如果我們修上1000級(jí),那么就是每級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)一分米,落差一厘米,已經(jīng)比較細(xì)了,給小孩子學(xué)爬臺(tái)階剛剛合適;如果我們修上10000級(jí),那就是每級(jí)臺(tái)階長(zhǎng)一厘米,落差一毫米,這時(shí)從遠(yuǎn)處就已經(jīng)看不出這里是臺(tái)階還是斜坡了。那么,我們就可以說,“10000級(jí)臺(tái)階”在一定的程度上將“斜坡”這一模擬概念數(shù)字化了。但請(qǐng)不要忘記,就算我們修上它一千萬級(jí)臺(tái)階,在您怎么看怎么都看不出有臺(tái)階存在的時(shí)候,這段臺(tái)階也仍然是臺(tái)階而不是斜坡,只不過老兄您看不出來罷了。

  數(shù)字音頻采樣的道理跟“修臺(tái)階”是一模一樣的。采樣系統(tǒng)用一系列二進(jìn)制數(shù)字0表示系統(tǒng)所能接收到的模擬信號(hào)的最小值,而用一系列二進(jìn)制數(shù)字1表示系統(tǒng)所能接收的模擬信號(hào)的最大值(當(dāng)然也有的設(shè)備是取反的),二進(jìn)制位數(shù)越多,系統(tǒng)所能接收的模擬信號(hào)最大和最小值之間的分隔級(jí)數(shù)就越多,每一級(jí)‘臺(tái)階’的落差就越小,因此每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值就越接近模擬信號(hào)在該點(diǎn)的值。所以,如果我們用8位的采樣精度進(jìn)行采樣,只能將一個(gè)模擬信號(hào)分成256極臺(tái)階,精度不夠,與真實(shí)聲音的差距還很大,而用16位的采樣精度進(jìn)行采樣,即可將一個(gè)模擬信號(hào)的最大和最小值之間劃分為65536級(jí)臺(tái)階,如果采樣頻率也足夠高的話,人耳就已經(jīng)聽不出它與原來的模擬信號(hào)之間的區(qū)別了。

  采樣的位數(shù)越高“臺(tái)階”就越多,聲音就越接進(jìn)真實(shí),但是同時(shí)數(shù)據(jù)所占據(jù)的存儲(chǔ)空間也就越大,所以盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了20位和24位的采樣技術(shù),但是用得最多的還是16位采樣,因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下,16位的采樣技術(shù)已經(jīng)足夠了。

  數(shù)字音頻的另一個(gè)屬性是采樣頻率。采樣頻率是指采集設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對(duì)模擬信號(hào)采樣的次數(shù),而兩次采樣的時(shí)間間隔稱為采樣周期。采樣頻率越高,越高頻段的信號(hào)就能被越真實(shí)地還原,但同時(shí)所要求的存儲(chǔ)空間也會(huì)相應(yīng)增大。根據(jù)美國(guó)科學(xué)家Harry Nyquist的理論:用兩倍于一個(gè)正弦波的頻率進(jìn)行采樣就能完全真實(shí)地還原該波形。我們稱采樣頻率的一半為Nyquist頻率,Nyquist頻率是該采樣頻率所能真實(shí)反應(yīng)波形的最高頻率。因此一個(gè)數(shù)字錄音設(shè)備的采樣頻率直接關(guān)系到它的帶寬指標(biāo)。

  數(shù)字信號(hào)在傳送過程中還會(huì)遇到一個(gè)數(shù)字傳送的帶寬問題。數(shù)字帶寬取決于處理系統(tǒng)每秒鐘所能傳送的數(shù)字位數(shù),就象Hz(赫茲)一樣我們稱其為bps(波特率)。例如用一個(gè)信號(hào)用48KHz的采樣頻率進(jìn)行采樣,采樣精度為16位,則要求系統(tǒng)的傳送速率至少要每秒鐘48000*16=768000,即768Kbps,如果是立體聲采樣,則要求系統(tǒng)的傳輸速率至少為1.536Mbps。

  所有數(shù)字錄音設(shè)備,如:CD器材、DAT機(jī)、硬盤錄音機(jī)、數(shù)字多軌錄音機(jī)的采樣頻率 都能達(dá)到44.1KHz。這種CD品質(zhì)的采樣標(biāo)準(zhǔn)其Nyquist頻率為22.05KHz,正好略高于人耳所能識(shí)別的最高頻率20KHz,因此用這種采樣頻率進(jìn)行采樣,人耳所能聽到的所有聲音都能被精確地還原。但是目前存在一個(gè)廣泛爭(zhēng)論的問題: 就是高于20KHz的泛音成份能否對(duì)聲音的聽覺效果產(chǎn)生影響。 實(shí)際上現(xiàn)在很多專業(yè)極數(shù)字錄音器材都采用了高于44.1KHz的采樣頻率,有的DAT機(jī)甚至采用了96KHz的采樣頻率用以在最大限度上追求聲音的完美。

  讓我們回到聲卡的話題中來吧!不管專業(yè)級(jí)的設(shè)備怎么樣,既然SOUND BLASTER 16的采樣精度和最高采樣頻率分別為16 BIT和44。1 Khz,那么從理論上講,它所錄制出的聲音當(dāng)然也就算是CD質(zhì)量的了。當(dāng)然,在實(shí)際使用中,由于計(jì)算機(jī)線路噪音和其它各種各樣的原因,這一級(jí)別的聲卡往往并不能達(dá)到它所標(biāo)稱的錄音水準(zhǔn),但是對(duì)絕大多數(shù)電腦玩家來說,它們的聲音的確是已經(jīng)足夠好了。

  那么,CREATIVE的SB AWE 32和AWE 64倒底都是怎么一回事呢?原來這兩種產(chǎn)品是 根據(jù)聲卡在midi樂曲播放時(shí)的同時(shí)發(fā)音數(shù)來命名的。最早的的ADLIB卡在播放樂曲時(shí)只能同時(shí)發(fā)出不到十種的聲音,后來SOUND BLASTER使用YAMAHA的OPL系列的FM合成芯片將之?dāng)U展到了20種,但有時(shí)也還是覺得不太夠用。到了AWE 32,CREATIVE使用E-MU公司的E-MU 8000芯片將音樂的合成技術(shù)由FM一躍而為WAVETABLE,即我們一般所說的“波表”,發(fā)音數(shù)也增加到了32個(gè),所以就以AWE 32命名,而AWE 64的64個(gè)同時(shí)發(fā)音數(shù)則是又使用一種名為WAVE SYNTH/WAVE GUIDE的軟件波表技術(shù)將發(fā)音數(shù)又增加了一倍而產(chǎn)生的。
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