电脑声卡的工作原理.doc

电脑声卡的工作原理 声卡的工作原理很简单，麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，声卡的作用就是实现两者的转换。从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分,模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。声卡主要有两种：内置独立声卡和内置集成在主板上的软声卡。音乐合成有两种方法。一种是调频（FM）合成法，FM合成方式是将多个频率的 简单声音合成复合音来模拟各种乐器的声音。FM合成方式是早期使用的方法，用这种方法产生的声音音色少、音质差。另一种是波形表（Wavetable）合成法。这种方法是先把各种真正乐器的声音录下来，再进行数字化处理形成波形数据，然后将各种波形数据存储在只读存储器中。发音时通过查表找到所选乐器的波形数据，再经过调制、滤波、再合成等处理形成立体声送去发音。存储声音样本的ROM容量的大小对波表合成效果影响很大。混音器的作用是将来自音乐合成器、CDROM、话筒输入（MIC）等不同来源的声音组合在一起再输出，混音器是每种声音卡都有的。数字声音效果处理器是对数字化的声音信号进行处理以获得所需要的音响效果（混响、延时、合唱等），数字声音效果处理器是高档声卡具备的功能。模拟声音输入输出功能 主要是A/D、D/A转换。一般声音信号是模拟信号，计算机不能对模拟信号进行处理。声音信号输入后要将模拟信号转换成数字信号再由计算机进行处理。由于扬声器只能接受模拟信号，所以声卡输出前要把数字信号转换成模拟信号。常用于表示声卡性能的两个参数是采样率和模拟量转换成数字量之后的数据位数（简称量化位数）。采样率决定了频率响应范围，对声音进行采样的三种标准以及采样频率分别为：语音效果（11 kHz）、音乐效果（22 kHz）、高保真效果（44。1 kHz），目前声卡的最高采样率为44。1KHz。对声波每次采样后存储、记录声音振幅所用的位数称为采样位数，16位声卡的采样位数就是16。量化位数决定了音乐的动态范围， 量化位数有8位和16位两种。8位声卡的声音从最低音到最高音只有256个级别，16位声卡有65536个高低音级别。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。Windows使用的标准数字音频文件称为波形文件，扩展名为WAV；扩展名为VOL的声音文件主要 用于DOS程序；扩展名为MID的文件用于存储MIDI类声音信息；它比WAV文件更节省空间。声音文件的存储量等于采样频率采样位数声道数。声卡使用的总线有ISA总线和PCI总线。声卡工作应有相应的软件支持，包括驱动程序、混频程序（mixer）和CD播放程序等。 声音卡的技术指标1采样频率和量化位 衡量声音卡录制和重放声音质量的主要参数。一般声卡采用44。1kHz采样频率下对立体声源进行16位数字化录音和重放。 为什么采用44。1kHz的采样频率呢？ 因为人类所能听到的最高频率为22kHz，而数字录音时，如果恢复为逼真的模拟信号，采样频率必须时希望恢复的最高频率的2倍，所以采用44。1kHz的采样频率可以获得完美逼真的听觉感受。2分辨率 采样过程中，需使用分辨率来描述数字化声音。采样频率越高，每一声音波形采用的比特数越多，分辨率就越高，保真度也越好。3动态范围 音乐、语言和音响效果千变万化、丰富多彩。多媒体节目要求音响效果与视觉效应有机地融合在一起,这就要求声卡的声音处理有足够大的动态范围。但动态范围不是越大越好,因为过大不但影响处理速度,而且对音效改善也起不了多大作用。分辨率的比特数决定了系统的动态范围。4信噪比 是音频或视频信号的幅度与噪声强度的比值。信噪比的单位是dB（ 分贝 ），通常是负分贝，负的数值越大就越好。5合成器 运用合成器，可以得到乐声，它能模仿不同的乐器,这就是合成音乐。最早的合成器是控振荡器 （VCO），几乎可以在任意频率产生振荡。振荡回路的输出可以被放大,推动喇叭产生声音。6数字信号处理器 数字信号处理器 （DSP） 芯片它可以减轻 CPU 的负担。使用数字信号处理器可以通过编程来完成一些特定的任务，例如高质量声音、图像和视频信号的处理等。声频板上的数字信号处理器芯片用来处理音频信号 ,它可以加快处理的速度，并可用于音乐合成以及加强一些特殊的数字声音效果。7IRQ号 IRQ 表示中断请求优先级。当一个外设使用中央处理器时，它会发出中断请求信号 ,要求中央处理器暂停当前的工作来响应中断处理。与计算机相连的许多外设都有中断请求优先级，当中央处理器同时收到多个中断请求时,先处理 IRQ 号最低（优先级最高）的设备。8DMA 通道 DMA 是直接存储器访问的缩写，其作用是建立一条不经过中央处理器，直接沟通存储器和外设的通道。9PORT 声音卡中的 PORT 是输入/输出端口地址，中央处理器与声音卡的数据通信是通过该端口进行读写的。端口地址一般用 16 进制数字表示，例如，Sound Blaster音频卡的端口地址是220H。声音卡接口及其系统结构1声音卡的I/O接口声卡接口介绍位于卡内的插口和接口： CD-ROM数据接口：可与CD-ROM驱动器的数据接口相连。 CD音频数据接口：与CD-ROM音频线相连，音频卡接上扬声器后就可播放CD-ROM光盘上的声音数据。位于音频卡后面板上的插口和接口： 线性输入插口（Line In Jack）：可与盒式录音机、唱机等相连，进行播放或录音。 话筒输入插口（Mic In Jack）：可与话筒相连，进行语音的录入。 线性输出插口（Line out Jack）：可跳过音频卡的内置放大器，而连接一个有源扬声器或外接放大器进行音频的输出。 扬声器输出插口（Speaker Out Jack）：从音频卡内置功率放大器连接扬声器进行信号输出，该插口的输出功率一般为2-4瓦。 游戏棒/MIDI接口（Joystick/MIDI connect）：可将游戏棒或MIDI设备如MIDI键盘连接到音频卡上。2声音卡系统结构图声音卡的工作原理声音卡的关键部件是数字信号处理器、混合信号处理器、音乐合成器。1数字化声音处理芯片（DSP）DSP原理图结构介绍 声频卡用数字信号处理器芯片管理所有声音输入输出和 MIDI 操作。它的芯片带有自己的 RAM 和 EPROM，用来存放声音处理 （VO） 、 ADPCM 编码/译码程序和中间运算结果。 声频卡的数字化声音接口有两种传送方式：一种是直接传送方式，即声音数据由应用程序直接通过数字信号处理器输入输出，数据是 8 位或 16 位脉冲编码调制 PCM 数据;另一种方式是 DMA 传送方式，采用 DMA 方式将声音数据输出到数字信号处理器或从数字信号处理器中输入声音数据，除 8 位或 16 位 PCM 数据外，声音输入输出时也支持压缩数据格式 ADPCM。DMA 是直接存储器访问的缩写，其作用是建立一条不经过中央处理器，直接沟通存储器和外设的通道。DSP处理过程模拟声音（ 音频信号 ）经过前置放大器放大后，由程序可控制的放大器进一步对输入信号的幅度进行控制，一般控制级数是 4 位 16 挡。抗混滤波器根据采样频率滤除可能引起混叠噪声的频率。经过模拟/数字转换（A/D）电路和采样保持（S/H）电路，得到 8 位或 16 位数字化声音数据。模数（ AD）转换器 声音是连续的模拟信号，要在计算机中处理就必须将它转变成为数字的形式。声卡上的模数转换器实现声音的数字化。数模（DA）转换器 同样，要让人能够听懂这些在计算机中用0、1表 示的声音就必须把它转换回模拟的信号输出。声卡上的数模（DA）转换器把数字声音转换成模拟的送到扬声器或是其它输出设备。数字信号处理器可以对声音数据进行 ADPCM 压缩，以 DMA 传送接口方式，通过 PC总线，把数据存储到计算机磁盘上。声音输出的过程与输入相反，从磁盘读入编码的数字声音数据，用DMA方式传送到数字信号处理器，经解码和数字/模拟转换（D/A）电路变成模拟信号，再由重建滤波器进行低通平滑（sim/x）滤波，用户程序可以进一步控制声音输出的电平，最后声音经过功率放大器输出到扬声器。2混音器 声频卡上的混音器（mixer）芯片可以对以下音频源进行混合：数字化声音（DAC）调频 Fm 合成音乐（FM）CD-Audio 音频 CDROM）线路输入（AUX）话筒输入（MIC）PC扬声器输出（SPK）混音器允许通过软件来控制音频源的音量。对于FM合成音乐可以设置左右声道。通过地址和数据端口可对混音器的各种功能进行编程设置。3合成器 多媒体PC机平台通过内部合成器或外界到计算机MIDI端口的外部合成