ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 21 CHƯƠNG IV CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SOUND CARD I. Giới thiệu Sound Card : Sound card, còn được gọi là sound board hay audio board, là bảng mạch in cho phép máy tính phát và thu âm thanh chất lượng cao. Sound card thường được gắn vào 1 khe cắm mở rộng trong máy tính. Một số máy tính không cần sound card vì chúng đã có khả năng xử lý âm thanh được tích hợp trong board mạch chính. Sound card có 2 chức năng cơ bản: Chúng ghi và phát lại âm thanh số. Hầu hết có thể chơi file MIDI , tạo ra âm thanh với sự mô phỏng nhiều nhạc cụ. Nếu hệ thống có khả năng MIDI (Musical Instrument Digital Interface), có thể soạn nhạc và biến máy tính thành dàn nhạc hoặc thiết bò điều khiển cho các nhạc cụ khác.MIDI là chuẩn phần cứng và phần mềm được phát triển trong những năm 1980 để cho phép các nhạc cụ điện tử truyền thông với nhau. 1 thiết bò MIDI có thể nói với thiết bò khác âm thanh nào hay nốt nhạc nào cần được chơi. Nhiều PC sound card có cổng phần cứng MIDI cho phép máy tính truyền thông với các nhạc cụ MIDI. Hầu hết máy tính Macintosh dùng hộp giao tiếp MIDI gắn ngoài kết nối với máy tính qua cổng nối tiếp. II. Các loại sound card : Có 1 số loại sound card khác nhau, tương ứng với các cấu trúc bus khác nhau. Đây là tổng quát các loại phổ biến và chức năng tiêu biểu của chúng: - ISA bus card : là trong số các sound cũ nhất dùng ISA bus (không có Plug and Play). Loại này dùng các jumper để chọn thiết lập phần cứng cho đòa chỉ I/O, IRQ, và kênh DMA. Ngày nay card này không còn được sản xuất. - ISA Plug and Play card : dùng version mở rộng của ISA bus nên hỗ trợ nhận diện và cấu hình card bằng phần mềm. Một số card loại này có thể vẫn còn được sản xuất. - PCI bus card : dùng PCI bus băng tần cao hơn cung cấp nhận diện và cấu hình cards bằng phần mềm. Hầu hết sound card được sản xuất hiện nay dùng PCI. Hầu hết bảng mạch chính mà có cung cấp phần cứng on-board sound cũng dùng PCI bus. - USB : là cấu trúc mới hơn cho thiết bò có thể cắm nóng ở bên ngoài. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 22 III. Các cổng của Sound Card : Gameport : Cổng này cho phép kết nối với 1 joystick hoặc 1 thiết bò MIDI như music keyboard. Line In : Jack này cho phép kết nối 1 cassette hoặc đầu CD để chơi nhạc. Line Out : Jack này cho phép kết nối với 1 ampli chơi nhạc thông qua hệ thống âm thanh nổi . Spk Out :Jack này cho phép kết nối với loa hay headphones để nghe âm thanh được tạo bởi sound card. Mic In : Jack này cho phép kết nối 1 microphone để ghi âm tiếng nói hoặc các âm thanh khác. IV. Công nghệ cho Sound Card : 1.Âm thanh số : Âm thanh là 1 thuộc tính analog, nó có thể nhận bất cứ giá trò nào trong 1 dải liên tục. Máy tính là digital; chúng làm việc với các giá trò riêng rẽ. Trong những năm 1970 và 1980, các nhà nghiên cứu phát triển 1 cách mới để ghi âm nhạc dùng thiết bò dựa trên máy tính. Họ chuyển sóng âm thanh thành xung điện tử và lấy mẫu chúng, lấy hàng ngàn mẫu nhỏ mỗi giây. Các mẫu này có thể được chuyển đổi thành dãy các bit nhò phân và được lưu vào đóa và băng từ của máy tính. Sound card dùng 1 thiết bò gọi là Analog to Digital Converter (A/D or ADC) để chuyển đổi điện áp tương ứng với sóng âm thanh analog thành digital hay các giá trò số mà có thể được lưu trong bộ nhớ. Tương tự, Digital to Analog Converter (D/A or DAC) chuyển đổi giá trò số về điện áp analog mà có thể dùng điều khiển loa để tạo âm thanh. 2. Chuyển tín hiệu analog sang digital: Lấy mẫu : Việc xử lý chuyển đổi tín hiệu analog sang digital được gọi là lấy mẫu. 2 nhân tố quyết đònh trong việc xác đònh mức tốt của tín hiệu lấy mẫu đại diện cho tín hiệu ban đầu : Tốc đôï lấy mẫu (Sampling rate) : là số lần lấy mẫu được thực hiện trong 1 đơn vò thời gian (thường được biểu diễn là mẫu trên giây hay Hertz). Với âm thanh chất lượng CD, tốc độ lấy mẫu là 44000 Hz, hay 44000 mẫu mỗi giây. Tốc độ lấy mẫu thấp hơn cắt tần số cao hơn và thấp hơn, nhưng có thể thu được âm thanh có thể chấp nhận được với tốc độ lấy mẫu thấp cỡ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 23 8000 Hz. Tốc độ lấy mẫu thấp sẽ tạo ra đại diện ít chính xác của tín hiệu analog. Trong thực tế, nếu ghi âm , không cần dùng tốc độ lấy mẫu tối đa vì lãng phí không gian đóa. Kích thước mẫu (độ sâu bit) là số lượng bit được dùng để ghi thông tin về 1 mẫu. Kích thước mẫu càng lớn thì tín hiệu được số hoá càng chính xác. Sound card thường dùng các mẫu 8 hoặc16 bit với tốc độ lấy mẫu trong khoảng từ 4000 đến 44,000 mẫu mỗi giây. Thiết bò âm thanh cũ dùng lấy mẫu 8 bit, nhưng hầu hết sound card mới hơn dùng mẫu 16-bit. Các mẫu cũng có thể được chứa trên 1 kênh (mono) hoặc 2 kênh (stereo). Ghi càng nhiều thông tin, ta có thể tái tạo âm thanh càng chính xác. 3. Chuyển đổi digital sang analog: Tổng hợp (synthesis) : Sound card dùng 2 phương pháp cơ bản để chuyển đổi tín hiệu digital sang analog : FM Synthesis mô phỏng các nhạc cụ khác nhau theo các công thức toán học. Wave Table Synthesis dựa vào ghi âm các nhạc cụ thật để tạo ra âm thanh. Wavetable synthesis tạo ra âm thanh chính xác hơn nhưng đắt tiền hơn. a. Tổng hợp FM (Frequence Modulation Synthesis) : Tổng hợp FM là 1 kỹ thuật cũ để tạo âm thanh. Nó dựa trên việc phối hợp các dạng sóng khác nhau (ví dụ dạng sin, tam giác, vuông). Phương pháp này dùng các công thức toán học để mô phỏng nhạc cụ và tiếng nói, do đó tạo ra âm thanh ít hiện thực hơn. FM synthesis đơn giản nếu thực hiện bằng phần cứng chuyển đổi D/A, nhưng khó để lập trình và ít mềm dẻo. Nhiều sound card cung cấp FM synthesis để tương thích ngược với các card và phần mềm cũ hơn. Vài nguồn âm độc lập thường được cung cấp. FM synthesis tạo ra âm thanh không chân thực bằng cách mô phỏng các nhạc cụ. Sound card dùng FM synthesis rẻ tiền, âm thanh không phong phú bằng card dùng wavetable synthesis. Tổng hợp FM có trên 1 số card có chất lượng thấp. Hầu hết FM card rẻ tiền cũng giới hạn vài nhạc cụ được chơi đồng thời. b.Tổng hợp sóng (Wavetable Synthesis): Tổng hợp sóng phối hợp sự mềm dẻo của chuyển đổi D/A với khả năng nhiều kênh của FM synthesis. Với sự phối hợp này, âm thanh được số hoá có thể được tải xuống vào vài bộ nhớ chuyên dụng, sau đó được phát, phối hợp, và chỉnh sửa với sự hỗ trợ của CPU. Tất cả các sound card hiện nay đều hỗ trợ wavetable synthesis. Hầu hết sound card cung cấp khả năng trộn, phối hợp các tín hiệu từ nhiều nguồn vào khác nhau và điều khiển độ lợi.Wave table synthesizers có thể tạo các âm thanh trên máy tính giống như từ nhạc cụ thật. Chúng làm việc bằng cách lấy mẫu và mã hoá âm thanh từ nhạc cụ thật và lưu chúng vào ROM trên sound card. Phương pháp tổng hợp âm thanh sẽ tính toán chuỗi giá trò mẫu bằng công thức toán học (ví dụ công thức cho sóng hình sin) và sau đó gởi các con số này đến DAC. Ngoài tính toán 44100 giá trò lấy mẫu riêng cho mỗi giây của âm thanh được yêu cầu, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 24 giá trò lấy mẫu được tính toán cho 1 chu kỳ của dạng sóng được yêu cầu và được lưu vào 1 bảng. “Bảng sóng” này được lưu vào bộ nhớ máy tính. Giá trò lấy mẫu được lấy ra từ bảng và gởi đến DAC để tạo ra âm thanh được yêu cầu. Khi giá trò cuối cùng trong bảng được lấy, máy tính sẽ tiếp tục lấy giá trò từ đầu bảng, tạo ra dạng sóng liên tục, được lặp lại. Quy trình này liên tục trong thời gian yêu cầu của âm thanh. Hình : Một chu kỳ của sóng hình sin được trình bày như 1 bảng sóng trong bộ nhớ máy tính Trước khi bất kỳ âm thanh nào được tạo ra, bảng phải được xây dựng. 1 công thức toán học có thể được dùng để tính toán giá trò cho mỗi mục bảng (trong ví dụ trên, công thức sẽ tính toán cho sóng hình sin). Các giá trò này được lưu trong 1 bảng như minh hoạ trên hình. Trong biểu đồ trên, 512 giá trò có thể được tính toán để trình bày 1 chu kỳ của sóng. Bây giờ để có thể chơi âm thanh đã lưu, máy tính có 2 nhiệm vụ để thực hiện lặp lại: Xác đònh giá trò từ bảng mà tiếp theo sẽ được gởi đến DAC, và gởi giá trò. Ta gọi vò trí của 1 mục trong bảng là Phase Index. Trong ví dụ trên, phase index có thể là giá trò nguyên không âm nằm trong 0 đến 511. Ban đầu, phase index sẽ được gán 1 giá trò, thường là 0. Do đó nhiệm vụ 1 nêu trên có thể được xác đònh lại là tính toán giá trò phase index tiếp theo. Để tính toán phase index tiếp theo, ta sẽ cộng 1 Sampling Increment vào giá trò phase index hiện tại. Để tránh nhận giá trò phase index mà vượt qua ngưỡng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 25 của bảng (trong trường hợp này là 0–511), ta sẽ dùng hàm mod hay remainder như sau: Phase_Index = mod S (Previous_Index + Sampling_Increment) Trong đó S là kích thước bảng (512 trong ví dụ trên). (mod S trả về giá trò trong ngoặc chia cho lấy phần dư cho S) Ví dụ, nếu ta bắt đầu với Phase Index bằng 0 và Sampling Increment bằng 1, máy tính sẽ đến vò trí 0 trong bảng và gởi giá trò 0 đến DAC. Nhiệm vụ tiếp theo là tính toán phase index mới. Giá trò này được tính là mod 512 (0 + 1) = 1. Bây giờ máy tính sẽ gởi giá trò từ vò trí 1 của bảng (0.0123) đến DAC, tính toán phase index tiếp theo là mod 512 (1 + 1) = 2, giá trò gởi ra từ vò trí 2 trong bảng (0.0245), tính phase index tiếp theo là mod 512 (2 + 1) = 3, giá trò được gởi ra từ vò trí 3 trong bảng …. Hãy xem điều gì xảy ra khi máy tính gởi ra giá trò từ vò trí 511. Tính phase index tiếp theo sẽ là mod 512 (511 + 1) = 0 (ví dụ phần lại sau khi chia lấy phần nguyên bởi 512 là 0), do đó giá trò tiếp theo được gởi ra sẽ lại là từ vò trí 0 của bảng. Đâu là tần số của sóng hình sin được tạo ra trong ví dụ này? Để làm rõ điều này, bao nhiêu chu kỳ sóng sẽ được gởi đến DAC trong 1 giây (nhớ là tần số được đònh nghóa là số chu kỳ sóng trong 1 giây)? Nếu máy tính của ta làm việc với tốc độ lấy mẫu (ví dụ) 40960Hz (ví dụ nó sẽ gởi ra 40960 mẫu trong 1 giây), nó sẽ cho qua 40960/512 chu kỳ của dạng sóng trong 1 giây. Khi này cho tần số 80Hz. Nếu ta thay đổi tốc độ lấy mẫu lên gấp 2, phase index sẽ nhảy từng bước 2 vò trí trong bảng thay vì 1. Do đó máy tính sẽ quay vòng qua bảng chỉ với 256 bước thay vì 512. Điều này ảnh hưởng thế nào đến tần số? Máy tính vẫn gởi 40960 mẫu trong 1 giây đến DAC. Tuy nhiên số chu kỳ của danïg sóng trên giây sẽ là 40960/256, cho tần số 160Hz,quãng 8, cao hơn 80 ban đầu. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 26 V.Các thành phần của sound card : PC sound card loại mới chứa vài hệ hệ thống phần cứng liên quan đến việc tạo và ghi âm thanh, 2 phân hệ âm thanh chính để ghi và phát và tổng hợp âm thanh cùng với một số phần cứng liên quan. Về mặt lòch sử, phân hệ phát lại và tổng hợp âm thanh tạo ra sóng âm thanh theo 1 trong 2 cách: nhờ 1 FM synthesiser bên trong bằng cách phát âm thanh đã số hoá, tức đã lấy mẫu. Phần âm thanh số của 1 sound card gồm 1 cặp tương ứngbộ chuyển đổi digital sang analogue 16-bit (DAC) và bộ chuyển đổi analogue sang digital (ADC) và 1 bộ tạo tốc độ lấy mẫu có thể lập trình. Máy tính đọc dữ liệu lấy mẫu từ hoặc đến bộ chuyển đổi. Bộ tạo tốc độ lấy mẫu tạo đồng hồ cho bộ chuyển đổi và được điều khiển bởi PC. Dù cso thể dùng bất kỳ tần số nào trên 5kHz, nó thường dùng tần số 44.1kHz. Hầu hết card dùng 1 hay nhiều kênh DMA (Direct Memory Access) để đọc và ghi dữ liệu âm thanh số đến và từ phần cứng âm thanh. Card dựa trên DMA mà thực hiện đồng thời việc ghi và phát lại (tức hoạt động full duplex) dùng 2 kênh, làm tăng độ phức tạp khi cài đặt và tiềm tàng nguy cơ xung đột DMA với phần cứng khác. Một số card cũng cung cấp ngõ ra số trực tiếp dùng 1 kết nối quang hay đồng trục S/PDIF. Bộ tạo âm thanh của card dựa trên DSP (Digital Signal Processor), bộ này phát lại âm thanh được yêu cầu bằng cách đọc từ nhiều phần khác nhau của bộ nhớ bảng sóng với tốc độ khác nhau để cung cấp âm thanh được yêu cầu. Số nốt tối đa liên quan đến khả năng xử lý trong DSP và được gọi là "polyphony" của card.DSP dùng thuật toán phức tạp để tạo hiệu ứng như là ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 27 hồi âm, phát đồng thời và trễ. Hồi âm tạo cảm giác nhạc cụ đang được chơi trong phòng lớn. Phát đồng thời tạo cảm giác nhiều nhạc cụ được chơi đồng thời trong khi thật ra chỉ có 1. VI. Hoạt động của sound card : 1. Ghi âm : a. Từ 1 microphone hay thiết bò khác, chẳng hạn như máy hát CD, card âm thanh nhận được âm thanh dưới dạng tự nhiên của nó, dạng này là 1 tín hiệu tương tự (analog) liên tục của sóng âm thanh chứa các thành phần tần số và biên độ thay đổi liên tục. âm thanh có thể nhiều hơn 1 tín hiệu tại 1 thời điểm, cho phép ghi âm thanh dưới dạng nổi (stereo). b. Các tín hiệu đi tới AD. Chip này biến đổi tín hiệu tương tự liên tục thành dãy các số 0 và 1. c. Có 1 ROM (Card mới hơn sử dụng EPROM) chứa các bản lệnh xử lý tín hiệu số. EPROM cho phép cập nhật các lệnh đã được cải tiến. d. Bộ ADCgởi thông tin nhò phân đến DSP (chip này làm nhẹ gánh nặng cho CPU trong việc xử lý các công việc liên quan đến âm thanh). DSP lấy các lệnh từ ROM, các lênh đốbảo phải làm gì với số liệu đó. Điển hình là DSP nén tín hiệu để nó chiếm ít không gian bộ nhớ. e. DSP gởi dữ liệu đã nén đến bộ xử lý chính của PC, và bộ xử lý chính gởi lại dữ liệu lên đóa cứng để lưu trữ. f. Để chơi một âm thanh đã được ghi, CPU tìm tập tin chứa âm thanh số đã được nén trên đóa cứng hay đóa CD và chuyển dữ liệu đến DSP. 2.Phươngpháp chơi nhạc MIDI : a. Trong khi một vài loại âm thanh được ghi trực tiếp chẳng hạn như âm thanh được lưu dưới dạng wave, thì âm thanh MIDI được phát triển để tiết kiệm đóa bằng cách chỉ lưu một số lệnh để chơi nhạc trên các thiết bò điện tử chứ không phải lưu âm thanh thực sự. b. Các lệnh MIDI báo cho DSP biết phải chơi thiết bò nào và làm thế nào để chơi chúng. c. Nếu card âm thanh sử dụng bản tổng hợp sóng (wave-table synthesis) để tái tạo lại các thiết bò âm nhạc, mẫu của các âm thanh thực tế được tạo bởi các thiết bò âm nhạc khác nhau được lưu trữ trong ROM. d. DSP tìm kiếm âm thanh trong bảng của ROM. Nếu các lệnh tìm, chẳng hạn nốt D- sharp của kèn trumpet nhưng trong bảng chỉ có nốt D cho trumpet thì DSP sẽ tính toán mẫu âm thanh để tăng nó lên cao độ của D- sharp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 28 e. Nếu card âm thanh sử dụng tổng hợp FM thay cho bảng tổng hợp sóng thì DSP yêu cầu chip tổng hợp FM tạo ra nốt đó. Chip này sử dụng 1 thuật toán- 1 công thức toán học- để mô phỏng từng nhạc cụ riêng biệt. Tổng hợp FM không thực tế như việc tái tạo âm thanh MIDI hay WAV. VII. Phương pháp chọn sound card : Chất lượng của toàn bộ sound board phụ thuộc vào tốc độ lấy mẫu tối đa và số bit dùng để ghi lại thông tin của mỗi mẫu. Chọn sound card dựa trên : - Tốc độ lấy mẫu :Tốc độ lấy mẫu của sound card quyết đònh chất lượng của âm thanh được tạo ra. Để có âm thanh chất lượng tốt, hãy mua sound card có tốc độ lấy mẫu tối thiểu là 44.1 KHz. - 3-D : Sound sound card có hiệu ứng âm thanh 3-D có thể tạo ra âm thanh giống như đến từ vài hướng khác nhau. 3-D sound card thường được dùng để nâng cao âm thanh trong các trò chơi trên máy tính. - Full-Duplex : Full-duplex sound card cho phép nói và nghe cùng lúc. Khi sử dụng máy tính để đàm thoại qua Internet, full-duplex sound card cho phép nhiều người nói cùng lúc. Với half-duplex card, mọi người phải nói luân phiên. . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 21 CHƯƠNG IV CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SOUND CARD I. Giới thiệu Sound Card : Sound card, còn. cắm nóng ở bên ngoài. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 22 III. Các cổng của Sound Card : Gameport : Cổng này cho phép kết. tính toán 44 100 giá trò lấy mẫu riêng cho mỗi giây của âm thanh được yêu cầu, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG GIAO TIẾP CỔNG COM VÀ SOUD CARD LÀM HỘP THƯ THOẠI Lê Bá Thiện Lớp Tin 99 Trang 24 giá trò