声卡与数字化的声音
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声卡与数字化的声音
作者:佚名    文章来源:中小学音乐教育网    点击数:    更新时间:2012-7-16
什么叫声卡?声卡就是规定您的计算机喇叭只许在启动的时候发声的东西(引自尚未编纂完成的《多媒体魔鬼词典》)。

  人们为什么要发明声卡这玩意儿呢?只要是“享受”过记算机上的PC喇叭在玩游戏时发出的单调、剌耳声音的朋友,对此都是不难理解的。如今提起声卡,人们的第一个反应往往是“声霸卡”,也就是新加坡创新公司(CREATIVE)的SOUND BLASTER系列声卡,但其实第一块实用的声卡并不是他们的产品,而是同样大名鼎鼎的位于英国利物浦的ADLIB公司于1984年推出的ADLIB卡。这块小小的东西使电脑能够以相当悦耳的声音演奏音乐,可以说是开创了“多媒体”音频部分的的先河。我们至今还能在WINDOWS系统的驱动程序库中见到她和她的后续产品的身影。

  但是ADLIB卡的最大缺点是只有音乐而没有音效,这对于越来越贪心的电脑玩家(尤其是电脑游戏玩家)们来说,就象是一个只会唱歌而不会说话的女友一样不可容忍。所以,当创新公司首次推出既“五音具全”又“能说会道”的8位声卡SOUND BLASTER时,其受欢迎的程度是可想而知的。此卡至今仍然是电脑游戏的精典标准之一。

  SOUND BLASTER之后的SOUND BLASTER PRO在音频方面仍然8位的,只是增加了立体声的功能,无论是midi音乐还是数字音效都能够对左右两个声道进行分别调整。这块声卡与倍速光驱、386SX CPU和2MB内存等配置一起构成了第一代的多媒体标准MPC1。(听起来很遥远吗?想想才几年?)

  虽然SOUND BLASTER PRO是一块正式被定义为“标准”的声卡,但是他在多媒体发展史中的地位还是远远比不上他的哥哥SOUND BLASTER和他的弟弟SOUND BLSTER 16。SOUNDBLASTER是第一块兼顾音乐与音效的成熟的多媒体音频卡;而SOUND BLASTER 16是第一块被广泛宣传为能以CD音质录放声音的16位的声霸卡。其后的AWE 32和AWE 64等产品则都是在16位数字录音的基础上对midi功能进行了扩展,从另一个角度对多媒体声音标准进行了突破。

  说到这里,我想我们还是先聊聊8位声卡和16位声卡中的“位”都是指得什么,它为什么会对声音的品质产生如此重要的影响吧!想必各位仁兄也都对奸商们口中的32位和64位声卡半信半疑吧?声卡这东西真的发展得这么快吗?让我们还是从声音这一奇妙的东西谈起。

  我们知道,声音是声波通过空气对人的耳鼓产生平滑变化的压力从而被人脑所识别的,而大多数的电子设备(如普通的录音机)也都是通过产生电压平滑变化的电流信号来输出声音的,其电压变化的规律实际上同声波对空气产生压力变化的规律是一样的,所以我们将电子设备的这种用电压变化模拟声波变化的声音信号称为模拟信号。由于从SOUNDBLASTER开始,声卡即加入了音效的功能,那么我们就必须用某种方法把自然界的声音录到电脑里,以便在必要的时候播出。在电脑里安上台录音机是个好主意,但是电脑并不能直接识别这种模拟信号,所以,唯一的办法是??将这种信号数字化!

  数字音频技术并不是由声霸卡开始的,实际上它从本世纪50年代就开始发展了。数字信号较模拟信号有很多优点,例如:易于编辑、做备份时信号无损失、没有磁带噪音等等。到目前为止,数字音频技术的最大贡献应该在于它发展的CD唱片工业,这种得唱片使得千家万户在无需高昂花费的前提下就能得到相当高品质的声音享受。

  数字化声音的两个最主要参数是采样精度与采样频率。用于表示每一个模拟信号采样点的二进制位数称为采样精度。采样精度越高,每一个二进制数越接近模拟信号的真实值,它所采集的声音听起来也就越逼真。那么采样精度是怎样作用于数字化声音的品质的呢?我们可以用“修台阶”来打一个比方。

  假设我们有一条长100米,落差10米的斜坡要修成台阶,如果我们只修100级台阶的话,那就每级台阶长一米,落差一分米,太大了,“精度”不够,爬起来准会摔跤的;如果我们修上1000级,那么就是每级台阶长一分米,落差一厘米,已经比较细了,给小孩子学爬台阶刚刚合适;如果我们修上10000级,那就是每级台阶长一厘米,落差一毫米,这时从远处就已经看不出这里是台阶还是斜坡了。那么,我们就可以说,“10000级台阶”在一定的程度上将“斜坡”这一模拟概念数字化了。但请不要忘记,就算我们修上它一千万级台阶,在您怎么看怎么都看不出有台阶存在的时候,这段台阶也仍然是台阶而不是斜坡,只不过老兄您看不出来罢了。

  数字音频采样的道理跟“修台阶”是一模一样的。采样系统用一系列二进制数字0表示系统所能接收到的模拟信号的最小值,而用一系列二进制数字1表示系统所能接收的模拟信号的最大值(当然也有的设备是取反的),二进制位数越多,系统所能接收的模拟信号最大和最小值之间的分隔级数就越多,每一级‘台阶’的落差就越小,因此每一个二进制数值就越接近模拟信号在该点的值。所以,如果我们用8位的采样精度进行采样,只能将一个模拟信号分成256极台阶,精度不够,与真实声音的差距还很大,而用16位的采样精度进行采样,即可将一个模拟信号的最大和最小值之间划分为65536级台阶,如果采样频率也足够高的话,人耳就已经听不出它与原来的模拟信号之间的区别了。

  采样的位数越高“台阶”就越多,声音就越接进真实,但是同时数据所占据的存储空间也就越大,所以尽管现在已经有了20位和24位的采样技术,但是用得最多的还是16位采样,因为在绝大多数情况下,16位的采样技术已经足够了。

  数字音频的另一个属性是采样频率。采样频率是指采集设备在一秒钟内对模拟信号采样的次数,而两次采样的时间间隔称为采样周期。采样频率越高,越高频段的信号就能被越真实地还原,但同时所要求的存储空间也会相应增大。根据美国科学家Harry Nyquist的理论:用两倍于一个正弦波的频率进行采样就能完全真实地还原该波形。我们称采样频率的一半为Nyquist频率,Nyquist频率是该采样频率所能真实反应波形的最高频率。因此一个数字录音设备的采样频率直接关系到它的带宽指标。

  数字信号在传送过程中还会遇到一个数字传送的带宽问题。数字带宽取决于处理系统每秒钟所能传送的数字位数,就象Hz(赫兹)一样我们称其为bps(波特率)。例如用一个信号用48KHz的采样频率进行采样,采样精度为16位,则要求系统的传送速率至少要每秒钟48000*16=768000,即768Kbps,如果是立体声采样,则要求系统的传输速率至少为1.536Mbps。

  所有数字录音设备,如:CD器材、DAT机、硬盘录音机、数字多轨录音机的采样频率 都能达到44.1KHz。这种CD品质的采样标准其Nyquist频率为22.05KHz,正好略高于人耳所能识别的最高频率20KHz,因此用这种采样频率进行采样,人耳所能听到的所有声音都能被精确地还原。但是目前存在一个广泛争论的问题: 就是高于20KHz的泛音成份能否对声音的听觉效果产生影响。 实际上现在很多专业极数字录音器材都采用了高于44.1KHz的采样频率,有的DAT机甚至采用了96KHz的采样频率用以在最大限度上追求声音的完美。

  让我们回到声卡的话题中来吧!不管专业级的设备怎么样,既然SOUND BLASTER 16的采样精度和最高采样频率分别为16 BIT和44。1 Khz,那么从理论上讲,它所录制出的声音当然也就算是CD质量的了。当然,在实际使用中,由于计算机线路噪音和其它各种各样的原因,这一级别的声卡往往并不能达到它所标称的录音水准,但是对绝大多数电脑玩家来说,它们的声音的确是已经足够好了。

  那么,CREATIVE的SB AWE 32和AWE 64倒底都是怎么一回事呢?原来这两种产品是 根据声卡在midi乐曲播放时的同时发音数来命名的。最早的的ADLIB卡在播放乐曲时只能同时发出不到十种的声音,后来SOUND BLASTER使用YAMAHA的OPL系列的FM合成芯片将之扩展到了20种,但有时也还是觉得不太够用。到了AWE 32,CREATIVE使用E-MU公司的E-MU 8000芯片将音乐的合成技术由FM一跃而为WAVETABLE,即我们一般所说的“波表”,发音数也增加到了32个,所以就以AWE 32命名,而AWE 64的64个同时发音数则是又使用一种名为WAVE SYNTH/WAVE GUIDE的软件波表技术将发音数又增加了一倍而产生的。

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