Компьютеры -> Аудио -> Звук в ПК: прошлое, настоящее, будущее

Звук в ПК: прошлое, настоящее, будущее

С появлением платформы Socket 775 от Intel мы стали свидетелями выхода на рынок множества технологических инноваций, ранее известных лишь как перспективные разработки. Это и PCI Express, и DDR2, и новая конструкция процессорного разъема... Сегодня же пришла пора познакомиться с новыми технологиями от Intel в области звуковых решений -- речь идет о стандарте Intel High Definition Audio.

С чего начиналось

Сегодня в это трудно поверить, но первые IBM PC, увидевшие свет в далеких 80-х годах, были практически "немыми". Впрочем, нет -- у них все же имелось одно средство звукового общения с внешним миром -- PC Speaker. Несмотря на то что разрядность данного устройства составляла целый 1 бит, компьютерные энтузиасты и разработчики игр тех времен искали и находили пути извлечения из него некоего подобия звука -- для этого применялись специальные методы модуляции, в том числе ШИМ и некоторые другие. Те же, кто не хотел тратить значительные интеллектуальные усилия на заведомо безнадежное с точки зрения качества получаемого результата дело, но при этом умели держать в руках паяльник, собирали простенькие резистивные ЦАП-матрицы, подключаемые к параллельному порту, -- такие устройства были названы Covox. По звучанию они значительно превосходили убогий PC Speaker, а сэмплерные музыкальные редакторы (особенно широкую известность приобрела программа Scream Tracker) позволяли создавать довольно сложные многоканальные инструментальные композиции. Но повсеместному распространению Сovox мешало отсутствие какого-либо стандарта, поэтому они так и остались уделом любителей и энтузиастов трекерной музыки.

Среди многих пользователей того времени было распространено мнение, что звуковые (мультимедийные) возможности ПК являются своего рода излишеством, причем не самым дешевым. Но энтузиастам мультимедиа уже тогда было очевидно, что ПК как платформа заслуживает более продвинутого аудиорешения. Поэтому очередным этапом развития звука на РС стала 8-разрядная плата AdLib Sound с 12-канальным MIDI-синтезатором Yamaha OPL2. Несмотря на свою распространенность, эта плата была предназначена исключительно для воспроизведения MIDI-музыки, а вот следующий герой нашего повествования, Creative Labs Sound Blaster, уже имел "на борту" 8-битные ЦАП и АЦП, работавшие в режиме псевдостерео.

Не стоит думать, что в те времена вообще вся технология цифрового звука обладала столь скромными возможностями. Существовали и профессиональные решения, получившие прописку на компьютерах Macintosh и Atari и позволяющие воспроизводить и записывать значительно более качественный звук, благодаря чему они пользовались заслуженной популярностью в музыкальной индустрии. Но всех их объединяла одна общая черта -- они были непомерно дороги для рынка ПК. Поэтому когда появилась карта Sound Blaster Pro (все еще 8-битная, но с нормальным стереозвуком и частотой сэмплирования до 22 kHz), ее воспринимали как значительное достижение, и не в последнюю очередь благодаря доступной цене. Более того, эта разработка понравилась самой компании Microsoft, и она включила ее в свою спецификацию MPC (Multimedia PC) в 1991 г.

А немногим позже появилась уже "настоящая" звуковая плата с достаточно современными возможностями -- Creative Labs Sound Blaster 16 (16 бит/44 kHz, MIDI-синтез OPL3). Одновременно начался бум дешевых 8-битных карт, совместимых с Sound Blaster Pro, но производимых сторонними азиатскими компаниями, и именно с этого момента словосочетание Sound Blaster стало именем нарицательным для любых звуковых карт для IBM PC.

В 1996 г. компания Microsoft представила DirectSound, дав разработчикам ПО универсальный API (до этого момента создателям игр и прочего ПО приходилось поддерживать каждый тип звуковых карт отдельно на уровне приложения). А производители звуковых устройств начали обеспечивать свои продукты DirectSound-совместимыми драйверами. Далее был приход на ПК шины PCI и связанное с этим дальнейшее развитие рынка звуковых карт.

AC'97 -- стандарт, переживший свое время

В конце 1997 -- начале 1998 гг. Intel представила спецификацию для аудио- и модемных кодеков, чтобы стандартизировать, наконец, возможности подключения аналоговых (звуковых) устройств. Она получила название AC'97 (Audio Codec'97) и просуществовала вплоть до нашего времени, пережив, правда, несколько серьезных обновлений и дополнений.

Одним из самых важных нововведений технологии AC'97 являлось разделение функций АЦП/ЦАП-преобразования и DSP-обработки. И если первые должны реализовываться с помощью аппаратной микросхемы-кодека, то функции DSP решено было "поручить" выделенному чипу -- им мог выступать южный мост набора системной логики, а бремя выполнения алгоритмов обработки звука при этом ложилось целиком и полностью на центральный процессор ПК. Тем самым достигалось радикальное удешевление звукового решения, что позволяло интегрировать его непосредственно на материнскую плату без существенного повышения ее стоимости.

Производством AC'97-кодеков сейчас занимается довольно много сторонних компаний, специализирующихся на разработке интегральных схем ЦАП/АЦП, таких как Analog Devices, Cirrus Logic (Crystal), C Media, Realtek (Avance Logic), Sigmatel, VIA, Wolfson и др. При этом обеспечиваемый различными кодеками уровень звучания варьируется от модели к модели, и на сегодняшний день среди них можно встретить как однозначно устаревшие продукты, так и довольно удачные решения, обладающими высоким качеством звука (подробнее см. "Компьютерное Обозрение", # 13, 2003).

Dolby Digital и другие

Рынок потребительской электроники эволюционирует, пожалуй, не меньшими темпами, чем рынок ПК. Это касается также и аудиовидеоотрасли, новейшими веяниями моды в которой несколько лет назад стали технологии многоканального окружающего звучания (surround sound) и домашнего кинотеатра.

Надо сказать, что развитие звуковоспроизведения в мире кинематографа шло совершенно иным путем, чем в музыкальной индустрии. От самого рождения стереозвука в кино было задействовано более двух каналов -- несколько фронтальных и один тыловой, расположенный за рядами зрительских сидений, получивший название "канал эффектов". Из-за несовершенства технологий того времени доносившийся из тыловых громкоговорителей звук был достаточно шумным и некачественным, поэтому канал эффектов задействовался относительно редко. Но с легкой руки разработчиков такой четырехканальный формат получил название "окружающее звучание" (surround sound).

В 70-х годах начались первые попытки экспериментировать с квадрозвуком. К сожалению, революционные идеи квадро несколько опередили свое время и, как теперь видно, были заведомо обречены на провал -- по причинам техническим (виниловая пластинка физически не могла являться носителем четырех дискретных дорожек без серьезных ограничений в качестве звука), экономическим (одновременно существовало три различных, несовместимых стандарта) и другим.

Тем не менее технология матричного кодирования каналов, применявшаяся в квадро для обхода физических ограничений винилового носителя, с легкой руки компании Dolby Labs прижилась в мире кино. В середине 70-х Dolby предложила новый принцип передачи звуковой дорожки в фильмах -- оптическим способом на 35-миллиметровой кинопленке. Этот формат получил имя Dolby Stereo, а в двух его дорожках кодировались сигналы для левого, правого, центрального и тылового (surround) каналов.

В 80-х годах широкое распространение получает бытовая видеотехника и, соответственно, видеозаписи со стереозвуком. Аппаратура, которая могла расшифровывать информацию тылового канала, начала маркироваться логотипом Dolby Surround, а чуть позже появились бытовые декодеры Dolby Surround Pro Logic, способные воспроизводить также и центральный канал.

С пришествием цифровых технологий на рынке систем окружающего звучания развернулась настоящая война между компаниями Dolby Labs и DTS (Digital Theater Systems). Кроме того, в этом сегменте также активно присутствует и такой игрок, как THX.

Dolby Laboratories на сегодня известна прежде всего технологией Dolby Digital (другое название -- АС-3, Audio Code -- 3), которая предоставляет 5.1-канальный звук как для кинотеатров, так и для их домашних воплощений. Дальнейшее усовершенствование известно как Dolby Digital Surround EX. Основным новшеством этой технологии является поддержка нового surround-канала -- тылового, для которого один (6.1-канальная система) или несколько (7.1-канальная) динамиков устанавли-ваются непосредственно позади слушателя.

При этом информация для дополнительных каналов с помощью все того же матричного кодирования помещается в сигналы для обычных surround-каналов, обеспечивая таким образом совместимость для театров или систем, оснащенных только Dolby Digital 5.1. Почин был поддержан индустрией, и сейчас на рынке массово присутствуют как бытовая 7.1-канальная аппаратура, так и звуковые платы с поддержкой данного формата.

Кроме того, в это же время музыкальная индустрия начинает постепенную миграцию с одного носителя на другие -- с компакт-диска (CD Audio) на SACD и DVD Audio. Последний формат характеризуется более высокой разрядностью звука (24 бит) и повышенной частотой дискретизации (до 192 kHz). В стандарте DVD Audio заложена также возможность кодирования звука как в обычное двухканальное стерео, так и в формат с большим количеством каналов, вплоть до 5.1 -- при этом информация для всех каналов кодируется с высокими разрешением и частотой сэмплирования. Соответственно, значительно возрастает требование к ширине канала для передачи цифровых данных от носителя до блока ЦАП.

Microsoft Universal Audio Architecture и Intel HD Audio Рис. 1. Универсальный UAA­драйвер от Microsoft предоставляет лишь базовые возможности по управлению звуком Рис. 2. взаимодействие аппаратной и програмной части архитектуры Intel HD Audio Архитектура UAA, разрабатываемая компанией Microsoft в рамках следующей версии Windows (Longhorn), сама по себе заслуживает отдельного, более подробного описания. С выходом Intel High Definition Audio появились все основания не ждать очередного бета-релиза новой версии ОС, а рассмотреть особенности взаимодействия UAA и HD Audio на платформах сегодняшнего дня -- Windows 2000 и XP. Основное предназначение Microsoft UAA состоит в том, чтобы предоставить пользователю единый драйвер для любых аудио­устройств, тем самым дав возможность использовать некоторую базовую функциональность (воспроизведение и запись звука) без установки драйверов от разработчиков устройства. Можно провести грубую аналогию между UAA и универсальным драйвером для видеоадаптеров, позволяющим задействовать режимы высокого разрешения и цветности для большинства современных видеокарт -- пусть даже без аппаратного ускорения. Те, кто самостоятельно инсталлировал Windows XP, хорошо знают, что данная ОС сама устанавливает оптимальный видеорежим для пары видеокарта-монитор, не требуя оригинальных драйверов устройств. Это стало возможным благодаря стандартам организации VESA, определяющим способ выбора и задания наиболее распространенных видеорежимов для всех современных графических адаптеров. Что же касается звука, то подобных стандартов здесь до сих пор не существовало, и если АС'97-кодеки и интерфейс АС-link были описаны в рамках спецификации АС'97, то интерфейс аудиоконтроллера в каждом отдельном случае разрабатывался непосредственно производителями, и именно поэтому для функционирования звукового решения требовался отдельный драйвер. При отсутствии же драйверов от разработчиков пользователь был лишен вообще каких-либо звуковых возможностей, даже основных. Но это еще полбеды -- самые серьезные неприятности начинаются тогда, когда драйвер есть, но работает нестабильно, ставя под угрозу корректное функционирование всей операционной системы. UAA задумана как универсальный базовый драйвер для аудиоустройств, обеспечивающий их основные функции (рис. 1). В случае необходимости получения дополнительных возможностей он может быть заменен драйвером от разработчиков, но это не является обязательным -- вот что важно. С выходом Windows Longhorn UAA будет поддерживать все виды аудиоустройств, на сегодня же единственные продукты, совместимые с данной архитектурой, -- кодеки HD Audio. Схема взаимодействия UAA и HD Audio представлена на рис. 2. Таким образом, непосредственный доступ к регистрам контроллера HD Audio имеет только универсальный шинный драйвер UAA от Microsoft, что обеспечивает стабильность работы и базовые аудиофункции. Он же предоставляет DDI драйверу более высокого уровня для программирования контроллера. Несмотря на кажущуюся громоздкость, такая архитектура обещает обладать достаточным быстродействием и минимально загружать ресурсы процессора при потоковой передаче данных, так как ее разработчики придерживаются принципов кодирования для систем реального времени.

High Definition Audio -- эволюция, а не революция

Стандарт АС'97, а точнее, протокол интерфейса между кодеком и DSP (АС-Link) при создании не был рассчитан на столь высокие потоки информации. Максимум, который можно "выжать" из АС'97 версии 2.3, -- это 11,5 MBps, что позволяет воспроизводить 5.1-канальный звук с CD качеством (16-20 бит, 44-48 kHz). Таким образом, поддержка новых стандартов индустрии бытовой электроники потребовала очередного пересмотра спецификации АС'97 -- и на этот раз радикального.

Презентация HD Audio, известной также под кодовым именем Azalia, на весеннем IDF в 2003 г. была воспринята компьютерной индустрией с энтузиазмом, так как эта спецификация позволяла попутно воплотить и другие усовершенствования, которым не нашлось места в последних ревизиях АС'97. Новой технологии оказала поддержку и Microsoft, так как она удачно укладывалась в рамки разрабатываемой архитектуры Microsoft Universal Audio Architecture (UAA), которая предположительно увидит свет в следующих версиях Windows (см. врезку).

На отличиях HD Audio от АС'97, вне всякого сомнения, стоит остановиться поподробнее -- основные из них сведены в таблицу.

Основные преимущества HD Audio перед АС'97
AC'97	High Definition Audio	Преимущества HD Audio
Максимальная пропускная способность 11,5 MBps	48 MBps на каждый выходной канал, 24 MBps на каждый входной канал	Более широкая пропускная способность для поддержки большего числа каналов звучания и количества микрофонов
Фиксированное распределение полосы пропускания	Динамическое распределение полосы пропускания	Обеспечение необходимой пропускной способности на нужном участке
Использование выделенного DMA	Использование DMA общего назначения	Поддержка многопоточности либо множества однотипных устройств
Однопоточность (по входу и выходу)	Поддержка многопоточности (по входу и выходу)	Поддержка новых моделей использования "цифровой дом"/ "цифровой офис"
Выделенный тактовый генератор для кодека	Тактирование от системного тактового генератора (через ICH)	Единственный высококачественный стабильный источник синхронизации
Стабильность работы зависит от поставщика ПО (разработчика драйверов)	Единственный UAA-драйвер от Microsoft	Единственный драйвер для обеспечения лучшей стабильности ОС и предоставления основных функций
Ограниченное автоопре­деление подключаемого устройства/переназначение разъемов	Полное автоопределение подключаемого устройства/ переназначение разъемов	Полная поддержка Plug'n'Play в аудио
Поддержка двухэлементного (стерео) микрофонного массива	Поддержка 16-элементного микрофонного массива	Более точные и высококачественные голосовой ввод и распознавание речи

Большая полоса пропускания интерфейса HD Audio позволяет создавать многоканальные (до 7.1) аудиорешения с возможностью поканального воспроизведения аудиоданных высокого разрешения (до 32 бит/192 kHz). Это обеспечивает поддержку наиболее совершенных на сегодняшний день цифровых аудионосителей -- DVD Audio и SACD.

Вместе с тем, как отмечает менеджер Intel по технологическим инновациям Томас Лоза (Thomas Loza), архитектура HD Audio обеспечивает лишь потенциальную техническую возможность воспроизведения аудио высокого разрешения на ПК. Чтобы она стала реальностью, индустрии совместно с альянсом DVD Audio предстоит решить одну из самых наболевших на сегодняшний день проблем -- защиты авторских прав. Существующие спецификации HD Audio не предусматривают каких-либо средств DRM (Digital Rights Management), равно как и защиты содержимого носителя (content protection), и они должны будут разрабатываться и воплощаться отдельно.

Следующей особенностью, на которой особо акцентирует внимание Intel, является поддержка HD Audio нескольких потоков. Это значит, что в архитектуре заложена возможность одновременного воспроизведения (и записи) нескольких потоков аудио для ряда выходных (входных) устройств. В свете активизации внимания индустрии к концепциям "цифрового дома" и "цифрового офиса" она выглядит особенно привлекательно -- благодаря ей один и тот же ПК можно будет использовать для "озвучивания" нескольких помещений и доставки различного аудио-контента каждому отдельному слушателю.

Подразумевается также, что от этого выиграют и компьютерные игры -- теперь станет возможным полное разделение голосового общения между игроками и озвучивания игрового процесса -- в том числе и на разные выходные устройства. Сегодня разработчикам игр приходится микшировать эти два аудиопотока в один, но со временем такая необходимость отпадет -- например, в то время как звуковое сопровождение игры будет воспроизводиться на 7.1-канальной акустической системе, игрок сможет общаться с товарищами по команде с помощью отдельной гарнитуры.

Что касается вопроса синхронизации и тактирования работы кодека, то здесь подход по сравнению с АС'97 ревизии 2.3 изменился радикально. Использование отдельного тактового генератора с частотой 24,576 MHz для кодека было удобно, так как он позволял легко получать нужные для ЦАП частоты, а его размещение на плате относительно контроллера не влияло на джиттер (jitter). Согласно же HD Audio отныне синхронизация задается контроллером, и сигнал от его генератора с частотой 24 MHz кодеки (а их может быть несколько, это подразумевает многопоточность) должны самостоятельно переводить в необходимые частоты сэмплирования.

Поддержка микрофонных массивов на сегодняшний день выглядит не слишком востребованно, так как голосовое управление и распознавание речи были и остаются экзотикой. Но не стоит забывать, что значительные аппаратные ресурсы, которые требуются для успешного решения этих задач, появились относительно недавно -- с последним поколением настольных ПК. Таким образом, не исключено, что данные технологии будут находить все более широкое распространение, особенно в свете футуристических концепций Intel -- "цифровой дом" и "цифровой офис".

Отдельно стоит остановиться на проблеме автоопределения подключаемых устройств и переназначения разъемов. Первые попытки реализовать элементы данной концепции существовали еще в АС'97, но HD Audio предусматривает здесь гораздо более полную функциональность.

Существуют несколько видов связанных с аудиоразъемами событий (jack events):

• детектирование наличия (presence detection). Происходит при вставке разъема в гнездо. В спецификации HD Audio определяется конкретный метод детектирования;
• распознавание устройства (sensing). С помощью измерения некоторых электрических характеристик подключенного устройства (в частности, импеданса) производится определение его типа. На сегодняшний день уже существуют наработки, позволяющие выполнять эту операцию с достаточной степенью достоверности;
• переназначение функций (retas-king). Функциональность любого разъема может быть изменена в соответствии с потребностями подключенного устройства, это достигается физической перекоммутацией (rerouting) выводов АЦП и ЦАП.

HD Audio -- встречаем новый стандарт

На сегодняшний день о поддержке архитектуры Intel High Definition Audio объявило большинство ведущих производителей кодеков и мультимедийных продуктов. И это неудивительно, так как для компьютерной индустрии жизненно важно идти в ногу с изменениями и новыми технологиями из других отраслей -- потребительской электроники и индустрии развлечений. Теперь, с появлением HD Audio, пользователи получат возможность реализовывать ультрасовременные и вместе с тем доступные системы домашнего кинотеатра на базе ПК с поддержкой воспроизведения многоканального аудиоконтента высокого разрешения.

Остается только порадоваться последовательности компании Intel, -постепенно воплощающей в жизнь концепции "цифрового дома" и "цифрового офиса" и в связи с этим подготавливающей соответствующие аппаратные "кирпичики", из которых они и будут строиться. Ведь многие нововведения, появившиеся в HD Audio, самым непосредственным образом касаются будущих технологий -- например, многопоточность позволит реализовать доступные и качественные решения для озвучивания помещений (multiroom audio) от единственного источника -- ПК. Будем надеяться, что увидим их "во плоти" в самое ближайшее время.

Автор: Михаил Нефедов
Источник: www.itc.ua