Компьютер и музыка

Денис Дубровский

Итак, в общих чертах вы знаете каким образом происходит процесс создания музыки в современных профессиональных студиях. Теперь мы перейдем к знакомству с компьютерами, звуковыми картами, MIDI-клавиатурами и многочисленными программами для создания музыки В этой главе мы узнаем как работает компьютер и все его звуковые приложения.

Музыкальное рождение PC

Любой цифровой профессиональный синтезатор по сути представляет из себя специализированный компьютер. Как и в персональном компьютере, у него есть микропроцессор, оперативная и постоянная память, средства ввода/вывода информации и т.д. От обычного компьютера его отличает только блок синтеза звука (звуковой модуль) и высококачественные цифро-аналоговые преобразователи.

Необходимость в озвучивании компьютера появилась, как это ни смешно, в результате развития игр. Гораздо приятнее было гонять маленького человечка по лабиринту в сопровождении незатейливой мелодии, раздающейся из маленького динамика, чем просто так. Различные производители стали устанавливать в машины простейшие блоки синтеза и воспроизведения звука. А фирма Apple оснастила свои компьютеры MIDI-интерфейсом, что сразу же привлекло профессионалов, и начиная с середины 80-х годов, Apple Macintosh стал таким же привычным студийным устройством как и микшер. MIDI-интерфейс появился и на машинах производства фирмы Atari.

IBM-совместимые компьютеры довольно долго оставались в стороне от этих новых течений. Встроенный динамик вполне удовлетворял и разработчиков игр, и пользователей. Но вечно так продолжаться не могло, и в 1988 году никому неизвестная сингапурская фирма Creative Labs выпустила специализированную плату расширения для озвучивания игр, которая получила название Game Blaster. На плате был установлен специально разработанный чип FM-синтезатора C/MS, и пара незатейливых преобразователей для ввода/вывода звука. Цена новинки была довольно высокой - около 400 долларов, и, поэтому Game Blaster широкого распространения не получил.

В это же время канадская фирма Ad Lib выпустила свою версию звуковой карты. На ней стоял чип FM-синтезатора YM3812, который фирма Yamaha использовала для производства игрушечных музыкальных инструментов. В остальном карта Ad Lib совершенно ничем не отличалась от Game Blaster’а. Качество звука синтезатора на основе чипа фирмы Yamaha было выше, чем у C/MS, поэтому де-факто именно Ad Lib стал тогда стандартом.

Но Creative Labs не замедлили с ответом и создали звуковую карту Sound Blaster, которая была представлена на суд публики в 1989 году на выставке COMDEX в Лас-Вегасе. Сингапурские “звуковых дел мастера” пошли по пути наименьшего сопротивления и просто купили у Yamaha лицензию на YM3812 и заявили о полной совместимости своего изделия со стандартом Ad Lib. Но на новинке появился MIDI-интерфейс, а качество звука в аудиотракте улучшилось за счет установки модифицированных преобразователей. Все эти новшества сыграли решающую роль в выборе Sound Blaster’а в качестве основы для спецификации MPC (Multimedia PC) компании Microsoft.

С этого момента и начинается применение РС в музыке - наличие в спецификации MPC MIDI-интерфейса сделало эту платформу привлекательной для разработчиков программных секвенсеров, которые не могли упустить случая закрепиться на новом рынке. А цена на IBM PC-совместимые компьютеры всегда была в два раза ниже, чем на близкие по мощности Macintosh, что выглядело очень привлекательно в глазах музыкантов - потенциальных покупателей компьютерных систем. Платформа Atari в качестве серьезного конкурента PC и Mac никогда не рассматривалась из-за меньшей производительности и отсутствия универсальности - она изначально создавалась для компьютерных игр и таковой до своего конца и осталась.

После принятия спецификации MPC очень многие компании стали выпускать клоны Sound Blaster и Ad Lib, а также создавать свои собственные оригинальные разработки. Обострившаяся конкуренция не могла не сказаться на цене звуковых карт, и в результате, в начале 90-х годов практически любой пользователь PC мог себе позволить играть на компьютере со звуковым сопровождением.

Но дешевые чипы FM-синтезаторов производства Yamaha не могли удовлетворить все возрастающие потребности слушателей, поэтому компании, выпускающие звуковые карты начали устанавливать на свои изделия чипы синтезаторов, работающие по принципу воспроизведения семплов (sample playback). В мультимедийной терминологии этот принцип получил не совсем верное название Wave Table (мы уже говорили об этом в предыдущей главе). К профессиональным синтезаторам эти разработки, за редким исключением, имели очень далекое отношение - в целях их удешевления нещадно урезался объем постоянной памяти и применялись алгоритмы компрессии, которые сильнее “упаковывали” образцы, но в результате ухудшали звук.

А некоторые фирмы пошли дальше и предложили свои разработки именно музыкантам. Конечно, качество звука этих карт еще не было по настоящему студийным, но производители создавали их для работы над демонстрационными записями, к которым предъявляются довольно мягкие требования. Среди первых была фирма Turtle Beach [тартл бич], которая в 1992 году выпустила эпохальное устройство Multisound. На нем был установлен чип от профессионального звукового модуля E-mu Proteus 1/XR, а качество оцифровки звука было выше всяческих похвал для техники такого жанра. Цена в 900 долларов не выглядела чрезмерной для этой уникальной звуковой платы.

Параллельно с усовершенствованием мультимедийных Wave Table синтезаторов шла работа над доработкой аудиотракта. В результате сегодняшние дешевые звуковые карты записывают и воспроизводят “живые” музыкальные инструменты не хуже бытовых магнитофонов, а некоторые из них уже довольно близко подобрались по качеству звучания к студийной технике.

Последнее время на дорогих мультимедийных картах стали появляться цифровые входы и выходы формата SPDIF. Цифровой интерфейс позволяет избежать потерь качества при записи с цифровых источников (CD-плейер, минидиск, DAT-магнитофон). А если для оцифровки “живых” музыкальных инструментов использовать внешние дорогие студийные преобразователи (см. Приложение 3), то можно говорить о том, что на мультимедийной технике достигнуто студийное качество записи звука.

С середины 90-х годов лучшие мультимедийные звуковые карты начали стремительно приближаться к профессиональным устройствам по качеству звучания. Но и со стороны производителей профессиональной техники наметился поворот в сторону платформы PC. Все больше синтезаторов и звуковых модулей оборудуется последовательным интерфейсом для подключению к соответствующему порту компьютера. Для PC сейчас уже есть мощные секвенсеры, программы для профессиональной записи на жесткий диск и CD-мастеринга. Появляется все больше серьезных студийных комплексов многоканальной записи, использующих PC в качестве управляющего элемента. Причем, процесс этот, похоже, принял необратимый характер и в настоящий момент именно PC рассматривается большинством ведущих производителей студийной техники в качестве основы для новых разработок.

Платы расширения, системные шины и ресурсы

Почему IBM PC совместимые компьютеры выдержали жесточайшую конкурентную борьбу с другими платформами, несмотря на то, что они никогда не были на первых местах по производительности? Все дело в том, что PC обладают открытой архитектурой, то есть компьютер выходит с завода в минимальной конфигурации, а для его модернизации предусмотрены специальные “посадочные места” или слоты расширения для установки специализированных плат. Это позволяет приспосабливать компьютер для любого типа деятельности или легко интегрировать его в уже существующие системы.

Для использования в музыкальных целях компьютер приспосабливается именно таким образом - в слоты расширения устанавливается одна или несколько звуковых плат и инсталлируются программы. К звуковым платам подключается все специализированные устройства - микшеры, микрофоны, MIDI-клавиатуры и т.д. Все процессы преобразования и синтеза звука происходят именно в звуковой карте, а компьютер только управляет ей и производит всю дальнейшую обработку полученных данных.

Вы наверняка видели различные платы расширения - видеокарты, модемы или SCSI [скази] адаптеры. Они устанавливаются на материнскую плату в слоты системных шин ISA [иса] или PCI [пи-си-ай]. На любой материнской плате вы можете обнаружить, как правило, 2-4 слота ISA и 3-6 слотов PCI. Звуковые карты также существуют двух типов: традиционные, рассчитанные на шину ISA, и новые, предназначенные для установки в слоты PCI.

Шиной в компьютере называется совокупность однотипных каналов передачи данных вместе с устройствами согласования (контроллерами), которые предназначены для организации взаимодействия процессора, памяти и любых периферийных устройств. Упрощено, шину можно представить как пучок проводов, который с одной стороны подключен к платам расширения, а с другой стороны - к процессору через специальные схемы согласования. Процессор передает по этим проводам управляющие сигналы, а платы передают данные для обработки.

Естественно, ключевым параметром любой шины будет пропускная способность - количество данных, которые можно передать по ней за единицу времени. От пропускной способности зависит количество одновременно работающих периферийных плат и способность работы со специализированными устройствами, которые требуют передачи большого объема данных.

Шина ISA (Industry Standard Architecture - Архитектура индустриального стандарта) создавалась в эпоху 386 процессоров. Тогда в ее слоты устанавливались и видеокарты, и контроллеры жестких дисков, и звуковые карты, и модемы - пропускной способности 16 Мб/с вполне хватало для обслуживания всех этих устройств. Но с появлением мониторов стандарта VGA и оболочки Windows такой пропускной способности стало не хватать - приходилось передавать на видеосистему слишком большое количество данных. Поэтому производители компьютеров разработали сразу несколько стандартов системных шин, которые должны были заменить шину ISA.

В результате конкурентной борьбы победу одержала шина PCI (Peripheral Component Interconnect - Взаимосвязь Периферийных Компонентов). Она обеспечивает пропускную способность 132 Мб/с. Большинство современных периферийных устройств рассчитано для работы именно с ней.

Шина PCI изначально создавалась под стандарт Plug’n’Play [плаг-эн-плэй], который позволяет автоматически конфигурировать системные ресурсы (о них чуть позже). Поэтому все PCI карты гораздо проще в установке, чем аналогичные устройства, для шины ISA. Конечно, все современные звуковые карты поддерживают стандарт PnP, но установка любой периферии на шину ISA может вызывать всевозможные проблемы, так как конфигурирование осуществляется на уровне операционной системы, а не на уровне аппаратной части компьютера, как в случае с PCI.

Кроме этого, у шины PCI есть еще одно преимущество. Любая быстрая ISA карта, в том числе и звуковая, использует специальные каналы прямого доступа к памяти - DMA (Direct Memory Access). PCI устройство работает с памятью напрямую, обмениваясь данными через локальную шину и ему не требуется каналов DMA. То есть экономятся ресурсы компьютера - вы можете их использовать для другой периферии.

В современных компьютерах есть всего семь каналов DMA, причем один из них используется для работы самого контроллера. А многие ISA устройства позволяют работать только с определенными каналами. Отсюда вытекает еще одно ограничение шины ISA - невозможность установки нескольких устройств, использующих одинаковые каналы DMA. Для нашей музыкальной студии это означает, что нельзя будет устанавливать в компьютер несколько однотипных звуковых карт, которые используют DMA (если только такая возможность специально не предусмотрена производителем). Если у вас уже установлена ISA карта, то расширять функциональные возможности студии скорее всего можно будет лишь при помощи PCI карт или специальных ISA карт, которые не используют DMA. Не удивляйтесь, две-три звуковые карты, установленные в одном компьютере - это норма для очень многих современных музыкантов.

К счастью, все больше производителей звуковой периферии обращает свой взор на шину PCI, поэтому скоро проблем с установкой однотипных устройств больше не будет.

Но даже шина PCI имеет ограничение на количество устанавливаемых на ней устройств. Теоретически, она позволяет держать в компьютере 10 независимых плат расширения, но на практике это число меньше. Во-первых оно ограничено количеством свободных слотов. На современных материнских платах обычно устанавливается 3-5 слотов PCI. Во-вторых оно зависит от наличия свободных линий аппаратных прерываний (IRQ).

Прерывания - это специальные сигналы, которые поступают к процессору от различных периферийных устройств, в результате чего он останавливает выполнение текущей последовательности команд и начинает выполнять цепочку, соответствующую прерыванию. В одно и то же время процессор может обслуживать только одно событие, а переключаться между ними ему помогает контроллер прерываний, который обрабатывает поступающие от периферийных устройств сигналы.

В компьютере есть всего 15 линий IRQ (есть еще программные прерывания, но они нас пока мало интересуют). Из них обычно свободны всего 4 (если включены 2 COM-порта, 1 LPT, и в компьютере установлен дисковый интерфейс EIDE [и-айди], который использует сразу 2 прерывания). А так как многие периферийные устройства, в том числе и звуковые платы, используют не одно прерывания, а больше, то реально в компьютер можно установить три-четыре платы расширения (это если еще отключить один из COM-портов или отказаться от принтера).

Собственно, вся установка звуковых карт в компьютер и вертится вокруг конфигурирования только что описанных системных ресурсов. Есть еще и адреса, по которым процессор находит то или иное устройство, но их в компьютере всего 65536, то есть более чем достаточно для присвоения той или иной плате расширения.

Функционирование звуковых плат

Теперь мы с вами знаем при помощи каких устройств происходит “общение” звуковой карты и компьютера. Теперь давайте разберемся с самими звуковыми картами. Представление об их архитектуре поможет нам в дальнейшем, при настройке программного обеспечения.

Сейчас есть множество типов звуковых карт: универсальные, карты-синтезаторы, оцифровщики звука, многоканальные аудиоинтерфейсы, MIDI-интерфейсы, семплеры и др. Мы займемся именно универсальными мультимедийными платами, так как они наиболее распространены среди музыкантов-любителей и небогатых профессионалов. “Прародителями” таких плат были уже упоминавшиеся выше Sound Blaster и Ad Lib, поэтому “в народе” их нередко называют “саунд бласте-рами” (на самом деле, это справедливо ровно настолько, насколько любой копировальный аппарат справедливо называть “ксероксом”). Информацию об остальных типах карт вы можете найти в Приложении 3.

9
Рис. 3.1. Схема мультимедийной звуковой карты

Итак, звуковая карта “начинается” со входов (Рис. 3.1), которые расположены на металлической панели, выходящей на заднюю стенку системного блока. Ко входам подключаются внешние аудиоустройства - микрофоны, магнитофоны, электрогитары и т.д. На нашем рисунке показаны 4 входа. Если у вас уже есть звуковая плата, то вы должны быть знакомы с Line In и Mic In - линейным и микрофонным входами. Они обычно выполнены на разъемах типа “мини-джек” (такие разъемы используются для подключения наушников в портативных плейерах). Отдельный вход Mic In предусмотрен из-за того, что у микрофонов сигнал имеет низкий уровень и его нужно усиливать до нормального уровня (0 дБ), перед тем, как направлять на преобразователь. Поэтому на микрофонных входах звуковой карты всегда установлен предусилитель - небольшая схема, повышающая уровень сигнала но нормального (линейного) уровня.

На некоторых типах звуковых плат установлен дополнительный вход Aux In. Если вы посмотрите на Рис. 3.1, то увидите, что сигнал с этого входа минует основные устройства звуковой платы и поступает на выходной микшер, а оттуда - сразу на выход. Этот вход позволяет упростить коммутацию внешних устройств и использовать внутренний микшер звуковой платы для смешивания сигналов со внешнего и внутренних источников. Например, если у вас есть автономный синтезатор, то можно его выход подключить в Aux In и все, что вы играете будет слышно в колонках, подключенных к звуковой карте. Aux In тоже обычно делается на разъеме типа “мини джек”.

Вход проигрывателя компакт-дисков как правило расположен не на задней панели звуковой платы, а прямо на ней, среди микросхем и других радиодеталей. Если у вас есть привод CD-ROM, то можно связать его выход с этим входом звуковой карты. Такое соединение позволит слушать аудио компакт-диски и оцифровывать звук прямо с привода. Чтобы обнаружить на вашей звуковой карте вход CD-ROM надо всего лишь прочитать руководство пользователя.

Кроме всех перечисленных входов, на задней панели звуковой карты обычно есть 15-пиновый разъем MIDI/джойстик порта, который служит для подключения любых внешних MIDI-устройств (синтезаторов, MIDI-клавиатур и т.д.) или джойстика, если карта используется для игр. На специализированных звуковых картах MIDI-порт может иметь не стандартный 15-пиновый разъем, а любой другой. Но в этих случаях всегда прилагается особый переходник. А для подключения внешних MIDI-устройств к стандартному порту практически во всех магазинах, торгующих мультимедийной техникой продается стандартный-же переходник.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают на входной микшер звуковой платы (Рис. 3.1). Он работает точно так же, как и обычные пульты, с той только разницей, что все управление происходит программно. В комплект служебных программ любой звуковой карты входит программа микшера. Она есть и в стандартных комплектах поставки Windows 95 и 98.

Входной микшер нужен для того, чтобы установить оптимальный уровень записи. В первой и второй главах мы достаточно подробно останавливались на проблеме уровня записи. Вы должны помнить, что цифровая техника очень чувствительна к превышению уровня 0 дБ - при этом возникают неприятные искажения. А слишком же низкий уровень записи не позволит передать весь динамический диапазон записываемого музыкального инструмента. То есть любая работа по записи “живого” звука в вашей студии будет начинаться именно с регулировки уровня сигнала при помощи входного микшера звуковой карты.

После аналого-цифрового преобразования, данные поступают в сигнальный процессор (DSP - Digital Signal Processor) - сердце звуковой платы. Этот процессор управляет обменом данными со всеми остальными устройствами компьютера через шину ISA или PCI. Если центральный процессор выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера (это зависит от выполняемой программы). В дальнейшем вы можете этим данным присвоить любое имя - получится звуковой файл.

При воспроизведении этого звукового файла данные с жесткого диска через шину поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро-аналоговый преобразователь (Рис. 3.1). Электрический сигнал, получившийся в результате преобразования, в свою очередь, поступает на выходной микшер. Этот микшер практически идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы (у нее существует два разных окна для входных и выходных сигналов).

Чтобы работать с современными музыкальными программами звуковая карта должна поддерживать запись в режиме full duplex [фулл дуплекс]. При записи в этом режиме сигнальный процессор одновременно может работать с двумя потоками цифровых аудиоданных: идущих с АЦП через шину к другим устройствам компьютера, и поступающих с жесткого диска на ЦАП. То есть режим full duplex - это запись одновременно с воспроизведением. Благодаря этому режиму можно использовать звуковую карту как многоканальный магнитофон.

На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть синтезатор. Последнее время практически на всех картах устанавливается не один, а два синтезатора: FM - для сохранения совместимости с Sound Blaster и Ad Lib, и Wave Table - для получения качественного звука. Именно эти синтезаторы показаны на рисунке.

Исторически так сложилось, что FM-синтезаторы звуковых плат звучат не очень хорошо. Как правило, на современные мультимедийные карты устанавливаются наборы микросхем (чипсеты) FM-синтезаторов производства Yamaha под названием OPL-2, OPL-3 или совместимые с ними. В музыкальных приложениях такие синтезаторы не применяются - они нужны исключительно для звукового сопровождения игр. Так что не нужно переносить оценку мультимедийных FM синтезаторов на профессиональные модели.

Мультимедийные Wave Table синтезаторы позволяют получить уже более приличный звук. В прошлой главе мы достаточно подробно рассказывали, как работают sample playback устройства. Синтезаторы звуковых карт работают практически идентично (они представляют из себя скорее звуковые модули, чем синтезаторы). Но некоторые фирмы-производители мультимедийной техники не только копируют в автономные музыкальные инструменты, но и расширяют их функциональные возможности.

На Рис. 3.1. вы видите, что у Wave Table синтезатора есть не только постоянная память (ROM), но и оперативная (RAM). Как вы уже знаете, оперативной памятью обладают семплеры, и используется она для загрузки любых звуковых файлов, которые проигрываются с разной высотой при нажатии клавиш на подключенной клавиатуре или поступлении команд от секвенсера. То есть Wave Table синтезатор, имеющий оперативную память помимо постоянной - это ни что иное, как комбинация синтезатора и семплера, которая может выполнять функции обоих устройств. Это означает, что вы можете использовать как образцы звучания, хранящиеся в постоянной памяти, так и загружать в оперативную память дополнительные библиотеки или создавать свои собственные звуки. Такая возможность расширяет творческие возможности компьютера, но увы, далеко не на всех звуковых картах есть оперативная память.

Чтобы синтезаторы, установленные на звуковой карте можно было использовать в качестве музыкальных инструментов к MIDI/джойстик порту подключают либо MIDI-клавиатуру, либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры. Сигналы, поступающие с клавиатуры подаются в процессор (Рис. 3.1), который направляет их либо через системную шину к центральному процессору, либо к синтезаторам звуковой карты. Путь MIDI-сигнала зависит от выполняющихся программ - в любом развитом программном секвенсере можно коммутировать MIDI порты и устройства произвольным образом.

Каждый из синтезаторов, установленных на звуковой карте имеет свой собственный ЦАП. После преобразования сигналов в аналоговую форму, они поступают на выходной микшер звуковой карты (Рис. 3.1). То есть вы можете устанавливать необходимый баланс синтезаторов, аудиотракта и аудиоустройства, подключенного к дополнительному (aux) входу. Такая возможность оказывается крайне полезной при окончательном микшировании композиций, записанных при помощи компьютера. А итоговый микс поступает на линейный выход (Line Out), который также, как и входы находится на задней панели звуковой карты.

Несколько лет назад на универсальных звуковых картах появились специальные разъемы, предназначенные для установки “дочерних” карт-синтезаторов. Дочерняя карта просто “надевается” сверху на основную и использует ее аудиотракт для вывода сигнала. Первоначально такое решение предназначалось для улучшения звучания карт, не имеющих Wave Table синтезатора “на борту”. По названию первой “дочерней” карты эти разъемы стали называться “разъем Wave Blaster”. Сейчас все больше универсальных карт уже имеют вполне приемлемые синтезаторы и “дочерние” карты используются, в основном, для расширения функциональных возможностей студии.

Вот, вкратце, все устройство универсальной мультимедийной звуковой карты. Все специализированные музыкальные платы работают точно таким же образом, только на них нет тех или иных элементов. Например, на картах-синтезаторах установлен только MIDI-интерфейс и качественный Wave Table синтезатор. Карты-оцифровщики имеют хорошие АЦП и ЦАП, сигнальный процессор и ничего больше и т.д.