Todos necesitan una herramienta para trabajar. Dio la casualidad de que se comenzó a llamar a una persona razonable precisamente desde el momento en que se utilizó la herramienta para cualquier tipo de actividad (la redacción es poco convincente, pero en general lo es). En realidad, cualquier músico, siendo una persona razonable, debería ser capaz de poseer, al menos en cierta medida, un instrumento musical. Sin embargo, en el marco de este artículo, no nos centraremos en un instrumento musical en el sentido habitual (guitarra, piano, triángulo …), sino en un instrumento que sea más necesario para procesar una señal de audio. Se trata de la interfaz de sonido.
Base teórica
Hacemos una reserva de inmediato, la interfaz de sonido, la interfaz de audio, la tarjeta de sonido, como parte de la presentación, son sinónimos contextuales. En general, una tarjeta de sonido es un subconjunto de la interfaz de sonido. Desde el punto de vista del análisis del sistema, una interfaz es algo diseñado para la interacción de dos o más sistemas. En nuestro caso, los sistemas pueden ser algo como esto:
- dispositivo de grabación de sonido (micrófono) – sistema de procesamiento (computadora);
- sistema de procesamiento (computadora): un dispositivo de reproducción de sonido (altavoces, auriculares);
- híbridos 1 y 2.
Formalmente, todo lo que una persona simple necesita de la interfaz de sonido es eliminar los datos del dispositivo de grabación y entregarlos a la computadora, o viceversa, para tomar los datos de la computadora y enviarlos al dispositivo de reproducción. Durante el paso de la señal a través de la interfaz de audio, se realiza una conversión de señal especial para que el lado receptor pueda procesar esta señal en el futuro. El dispositivo de reproducción (final) de alguna manera reproduce una señal analógica o sinusal, que se expresa como un sonido o una onda elástica. Una computadora moderna trabaja con información digital, es decir, información que está codificada en forma de una secuencia de ceros y unos (en un lenguaje más preciso, en forma de señales de bandas discretas de niveles analógicos). Por lo tanto, la interfaz de sonido está sujeta a la obligación de convertir la señal analógica a digital y / o viceversa, que en realidad es el núcleo de la interfaz de sonido: convertidor digital a analógico y analógico a digital (DAC y ADC o DAC y ADC, respectivamente), así como la unión a en forma de códec de hardware, todo tipo de filtros, etc.
Las PC modernas, computadoras portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes, etc., por regla general, ya tienen una tarjeta de sonido incorporada, que le permite grabar y reproducir sonidos, si tiene dispositivos de grabación y reproducción.
Aquí es donde surge una de las preguntas más frecuentes:
¿Puedo usar la tarjeta de sonido incorporada para grabar y / o procesar sonido?
La respuesta a esta pregunta es muy ambigua.
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¿Cómo funciona una tarjeta de sonido?
Veamos qué sucede con la señal que pasa a través de la tarjeta de sonido. Para empezar, intentemos comprender cómo una señal digital se convierte en analógica. Como se mencionó anteriormente, se utiliza un DAC para este tipo de conversión. No entraremos en la jungla del relleno de hardware, considerando varias tecnologías y la base del elemento, simplemente denotamos en los dedos lo que está sucediendo en el hardware.
Entonces, tenemos una cierta secuencia digital, que es una señal de audio para la salida al dispositivo.
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Aquí, las flores marcan pequeñas piezas de sonido codificadas. Un segundo de sonido puede codificarse con un número diferente de tales piezas, el número de estas piezas está determinado por la frecuencia de muestreo, es decir, si la frecuencia de muestreo es 44.1 kHz, entonces un segundo de sonido se dividirá en 44100 de esas piezas. El número de ceros y unos en una pieza está determinado por la profundidad de muestreo o cuantización, o, simplemente, la profundidad de bits.
Ahora, para imaginar cómo funciona el DAC, recordemos el curso de geometría de la escuela. Imagine que el tiempo es el eje X, el nivel es Y. En el eje X, observe el número de segmentos que corresponderán a la frecuencia de muestreo, en el eje Y – 2n segmentos que indicarán el número de niveles de muestreo, después de lo cual, marque gradualmente los puntos que corresponderán niveles de sonido específicos.
Vale la pena señalar que, en realidad, la codificación de acuerdo con el principio anterior se verá como una línea discontinua (gráfico naranja), sin embargo, la llamada aproximación a una sinusoide, o simplemente la aproximación de la señal a la forma de una sinusoide, lo que conducirá a niveles de suavizado (gráfico azul).
Algo como esto se verá como una señal analógica, que se obtiene como resultado de la decodificación digital. Vale la pena señalar que la conversión de analógico a digital se realiza exactamente lo contrario: cada frecuencia de muestreo de 1 / segundo, el nivel de señal se toma y codifica en función de su profundidad de muestreo.
Entonces, cómo funcionan los DAC y los ADC (más o menos), ahora vale la pena considerar qué parámetros afectan la señal final.
Los principales parámetros de la tarjeta de sonido.
Al revisar el funcionamiento de los convertidores, nos encontramos con dos parámetros principales, esta es la frecuencia y la profundidad de muestreo, los consideraremos con más detalle.
La frecuencia de muestreo es, aproximadamente, el número de segmentos de tiempo en los que se divide 1 segundo de sonido. ¿Por qué es tan importante para los hombres de sonido tener una tarjeta de sonido que sea capaz de operar a una frecuencia superior a 40 kHz? Esto se debe a la llamada El teorema de Kotelnikov (sí, de nuevo, las matemáticas). Si es trivial, de acuerdo con este teorema, en condiciones ideales, una señal analógica puede restaurarse desde una discreta (digital) de forma arbitraria y precisa si la frecuencia de muestreo es superior a 2 rangos de frecuencia de esta misma señal analógica . Es decir, si estamos trabajando con el sonido que escucha una persona (~ 20 Hz – 20 kHz), entonces la frecuencia de muestreo será (20 000 – 20) x2 ~ 40 000 Hz, de ahí el estándar de facto 44,1 kHz, esta es la frecuencia de muestreo más precisa codifica la señal y un poco más (esto es, por supuesto, exagerado, ya que Sony establece este estándar y los motivos son mucho más prosaicos). Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esto está en condiciones ideales. En condiciones ideales, se entiende lo siguiente: la señal debe extenderse infinitamente en el tiempo y no tener singularidades en forma de potencia espectral cero o ráfagas de pico de gran amplitud. No hace falta decir que una señal analógica de audio típica no se ajusta a las condiciones ideales, ya que esta señal es finita en el tiempo y tiene ráfagas y va a «cero» (más o menos, tiene intervalos de tiempo).
La profundidad de muestreo o profundidad de bits es el número de grados del número 2, que determina cuántos intervalos se dividirá la amplitud de la señal. Una persona, debido a la imperfección de su aparato de sonido, por lo general, se siente cómodo en la percepción con una profundidad de bits de al menos 10 bits, es decir, 1024 niveles, es poco probable que una persona sienta un aumento adicional en la profundidad de bits, lo que no se puede decir sobre la tecnología.
Como se puede ver en lo anterior, al convertir una señal, la tarjeta de sonido hace ciertas «concesiones».
Todo esto lleva al hecho de que la señal resultante no repetirá exactamente el original.
Problemas para elegir una tarjeta de sonido
Entonces, un ingeniero de sonido o músico (elija el suyo) compró una computadora con un nuevo sistema operativo, un procesador genial, una gran cantidad de RAM con una tarjeta de sonido incorporada en la placa base instalada de fábrica, tiene salidas para proporcionar un sistema de sonido 5.1, el DAC-ADC tiene una frecuencia de muestreo de 48 kHz (¡esto ya no es 44.1 kHz!), resolución de 24 bits, y así sucesivamente … Para celebrar, el ingeniero instala un software de grabación de sonido y descubre que esta tarjeta de sonido no puede «tomar» sonido simultáneamente, aplicar efectos y es instantáneamente instantáneo pero reproducir El sonido puede ser de muy alta calidad, pero entre el momento en que el instrumento toca la nota, la computadora procesa la señal y reproduce una cierta cantidad de tiempo o, para decirlo simplemente, ocurre un retraso. Es extraño, porque el consultor de Eldorado elogió mucho esta computadora, fue crucificado por una tarjeta de sonido y en general … y aquí … eh. Con pena, el ingeniero regresa a la tienda, entrega la computadora comprada, paga una suma fabulosa adicional para devolver una computadora con un procesador aún más potente, una gran cantidad de RAM, una tarjeta de sonido a 96 (!!!) kHz y 24 bits y … Al final, lo mismo.
De hecho, las computadoras típicas con tarjetas de sonido incorporadas típicas y controladores de stock para ellas no están diseñadas originalmente para procesar y reproducir sonido en un modo cercano al tiempo real, es decir, no están destinadas al procesamiento VST-RTAS. El punto aquí no está en absoluto en el relleno «básico» en forma de un disco duro de memoria de acceso aleatorio del procesador, cada uno de estos componentes es capaz de tal modo de operación, el problema es que esta tarjeta de sonido, a veces, simplemente no puede «funcionar» en tiempo real .
Cuando cualquier dispositivo de computadora está funcionando, el llamado retrasos Esto se expresa en la expectativa del procesador del conjunto de datos que es necesario para el procesamiento. Además, al desarrollar tanto el sistema operativo como los controladores, así como el software de la aplicación, los programadores recurren a los llamados la creación de la llamada abstracciones de software, esto es cuando cada capa superior de código de programa «oculta» toda la complejidad de un nivel inferior, proporcionando a su nivel solo las interfaces más simples. A veces, decenas de miles de tales niveles de abstracción. Este enfoque simplifica el proceso de desarrollo, pero aumenta el tiempo que tardan los datos en pasar del origen al destinatario y viceversa.
De hecho, los retrasos pueden ocurrir no solo con las tarjetas de sonido incorporadas, sino también con las que están conectadas a través de USB, WireFire (aterrice para descansar bien), PCI, etc.
Para evitar este tipo de retraso, los desarrolladores utilizan soluciones alternativas que le permiten deshacerse de abstracciones innecesarias y transformaciones de software. Una de esas soluciones es el querido ASIO para Widows, JACK (que no debe confundirse con el conector) para Linux, CoreAudio y AudioUnit para OSX. Vale la pena señalar que OSX y Linux están funcionando bien sin muletas como Windows. Sin embargo, no todos los dispositivos son capaces de funcionar a la velocidad y precisión requeridas.
Digamos que nuestro ingeniero / músico pertenece a la categoría Kulibin y pudo configurar JACK / CoreAudio o hacer que su tarjeta de sonido funcione con el controlador ASIO de la compañía de artesanía popular.
En el mejor de los casos, de esta manera nuestro maestro redujo el retraso de medio segundo a casi 100 ms aceptables. El problema de los últimos milisegundos reside en todo lo demás y en la transmisión interna de la señal. Cuando la señal de la fuente pasa a través de la interfaz USB o PCI al procesador central, la señal supervisa el puente sur, que en realidad funciona con la mayoría de los periféricos y está directamente subordinada al procesador central. Sin embargo, el procesador central es un personaje importante y ocupado, por lo tanto, no siempre tiene tiempo para procesar el sonido en este momento, por lo que nuestro maestro tendrá que aceptar que estos 100 ms pueden «saltar» durante ± 50 ms si no más La solución a este problema puede ser comprar una tarjeta de sonido con su propio chip para el procesamiento de datos o DSP (Procesador de señal digital).
Como regla, la mayoría de todas las tarjetas de sonido «externas» (las llamadas tarjetas de sonido de juegos) tienen este tipo de coprocesador, sin embargo, es muy inflexible para el trabajo y está destinado esencialmente a «mejorar» el sonido reproducido. Las tarjetas de sonido que se diseñaron originalmente para procesar sonido tienen un coprocesador más adecuado o, en la versión marginal, dicho coprocesador se vende por separado. La ventaja de usar un coprocesador es el hecho de que si se usa, un software especial procesará la señal casi sin procesador central. La desventaja de este enfoque puede ser el precio, así como la «agudización» de los equipos para trabajar con software especial.
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Por separado, me gustaría señalar la interfaz entre la tarjeta de sonido y la computadora. Los requisitos aquí son bastante aceptables: para una velocidad de procesamiento suficientemente alta, interfaces como USB 2.0, PCI serán suficientes. La señal de audio no es realmente una gran cantidad de datos, como una señal de video, por lo que los requisitos son mínimos. Sin embargo, agregaré una mosca en la pomada: el protocolo USB no garantiza el 100% de la entrega de información del remitente al destinatario.
El primer problema se decidió: grandes retrasos al usar controladores estándar o un gran precio por usar una tarjeta de sonido con un retraso adecuado.
Anteriormente, decidimos que lograr una transmisión de señal analógica ideal no es una tarea tan fácil. Además de esto, vale la pena mencionar el ruido y los errores que ocurren durante la adquisición / conversión / transmisión de una señal como datos, porque, si recuerda la física, cualquier dispositivo de medición tiene su propio error, y cualquier algoritmo tiene su precisión.
Una broma del campo de la ingeniería de radio: en la comunicación por radio hay una llamada Códigos Q, designaciones de tres letras de varias preguntas y respuestas, utilizadas para reducir el número de caracteres transmitidos. Uno de los códigos no oficiales «QZZ» significa «¿Es un fondo de 60 Hz o está roncando?», Aquí 60 Hz es la radiación de fondo espuria de la frecuencia de CA.
Esta broma es muy indicativa en vista del hecho de que el funcionamiento de la tarjeta de sonido también se ve afectado por la radiación del equipo cercano, hasta el ultrasonido emitido por el procesador central durante la operación. A todo lo demás, vale la pena agregar distorsión a la característica de la señal grabada / reproducida que depende del dispositivo final (micrófono, pastilla, altavoces, auriculares, etc.). A menudo, para la comercialización, los fabricantes de varios dispositivos de sonido aumentan deliberadamente la posible frecuencia de una señal grabada / reproducida, de la cual una persona que estudió biología y física en la escuela tiene una pregunta muy consciente: «¿por qué si una persona no escucha fuera del rango de 20-20 kHz?». Como dicen, en cada verdad hay algo de verdad. De hecho, muchos fabricantes solo en papel indican mejores características de sus equipos. Sin embargo, si, sin embargo, el fabricante realmente fabricó un dispositivo que es capaz de capturar / reproducir una señal en un rango de frecuencia ligeramente mayor, vale la pena pensar en comprar este equipo al menos por un tiempo.
Aquí está la cosa. Todos recuerdan cuál es la respuesta de frecuencia, hermosos gráficos con irregularidades y otras cosas. Al emitir un sonido (considere solo esta opción), el micrófono lo distorsiona en consecuencia, lo que se caracteriza por irregularidades en su respuesta de frecuencia dentro del rango que «escucha».
Por lo tanto, al tener un micrófono que es capaz de capturar una señal dentro de los límites estándar (20-20k), obtenemos distorsión solo en este rango. Como regla general, las distorsiones obedecen a la distribución normal (recuerde la teoría de la probabilidad), con pequeñas intercalaciones de errores aleatorios. ¿Qué sucederá si, si todo lo demás es igual, ampliamos el rango de la señal grabada? Si seguimos la lógica, entonces el «límite» (el gráfico de densidad de probabilidad) se extenderá hacia el aumento del rango, desplazando así la distorsión más allá de los límites del rango audible de interés para nosotros.
En la práctica, todo depende del desarrollador del equipo y debe verificarse con mucho cuidado. Sin embargo, el hecho permanece.
Si volvemos a nuestro hardware, desafortunadamente, no todo es tan color de rosa. Al igual que las declaraciones de los desarrolladores de micrófonos y altavoces, el fabricante de tarjetas de sonido también suele mentir sobre los modos de funcionamiento de sus dispositivos. A veces, para una tarjeta de sonido en particular, puede ver que funciona en modo 96k / 24bit, aunque en realidad es lo mismo 48k / 16bit. Aquí, la situación puede ser que dentro del controlador el sonido se puede codificar con los parámetros especificados, aunque en realidad la tarjeta de sonido (DAC-ADC) no puede proporcionar las características necesarias y simplemente descartar los bits más altos en la profundidad de muestreo y omitir parte de las frecuencias en la frecuencia de muestreo. Esto en un momento muy a menudo pecó las tarjetas de sonido incorporadas más simples. Y aunque, como descubrimos para el oído humano, parámetros tales como 40k / 10bit son suficientes, esto no será suficiente para el procesamiento de sonido debido a las distorsiones introducidas durante el procesamiento de sonido. Es decir, si un ingeniero o un músico emitieron un sonido con un micrófono o una tarjeta de sonido promedio, en el futuro, incluso con los mejores programas y hardware, será muy difícil eliminar todo el ruido y los errores que se hicieron durante la fase de grabación. Afortunadamente, los fabricantes de equipos de audio semiprofesionales o profesionales no pecan así.
El último problema es que las tarjetas de sonido integradas simplemente no tienen suficientes conectores necesarios para conectar los dispositivos necesarios. De hecho, incluso un conjunto de caballeros en forma de auriculares y un par de monitores simplemente no tendrán a dónde conectarse, y tendrá que olvidarse de adornos como salidas con alimentación fantasma y controles separados para cada canal.
Total: lo primero que debe determinar para una mayor selección del tipo de tarjeta de sonido es lo que hará el maestro. Es probable que para el desbaste, cuando no sea necesario grabar en alta calidad o simular los «oídos» del oyente final, pueda haber suficiente tarjeta de sonido incorporada o externa, pero relativamente barata. También puede ser útil para músicos principiantes, si no son demasiado flojos para lidiar con la reducción de demoras en el procesamiento en tiempo real. Para los maestros que se dedican exclusivamente al procesamiento fuera de línea, uno no debería molestarse en reducir los retrasos y centrarse en los dispositivos que realmente emitirán los hertz y bits establecidos por él. Para esto, no es necesario comprar una tarjeta de sonido demasiado cara, en la versión más barata, una tarjeta de sonido de «juego» más o menos adecuada puede ser adecuada. PERO, me concentro en el hecho de que los controladores para tales tarjetas de sonido intentan mejorar el sonido de una determinada manera, lo cual es inaceptable, porque para el procesamiento es necesario obtener el sonido lo más limpio y equilibrado posible con la mínima implicación de la «mejora» del controlador.
Sin embargo, si usted, como maestro, necesita un dispositivo que cumpla con los requisitos para la calidad de la señal grabada y reproducida, así como para la velocidad de procesamiento de esta señal, tendrá que pagar extra al recibir un aparato de la calidad adecuada o elegir 2 que puede donar: alta calidad, baja precio, alta velocidad.
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