第2章多媒体计算机硬件系统

多媒体计算机的一般配置主要由计算机传统硬件设备、光盘存储器（CD-ROM）、音频输入／输出和处理设备、视频输入／输出和处理设备、多媒体通信传输设备等选择性组合，其中最重要的是根据多媒体技术标准而研制生产的多媒体信息处理芯片和板卡、光驱等。（1）IC类。音频／视频芯片组，视频压缩／还原芯片组，数字／模拟转换芯片，数字声音处理（DSP）芯片，网络接口芯片，图形图像芯片。（2）板卡类。音频处理卡，文——语转换卡，视频处理卡，视频采集／播放卡，图形加速卡，VGA/TV转换卡，视频压缩／解码卡，光盘接口卡，小型电脑系统接口卡（SCSI），光纤连接接口（FDDI）。（3）外设类。摄像机／录放相机，数字照相机／头盔显示器，扫描仪／激光打印机，液晶显示器／显示终端机，光盘驱动器／光盘盘片制作机，光笔／鼠标／传感器／触摸屏，麦克风／喇叭，传真机（FAX），可视电话机。（4）MPC规范所指定的配制模式。（5）CD-I播放机等家用多媒体模式（低端演示系统）。第2章多媒体计算机硬件系统第2章多媒体计算机硬件系统主要内容：2.1多媒体计算机结构2.2音频卡2.3视频卡2.4多媒体计算机的输入输出设备2.5多媒体信息存储介质2.1多媒体计算机结构多媒体计算机硬件组成如图2-1所示：2.1多媒体计算机结构总线是计算机内部、外设之间传输指令和数据的通道，提高其性能是提高计算机传输数据能力的关键。目前，工业界流行的总线体系结构有五种：（1）ISA是IMBPC/XT采用的总线标准，目前仍很流行。ISA是一种16位总线标准，时钟频率8MHz，最高数据传输速率5MB/s，同时支持8位和16位适配卡，如绝大多数视频显示卡、音频卡和网络卡都是16位ISA卡。（2）EISA是多家PC生产商发起的一个对ISA扩充的总线标准，采用32位结构，并与8位和16位ISA总线兼容。支持突发方式，最高数据传输率为32MB/s，支持多处理器的自动配置，能较好的满足MPC的要求，但因其机构复杂、成本较高，所以难以推广。2.1多媒体计算机结构（3）VESA是视频电子协会组织120余家公司制定的一种全开放局部总线标准。VESA支持高速视频控制器、硬盘控制器和LAN控制卡等外设，因此基本能够支持计算机的多媒体功能。其数据总线宽度为32位，最高工作频率为66MHz，最高数据传输速率为132MB/s。（4）MAC是IBM公司专为PS/2系统开发的微通道总线结构，32位并行通道，10MHz工作频率，最高数据传输速率为10MB/s，但因其与ISA不兼容，使其反而不流行。（5）PCI是Intel公司于1992年提出的局部总线标准，为CPU和高速外设之间提供了快速通道。PCI2.0版的数据总线宽度为64位，最高数据传输速率为264MB/s，并支持即插即用功能。2.2音频卡音频卡主要是完成声音采样、量化、变换、混合及播放等的硬件，多以插件的形式安装在微机的扩展槽上，也有的与主板做在一起。图2-2声卡外观2.2音频卡2.2.1音频卡的功能2.2.2音频卡的基本工作原理2.2.3音频卡芯片的技术指标2.2.4音箱2.2.1音频卡的功能音频卡的功能主要包括：（1）录制、编辑、播放和回放数字声音文件。（2）音频编辑与合成处理。（3）在记录和回放数字声音文件时进行压缩和解压缩，以节省存储语音文件的磁盘空间。（4）控制声源的音量，把它们混合在一起并数字化。（5）通过采用语音合成技术，能让计算机朗读文本。（6）MIDI接口。2.2.2音频卡的基本工作原理音频卡主要由以下部件组成：MIDI输入／输出；MIDI合成芯片；用来将CD音频输入与线输入相混合的电路；带有脉冲编码调制电路的数模转换器；用于将模拟信号转换为数字信号以生成波形文件；用来压缩和解压缩音频文件的压缩芯片；用于合成输出语音的语音合成器；用来识别语音输入的语音识别电路；立体声音频输出或线输出的输出电路等，其结构如图2-3所示。音频卡主要由数字音频处理器、音频合成器、混音器等组成。2.2.2音频卡的基本工作原理CD驱动器功率放大器MIDIIn输入PC总线MIDI接口MIDI合成器语音合成器D/A转换多通道音频合成器A/D转换CD-ROM接口PC总线MIDIThruLineOut线输出输入波形和MIDI文件波形和MIDI文件的输入是来自通过ISA总线的磁盘MicrophoneAudio混音器LineInMIC放大器MIDIOut输出压缩/解压缩游戏杆接口图2-3音频卡的工作原理2.2.2音频卡的基本工作原理1．数字音频处理器数字音频处理器是音频卡的核心，其主要任务是完成模数转换、数模转换、MIDI接口控制。音频卡用数字信号处理器（DSP）进行各种信号的处理。DSP还可进行声音数据的压缩解压缩（CODEC），用户还可以附加特别音效给模拟音频或音乐，进行合成输出。特别音效包括混音、延时、合唱和特别的立体声空间效果。DSP处理音频数据可节省计算机资源，让其可在显示动画或视频图像的同时又演奏高保真音乐；DSP拥有片内的内存和自己的I/O总线结构以便以更多的方式来增加RAM和ROM；新的DSP还带有浮点数字处理器，与PC中的80287和80387类似，以加快精确的数值运算；计算机通过I/O总线向音频卡上的DSP发送数据和简单的指令，音频卡负责音频数据处理过程中的所有复杂的操作；以DSP为基础的音频卡除了高保真功能外，还可提供调制解调器和电话应答机的功能。2.2.2音频卡的基本工作原理2．音频合成器通过内部合成器和连接到MIDI端口的外部合成器播放MIDI文件。MIDI合成器利用频率调制（FM）合成和波形表（Wavetable）合成技术控制声音的音色、音调和幅度。（1）频率调制（FM）合成FM合成通过调用两个或两个以上的原始波形来产生声音，其中包括正弦波、三角形波和方波。声音有三要素：音高、响度和音色。音高依赖于声音的基频，响度依赖于声强，而音色则在很大程度上依赖于其所含谐波的频率和振幅。FM合成器用几个功能模块就能产生各种声音，有较高的性价比，因其成本价格低廉而得到广泛应用。其缺点是频率调制合成出的音色少，音质差，跟实际乐器演奏的声音有一定差距，听来有较重的“电子味”。2.2.2音频卡的基本工作原理（2）波形表合成波形表合成是一种较新的发音方法。其发音原理也很简单：首先对各种真正乐器的声音进行数字化采样创造出波形数据，然后将各种乐器的波形数据依次存储在ROM芯片（硬波表）或软件（软波表）中形成乐声记录目录，该目录就称为乐器波形表。当一个程序通知波形表合成器要演奏哪种乐器时，有关硬件就会用查表法从波形表中挑出对应的乐声记录，重新制造出保真度很高的声音，不过查表法得出的波形数据还不能马上送到数模转换器输出，需要进行一些处理，因为采样波形的数据量是很大的，而存储空间却很有限，不能将每种乐器的每个音高的波形数据都存储下来，存储器中保存乐器发音较好的若干音高波形样本，其它音高的波形只能通过这些样本进行数字信号处理得到。合成器有基本型合成器与扩展型合成器，其区别仅仅在可演奏的乐器和音符的数量，与它们的质量或价格无关。2.2.2音频卡的基本工作原理（2）波形表合成由于ROM中存储着实际乐器的声波采样，由实际乐器产生的声音，当然比用FM合成真实得多，效果也的确好得多。波形表合成器价格高于FM合成器，因此采用波形表合成的都是中高档的声卡，适合专业人士使用。衡量波表性能的指标主要有：①波表库容量。因为波表存储的是乐器真实的音色，所以波表容量越大，效果越好。一般2MB的波表，每种乐器可以分配到约20K的容量，现在的PCI声卡至少要有2MB～4MB的波表库，专业MIDI设备的波表库可以达到32MB。②复音数。复音数是指合成器能同时发音的音符数。如果波表支持的复音数太小，则比较复杂的MIDI乐曲合成时可能会使某些声部丢失。目前波表声卡大多能提供64以上的复音值，为了达到演奏的临场效果，还提供了一些特殊效果，如反馈、和声和变化等。2.2.2音频卡的基本工作原理3．混音器混音器实现音源选择、不同音源混合、音量控制、声道选择等功能。混音器内含前置程控放大器、抗混滤波器和输出功率放大器。模拟音频信号由前置程控放大器放大后，抗混滤波器根据采样频率滤除混叠噪声，经模数转换电路得到8位、16位或32位数字化音频数据，数字音频处理器对音频数据进行ADPCM压缩后，由总线接口控制器通过总线存入计算机硬盘。4．接口控制部分音频卡上还有许多不同的输入输出接口，包括与计算机的总线接口、CD-ROM控制接口、CD音频连接器、波表存储器接口、麦克风接口、外部线上输入、扬声器／耳机输出、线上输出和游戏棒／MIDI接口等。2.2.3音频卡芯片的技术指标1．影响声卡主芯片的性能指标（1）兼容性。只有符合统一的标准或兼容主要音频卡标准的音频卡，才能适应尽可能多的应用软件。目前有两类声音标准：一是新加坡CreativeLabs公司的SoundBlaster标准，二是加拿大Aulib标准。（2）声音位数／采样率。混音位数和混音通道共同决定了声卡主芯片支持的声音位数／采样率。采样值的量化位数，常见的有8位、16位和32位，其中以16位为主。采样频率即单位时间内的采样次数，常用的采样频率有11.025kHz、22.05kHz和44.1kHz。混音位数：混音位数很大程度上决定了声卡主芯片的音质。在相同的算法下，位数越高音质越好。混音通道的数量：该项指标关系到声卡能够最大提供多少声道的输出。所谓声道数，简言之就是此声卡芯片支持输出的音箱数量。声道越多，声音的定位效果就越好。一般的5.1声道要求声卡主芯片至少提供6个混音通道，并且这6个通道全部用于输出才可以。而7.1声道输出则要求至少8个混音通道。2.2.3音频卡芯片的技术指标1．影响声卡主芯片的性能指标（3）MIDI接口及其合成方式。声卡一般都要求能接收、录制并输出MIDI信号，并内置一些乐器音色（MIDI音色库）。另外，声卡上通常有游戏杆接口，其接口一般与MIDI共享接口。（4）数字信号处理器（DSP)。DSP是一块单独的专用于处理声音的处理器。带DSP的声卡要比不带DSP的声卡快得多，也可以提供更好的音质和更高的速度，不带DSP的声卡要依赖CPU完成所有工作，这不仅降低了计算机的速度也使音质减色不少。DSP运算的精度：运算的精度决定了处理后的效果与原始效果的失真度。精度越高，则音质的损失则相对越小。DSP的运算速度：运算速度关系到DSP实现各种复杂效果的时间长短，如果时间过长，则效果将不会是实时的。2.2.3音频卡芯片的技术指标1．影响声卡主芯片的性能指标（5）3D音效。简单地说，人的耳朵类似于两个拾音器。单个拾音器无法分辨声音的方向和距离，只能判断声音在各种频率下的大小（幅频特性）和声音在各个频率下的时间先后（相频特性）。在有两个拾音器的简化模型中，人只能通过两耳听到声音的大小差异和时间差异来分辨出声源的远近和方向，而且这个方向仅仅是从左到右的180°内的方向，所以单凭这个模型，理论上无法分辨前后方向的差异。（6）采用的总线形式。声卡属于计算机的输入输出设备，连接到计算机的方式有很多种，ISA接口基本被淘汰，除常见的PCI接口声卡外，现在USB声卡甚至IEEE1394声卡都出现了，如创新的Extigy外置USB声卡。（7）I/O设备支持。包括CD-ROM接口（SCSI接口、AT-BUS接口）、麦克风输入接口、音箱输出接口、MIDI接口、线输入接口等（8）对Internet的支持功能。为了搭乘Internet快车，许多声卡制造商都开始在自己的产品中提供对Internet的支持。2.2.3音频卡芯片的技术指标2．影响主观听感的性能指标（1）信噪比（SNR）。信噪比即声卡抑制噪音的能力，单位是分贝（dB）。声卡处理的是音频信号，而噪音是不希望出现的音频信号，如背景的静电噪音，工作时电流的噪音等等，应该尽可能的减少这些噪音的产生。在正常工作状态，有用信号的功率和噪音信号功率的比值就是SNR，SNR的值越高说明声卡的滤波性能越好，声音听起