Музыкальный сервер на базе компьютера. Часть 2.

Рассмотрим теперь вопросы, связанные с программным обеспечением. Оказывается, что качество цифрового сигнала в значительной степени зависит от того, как работает операционная система и насколько её настройки оптимальны для звуковоспроизведения. Вот только один пример. Во время работы ПК процессор постоянно переключается от выполнения одних задач к другим в соответствии с алгоритмом, который заложен в ОС. Процессы, которые должны обслуживаться процессором в какой-то момент времени, в том числе и те, которые связанны с обработкой звуковых цифровых сигналов, конкурируют между собой за «рабочее» время процессора. И если ОС настроена таким образом, что важные для нас задачи, связанные со звуком, оказываются не первоочередными, то это отрицательно сказывается на качестве аудиосигнала. Можно сказать, что (Л) операционная система компьютера без специальной настройки не приспособлена для звуковоспроизведения.
 
Нужно также отметить, что, выполняя большой объем «ненужной» (для аудио) работы, процессор и другие элементы схемы компьютера могут потреблять больше энергии и значительно нагреваться. А это, в свою очередь, требует (М) использования шумящих и вызывающих помехи вентиляторов для принудительного охлаждения.

Чтобы настроить ОС для целей звуковоспроизведения должным образом, надо произвести остановку некоторых процессов, которые конкурируют с процессами аудио, мешая им; отключить неиспользуемые элементы; оптимизировать использование ресурсов процессора в первую очередь для аудио; снизить энергопотребление и т.п. Подробно об этом можно узнать на странице нашего сайта с описанием оптимизации ОС Windows 7 для аудио.

Однако это ещё не всё. При внимательном изучении свойств операционных систем можно увидеть, что самые распространенные из них имеют в своей структуре, относящейся к аудиотракту, существенные недостатки, которые не всегда можно преодолеть без использования специализированных звуковых карт и драйверов. В качестве примера рассмотрим упрощённую структурную схему аудиопроцесса в ОС Windows Vista/7, изображённую на приведённом ниже рис. 1.

Рис. 1

Сокращения:

API — application programming interface

APO — audio processing object

CPT — cross process transport

KST — kernel streaming transport

WASAPI – Windows audio session API

 

Поток аудиоданных от аудиоприложения (например, программного проигрывателя), проходя через несколько этапов, поступает на аудиодрайвер, который управляет, например, звуковой картой. Направление движения указано стрелками.

Обратите внимание на участок блок-схемы между СРТ и KST. Именно на этом участке аудиоданные подвергаются цифровой обработке различными видами APO (audio processing object, русск. средство обработки аудиосигнала). Каждое APO имеет своё назначение и участвует в выполнении следующих функций:

• регулировка громкости и отключение звука;
• конвертирование разрядности цифрового сигнала, при котором входной сигнал (с разрядностью, например, 16 или 24 бит) сначала переводится в 32-битный с плавающей запятой, а затем обратно, причём это может производиться несколько раз;
• микширование сигналов, когда к исходным аудиоданным могут подмешиваться, например, сигналы звукового сопровождения системных событий ОС;
• измерение максимального уровня сигнала;
• ограничение уровня сигнала.

К сожалению, цифровая обработка сигнала, проводимая ОС на пути его следования от места хранения на жёстком диске до звуковой карты, не только не оставляет сигнал без изменения, но и вносит в него нежелательные коррективы. Поэтому говорить о точном звуковоспроизведении при использовании стандартного ПО компьютера не приходится.

Другими словами, (Н) операционная система ПК без использования дополнительных программных средств не позволяет получить неискажённый цифровой аудиосигнал.
Есть ли выход из этого неприятного положения? Да, конечно. Для этого необходимо исключить нежелательную цифровую обработку сигнала, сократив путь от аудиоприложения  до аудиодрайвера и направив аудиоданные в обход APO. Это делается с помощью специальных программных средств, например, ASIO. Поможет в решении этого вопроса и использование WASAPI в так называемом исключающем режиме (exclusive mode), драйверов Kernel Streaming или других подобных программных средств. Кстати, способы предохранения цифрового звукового сигнала от внесения нежелательных искажений со стороны различных ОС были разработаны в первую очередь для профессиональной цифровой звукозаписи.

Итак, мы рассмотрели основные недостатки аппаратной и программной части ПК, которые  приводят к искажениям аудиосигнала в компьютере. Обозначим способы решения проблем со звуком, сведя их в таблицу.

Таблица. Как оптимизировать компьютер для аудио

Проблема		Способы решения
А	Обычный программный проигрыватель не воспроизводит файлы ВР	Установить программный проигрыватель, предназначенный для высококачественного звуковоспроизведения
Б	Акустический шум вентиляторов и жёсткого диска	Б.1 Использовать комплектующие с малым энергопотреблением, чтобы не применять вентиляторы
		Б.2 Оптимизировать ОС для снижения энергопотребления, чтобы не применять вентиляторы
		Б.3 Использовать безвентиляторный БП
		Б.4 Использовать твердотельный накопитель
В	Невысокое качество цифроаналогового преобразователя и аналоговых цепей интегрированной аудиокарты	Использовать отдельную плату цифрового вывода (звуковую карту)
Г	Упрощённая система питания, особенно аналоговых цепей звукового тракта, от неприспособленного для звуковоспроизведения БП	Г.1 Выводить звук в цифровом виде и использовать внешний ЦАП.
		Или Г.2 Использовать внешнюю звуковую карту со своим БП
Д	Нестабильность собственного тактового генератора ПК	Д.1 Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) с собственным тактовым генератором
		Д.2 В дополнение к п. Д.1: использовать внешний тактовый генератор
Е	Шум на шине заземления	Отключить в ОС неиспользуемые процессы и оборудование (для уменьшения количества работающих логических элементов системной платы, вызывающих импульсные токи на шине заземления)
Ж	Нестабильность и помехи в системе питания	Ж.1 Не осуществлять в компьютере цифроаналоговое преобразование, особенно чувствительное к качеству электропитания, – выводить звук в цифровом виде и использовать внешний ЦАП.
		Ж.2 Использовать высококачественный БП со стабильными напряжениями питания
		Ж.3 Использовать системную плату с улучшенными цепями питания
		Ж.4 Использовать специальные фильтры для подавления помех от жёсткого диска, вентиляторов (если приходится их использовать) и т.п.
З	Перекрёстные помехи	Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) со схемным решением, снижающим перекрёстные помехи
И	Влияние интерфейсов	Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) с высококачественными выходными интерфейсами
К	Электромагнитные помехи	К.1 Не использовать видеокарту
		К.2 Отключить оборудование (Wi-Fi, Bluetooth и т.п., если они не используются), которое может являться источником помех
		К.3 Использовать специальные материалы для поглощения электромагнитного излучения внутри корпуса компьютера
		К.4 Использовать системную плату с пониженным электромагнитным излучением
Л	Операционная система компьютера без специальной настройки не приспособлена для звуковоспроизведения	Оптимизировать ОС
М	Использование шумящих и вызывающих помехи вентиляторов	То же, что в пп. Б.1, Б.2, Б.3 и Ж.4
Н	Операционная система ПК без использования дополнительных программных средств не позволяет получить неискажённый цифровой аудиосигнал	Использовать ASIO, WASAPI в исключающем режиме и т.п.

Теоретически вроде бы всё понятно. А как насчёт практической реализации?