Мультимедийный интерфейс высокого разрешения

Мультимедийный интерфейс высокого разрешения HDMI (High-Definition Multimedia Interface) позволяет передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудио-сигналы с защитой от копирования HDCP (High Bandwidth Digital Copy Protection). Мультимедийный интерфейс HDMI имеет пропускную способность в пределах от 4,9 до 10,2 Гбит/с. Максимальная длина HDMI кабеля может составлять 15 метров, но обычно рекомендуется использовать кабели длиной не более 1.5-2 метров. Интерфейс HDMI предназначен для соединения источников цифрового аудио и видео c устройствами отображения — цифровыми ресиверами, усилителями звука, телевизорами, плазменными панелями и является новым стандартом подключения оборудования высокой четкости. HDMI позволяет передавать видео, как стандартного разрешения, так и высокой чёткости, а также передавать многоканальный звук.

Разъём HDMI имеет 19 контактов и обеспечивает цифровое соединение нескольких устройств с помощью соответствующих кабелей. В состав интерфейса входят следующие цепи:

· TMDS (Transition-Minimized Differential Signaling). Использует три канала (TMDS Data0 - TMDS Data2), передающие потоки аудио/видео и дополнительные данные (TMDS Clock), с пропускной способностью до 3,4 Гбит/с на канал.

· CEC (Consumer Electronics Control). Используются для передачи команд и управляющих сигналов между участниками связи. Функции CEC встраиваются по желанию производителя. Если все участники связи будут поддерживать HDMI CEC, то вы сможете, например, посылать команды с пульта ДУ всей подключённой технике. Среди команд есть включение/выключение, воспроизведение, переход в режим ожидания, запись и другие.

· SCL (Serial Data Clock). Применяется для сигналов синхронизации передачи данных.

· SDA (Serial Data Access). Для доступа передачи данных.

· DDC (Display Data Channel). Служи для передачи спецификации дисплея, в частности, название производителя, номер модели, поддерживаемые форматы и разрешения и т.д.

· Цепи питания (+ 5 В), контроля подсоединения и экранов.

Аудиосистема компьютера

Звуковая система компьютера состоит из звукового адаптера (звуковой карты) и электроакустических преобразователях звуковых колебаний (микрофона и звуковых колонок).

Звуковые карты выполняют следующие функции:

§ дискретизацию аналоговых сигналов с частотами 11,025 кГц, 22,05 и 44,1 кГц. Первая частота относится к 8 битовым картам, другие – к 16 битовым;

§ 8- или 16– битовое квантование, кодирование и декодирование с использованием линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ);

§ одновременно производить запись и воспроизведение звуковой информации (режим Full duplex);

§ ввод сигналов через монофонический микрофон с автоматическим регулированием уровня входного сигнала;

§ ввод и вывод аудиосигналов через линейный вход/выход;

§ микширование (смешивание) сигналов от нескольких источников и выдача суммарного сигнала в выходной канал. В качестве источников используются:

а) аналоговый выход CD-ROM;

б) ЦАП;

в) музыкальный синтезатор;

г) внешний источник, подключенный к линейному входу.

§ управление уровнем суммарного сигнала и сигнала каждого из каналов в отдельности;

§ обработка стереофонических сигналов;

§ синтез звуковых колебаний с использованием частотной модуляции (FM) и волновых таблиц (WT).

Звуковая карта должна использовать не более 13% ресурсов процессора ЭВМ при частоте дискретизации 44,1 кГц и не более 7% - при f_g = 22,05 кГц. В звуковой карте осуществляется обработка аналоговых и цифровых сигналов. В соответствии со спецификацией АС-97 (Audio Codec 97 Component Specification), разработанной фирмой Intel в 1997 году, обработка звуковых сигналов разделена между двумя устройствами:

звуковым кодеком (AC-audio codec) и

цифровым контроллером (DC – digital controller).

Аналоговая БИС должна располагаться вблизи звуковых соединителей ввода/вывода и как можно дальше от шумящих цифровых шин. Цифровая БИС располагается ближе к системной шине звуковой карты. Соединение этих микросхем осуществляется по унифицированной внутренней шине AC–link. В современных моделях РС эти микросхемы располагаются на системной плате компьютера. Расширенная модификация БИС звукового кодека дополнительно выполняет функции модема.

В упрощенном виде схема аудиосистемы РС может быть представлена следующим образом (рисунок 10.13). Микрофон (М) осуществляет преобразование акустических колебаний в электрический, а громкоговоритель (Гр.) преобразование электрических колебаний в акустические. Входной сигнал с микрофона усиливается, а с линейного входа подается непосредственно на аналого-цифровой преобразователь.

Рисунок 10.13 - Структура звуковой карты

Дискретный сигнал можно представить в виде произведения исходного сигнала U(t) и дискретизирующей последовательности P(t)

U_д(t) = U(t)P(t) .

Дискретизирующая последовательность состоит из очень коротких импульсов. При теоретическом описании эта последовательность представляется δ – импульсами, которые следуют с частотой дискретизации f_о = 1/Т_о

_∞

P(t) = ∑ δ (t - nT_o)

^{n = - ∞}

Временная диаграмма процесса дискретизации и квантования показана на рисунке 10.14

Синтез звуковых сигналов.Синтезатор предназначен для генерации звуков музыкальных инструментов, соответствующие определенным нотам, а также создавать „немузыкальные” звуки: шум ветра, выстрела и т.п.

Одна и та же нота, воспроизводимая на музыкальном инструменте, звучит по разному (скрипка, труба, саксофон). Это вызвано тем, что хотя определенной ноте соответствует колебание конкретной частоты, звуки различных инструментов, кроме основного тона (синусоиды), характеризуются наличием дополнительных гармоник – обертонов. Именно обертоны определяют тембровый окрас голоса музыкального инструмента.

Рисунок 10.14– Временная диаграмма оцифровки входного сигнала

Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал состоит из трех характерных фрагментов – фаз. Так, например, при нажатии клавиши рояля амплитуда звука сначала быстро растет до максимума, а затем немного спадает (рисунке 10.15). Начальная фаза звукового сигнала называется атакой. Длительность атаки для различных музыкальных инструментов варьируется от единиц до десятков и даже сотен мс. После атаки начинается фаза „поддержки”, в течение которой звуковой сигнал имеет стабильную амплитуду. Слуховое ощущение высоты звука формируется как раз на стадии поддержки.

Рисунок 10.15 – Форма воспроизведения звукового сигнала

Далее следует участок с относительно быстрым затуханием уровня сигнала. Огибающая колебаний во время атаки, поддержки и затухания называется амплитудной огибающей. Различные музыкальные инструменты имеют разные амплитудные огибающие, тем не менее, отмеченные фазы характерны практически для всех музыкальных инструментов, за исключением ударных.

Для создания электронного аналога реального звука, т.е. для синтеза звука, необходимо воссоздать огибающие гармоник, из которых состоит реальный звук. Существует несколько методов синтеза. Одним из первых и наиболее изученных является аддитивный синтез. Звук в процессе синтеза формируется путем сложения нескольких исходных звуковых волн. Этот метод использовали еще в классическом органе. Специальной конструкцией клапанов при нажатии клавиши заставляли звучать сразу несколько труб. При этом звучащие трубы были настроены либо в унисон или в одну две октавы. При нажатии клавиши первыми начинали звучать короткие трубы, дающие высокие обертоны, затем вступала средняя секция и последними – басы.

При цифровом аддитивном синтезе отдельно формируется N гармоник с частотами от f₁ до f_N и амплитудами от A₁(t) до A_N(t). Затем эти гармоники складываются.

Второй метод является разновидностью нелинейного синтеза. Для получения одного музыкального звука используется сигнал одного генератора. Гармоническую окраску получают в результате нелинейных искажений исходного сигнала. Для этого синусоидальный сигнал, формируемый генератором, управляемым кодом (ГУК) с амплитудой A₁ и частотой f₁ (рисунок 10.16 а) пропускают через нелинейный элемент с некоторой характеристикой К(х) (рисунок 10.16 б). Зная амплитуду сигнала A₁ и вид характеристики К(х), можно вычислить спектр сигнала на выходе (рисунок 10.16 в).

Следующим широко распространенным методом является синтез на основе частотной модуляции (широко используется в ЭМИ фирмы Yamaha). При частотной модуляции осуществляется изменение частоты f₀ несущего колебания U(t) = Asin(2πf₀ + φ) по закону модулирующего колебания x(t). Выражения для частотно-модулированного колебание имеет вид

U(t) = Asin (ω_ot + Δω∫[2x(t) - 1]dt),

Величина изменения частоты несущего колебания Δω₀=2π f₀ называется девиацией частоты, аотношение отклонения Δf₀ частоты модулированного колебания к частоте модулирующего колебания f_m называется индексом частотной модуляции m_f = Δf₀/f_m. Изменяя индекс модуляции можно изменять спектр сигнала на выходе модулятора и тем самым достичь качества синтезируемого звука, близкого к естественному звучанию.

Рисунок 10.16 – Синтез звуковых сигналов на основе нелинейного преобразования

Выражения для частотно-модулированного колебание при синусоидальном модулирующем колебании x(t) = sin ω_ot имеет вид

U(t) = Asin [2πf_ot + m_f sin(2πf_mt)].

Спектр модулированных сигналов при различных индексах модуляции изображен на рисунке 10.17.

Рисунок 10.17 – Спектры сигналов с различным индексом модуляции

Системные платы компьютера

Почти все электронные компоненты современного персонального компьютера, сервера или рабочей станции располагаются на стеклотекстолитовой системной (материнской) плате и соединяются плоскими медными проводниками, выполненными методом печатного монтажа. Благодаря достижениям современной микроэлектроники все контроллеры и большинство функциональных узлов, входящих в состав компьютера (рисунок 9.1) интегрированы в одну или несколько сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), так называемые северный и южный мосты. Совокупность таких СБИС, обеспечивающих взаимодействие процессора с остальными компонентами компьютера, получили название "чип-сет". Чип-сет определяет основной набор функций и производительность материнской платы. Наиболее производительными и функциональными являются чип-сеты компаний Intel и NVIDIA, а микросхемы компаний SiS и VIA занимают нишу бюджетных решений. Чип-сет отвечает за следующие характеристики системной платы:

· поддерживаемые процессоры;

· частота системной шины процессора. Чем выше максимальная поддерживаемая частота системной шины, тем в больше степени можно разогнать процессор, а также тем более новые процессоры в нее можно будет установить в дальнейшем;

· тип модулей памяти. Так, например, для платформы Intel LGA 775 поддерживается память стандартов DDR2 и DDR3, LGA 1366 – только DDR3, процессоры AMD имеют встроенный контроллер памяти, в этом смысле они независимы от чипсета;

· частота модулей памяти (минимальная рекомендуемая частота для современной системы – DDR2-800);

· поддерживаемые интерфейсы.

На разных этапах развития производства использовались различные типы системных плат. Типовая структура системной платы для первых суперскалярных процессоров изображена на рисунке 10.18. В качестве магистрального канала связи между процессором (или процессорами) и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и т. д. выступает системная шина FSB (Front Side Bus). Она представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему функциональному назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Непосредственно к системной шине подключен только центральный процессор, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в северном мосте. В связи с тем, что северный мост осуществляет самые быстродействующие процессы обработки и передачи данных, то с целью сокращения длины соединительных проводников, на системной плате он располагается в непосредственной близости от процессора. Связь северного моста с южным мостом и остальными компонентами компьютера происходит через шину PCI.

Рисунок 10.18 – Структурная схема системной платы компьютера

Особенностью системной платы является— использование для управление дисплеем графических адаптеров ускоренный графи­ческого порта AGP (Accelerated Graphic Port ). Этот порт представляет собой 32-разрядную шину с тактовой час­тотой 66 МГц (точнее, 66,66...), по составу сигналов напоминающую шину PCI. Из рисунка 10.18 видно, что северный мост связывает AGP с памятью и системной шиной про­цессора, не натыкаясь на ставшую уже «узким местом» шину PCI. Повышенное быстродействие порта обеспечивается следующими тремя факторами:

§ Конвейеризацией операций обращения к памяти.

§ Сдвоенными передачами данных.

§ Демультиплексированием шин адреса и данных.

Конвейеризацию обращений к памяти иллюстрирует рисунком 10.19, на котором показаны обращения к памяти по шине PCI и AGP.

Рисунок 10.19 - Циклы обращения к памяти PCI и AGP

При неконвейеризированных обращениях шины PCI во время реакции памяти на запрос шина простаивает. Конвейерный доступ AGP позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить плотный поток ответов (самих передаваемых данных). Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов. AGP поддерживает две пары оче­редей для операций записи и чтения памяти с высоким и низким приоритетом. В процесс передачи данных любого запроса может вмешаться следующий за­прос, в том числе и запрос в режиме PCI.Сдвоенные передачи данных обеспечивают при частоте тактирования шины в 66 МГц пропускную способность до 532 Мбайт/с. Такая скорость достигается за счет того, что в AGP кроме «классического» режи­ма, называемого теперь «х1», в котором за один такт синхронизации передается один 4-байтный блок данных, имеется возможность работы в режиме «х2», когда блоки данных передаются как по фронту, так и по спаду сигнала син­хронизации. Запросить режим х2 может только графическая карта, если она его поддерживает. Дальнейший переход на тактовую частоту 100 МГц приводит к повышению пропускной способности до 800 Мбайт/с.

Раздельное использование шин адреса и данных также позволило увеличить быстродействие шины AGP.

AGP интерфейс дал возможность реализовать всю пропускную способность 64-бит­ной основной памяти компьютера на процессоре типа Pentium, чго нельзя было достичь при подключении видеокарты к шине PCI.

В настоящее время благодаря внедрению высокопроизводительной универсальной шины расширения PCI Express появилась возможность использовать её в персональных компьютерах вместо шин AGP.