Obsah
1. Hudba a zvuk na PC: PC Speaker, Covox a Adlib
2. Prehistorie: PC Speaker
3. Přehrávání samplované hudby na PC Speakeru
4. Pulsní šířková modulace s PC Speakarem
5. Malá revoluce na PC: zvuková karta Adlib
6. Princip OPL
7. Zvukový systém Covox: D/A převodník připojený na paralelní port
8. Odkazy na Internetu
9. Obsah další části seriálu
1. Hudba a zvuk na PC: PC Speaker, Covox a Adlib
Osmibitové domácí počítače i osobní šestnácti- a třicetidvoubitové počítače popisované v předchozích částech tohoto seriálu měly jednu společnou vlastnost – obsahovaly více či méně sofistikovaný čip určený pro tvorbu zvuků a hudby. Domácí osmibitové počítače Atari měly čip POKEY, počítače Commodore čip SID, v ZX Spectru 128+ a Atari ST byl zabudovaný čip AY-3–8910 (nebo též plně kompatibilní YM2149), počítače Sharp používaly integrovaný obvod SN76489 a konečně ve slavných osobních počítačích Amiga byl nainstalovaný zvukový čip Paula. Z pohledu tvorby zvuku byly osobní počítače IBM PC jen chudými příbuznými (jak po zvukové, tak i z velké míry po grafické stránce je překonávaly i mnohé levné osmibitové počítače), protože ve standardních počítačových sestavách byl zvuk vytvářen pouze pomocí takzvaného PC Speakeru, což byl (resp. doposud je) reproduktor připojený přes jednoduchý zesilovač na binární (dvoustavový) výstup časovače tvořeného obvodem 8253, popř. v pozdějších počítačových sestavách modernějším obvodem 8254.
Obrázek 1: Program FastTracker II dokáže přehrávat hudbu uloženou v modulech jak na PC Speakeru (zde nazývaném IBM Sound Technology :-) či zvukovém systému Covox (pojmenovaný jako Soundplayer), tak i na „skutečných“ zvukových kartách typu Sound Blaster či Gravis Ultrasound. Při přehrávání na PC Speakeru lze zvolit mezi jednobitovou PCM (pulsní kódovou modulací) či PWM (pulsní šířkovou modulací) – viz zobrazená konfigurační obrazovka.
Zvuk generovaný PC Speakerem má mnoho nedostatků, zvukový signál dokonce není ani vyvedený na externí konektor, což bylo minimálně neobvyklé. Z tohoto důvodu se v pozdější době – spolu s vývojem kvalitnějších her – začaly i pro osobní počítače IBM PC objevovat první zvukové karty určené buď pro sběrnici ISA (viz předchozí části tohoto seriálu zaměřené na popis interních i externích sběrnic) nebo jednoduché digitálně-analogové převodníky zapojené na paralelní port. Dnes si popíšeme jak starodávný PC Speaker, už jen z toho důvodu, že ho velmi pravděpodobně máte i ve svém desktopu – to je ta věc, která ohavně pípá při startu počítače nebo při přeplnění bufferu klávesnice –, tak i ve své době oblíbený digitálně-analogový převodník Covox a zvukovou kartu Adlib. Kromě toho si podrobněji vysvětlíme princip pulsní šířkové modulace používané zejména na PC Speakeru pro přehrávání samplované hudby, včetně hudebních modulů, jimiž jsme se zabývali v předchozí části tohoto seriálu.
Obrázek 2: Po heslem „všechno je lepší než PC-Speaker“ se v domácích podmínkách stavěly jednoduché D/A převodníky zapojované do paralelního portu, kterým byly vybaveny takřka všechny osobní počítače kompatibilní s IBM PC. Tyto převodníky se souhrnně nazývaly Covox, i když způsoby jejich konkrétního zapojení se navzájem lišily.
2. Prehistorie: PC Speaker
Všechny osobní počítače IBM PC původně obsahovaly jako jediný zdroj zvuku a „hudby“ PC Speaker. Ten je tvořen, jak jsme si již ostatně řekli v úvodní kapitole, reproduktorem připojeným na jednoduchý zesilovač, jehož vstup je připojen na čítač/časovač 8253 nebo 8254 (v moderních PC již není časovač tvořen samostatným čipem, ale je součástí čipové sady základní desky, většinou southbridge). Časovač 8253 obsahuje tři samostatně nastavovatelné šestnáctibitové kanály, přičemž pro generování zvuku je použit kanál třetí, který je doposud namapován na I/O port 0×42. Třetí kanál časovače 8253 většinou pracuje v režimu generátoru obdélníkových pulsů se střídou 1:1. Na vstup časovače je připojen hodinový signál s frekvencí 1193180 Hz, což je třetina nominální frekvence IBM XT, tj. 4,77 MHz. Tento signál je dělen nastavenou šestnáctibitovou hodnotou, tj. minimální frekvence zvuku vytvářená čítačem/časovačem je rovna 18,2 Hz (1193180/65536) a maximální frekvence dosahuje úrovně ultrazvuku (otázkou samozřejmě je, jaká je mezní frekvence samotného reproduktoru).
Obrázek 3: Slavná hra Duna II, která při přehrávání zvuků a hudby podporovala jak PC Speaker, tak i zvukovou kartu Adlib, Adlib Gold a Sound Blaster.
3. Přehrávání samplované hudby na PC Speakeru
S využitím čítače/časovače 8253 je možné na PC Speaker posílat pravidelný obdélníkový signál, což postačuje pouze pro přehrávání velmi jednoduchých jednohlasých melodií. V případě požadavku na přehrání samplované hudby či složitějších zvuků (včetně napodobení hudebních nástrojů či mluveného slova) se proto na PC Speakeru využívala pulsní šířková modulace, neboli PWM. Na I/O portu 0×61 se nachází řídicí registr druhé osmibitové brány (B) obvodu 8255. Nultým bitem lze nastavit stav řídicího signálu (GATE) časovače 8253. Pokud je tento bit nulový, čítač/časovač je pozastaven a tím pádem na reproduktor neposílá žádný signál. První bit I/O portu 0×61 v tomto případě přímo řídí binární výstup, na nějž je připojen reproduktor. To znamená, že programovou změnou prvního bitu portu 0×61 lze generovat dvoustavový signál posílaný na reproduktor, nezávisle na čítači. Přehrávací rutina je většinou napojena na přerušení od časovače (může být použit i jeho třetí kanál, neboť ten je při této konfiguraci odpojen od reproduktoru), jehož frekvence musí být několikanásobně větší, než původní vzorkovací frekvence přehrávaných samplů. Při dobrém časování lze na PC Speakeru pomocí PWM přehrávat cca pěti- či šestibitové samply, což odpovídá dynamickému rozsahu 30 resp. 36 dB (připomeňme, že CD-Audio má dynamický rozsah 96 dB).
Obrázek 4: Pulsní šířková modulace sinusové vlny (červená barva), která je porovnávána s referenčním trojúhelníkovým signálem (modrá barva). Výsledný binární signál je zobrazen žlutou barvou.
4. Pulsní šířková modulace s PC Speakarem
Na obrázcích 4 až 8 je naznačen jeden ze způsobů převodu analogového signálu (popř. i signálu navzorkovaného) na signál binární (dvoustavový) pomocí pulsní šířkové modulace. Princip je jednoduchý – původní analogový signál je kontinuálně porovnáván s trojúhelníkovým signálem o vyšší frekvenci, jehož amplituda je shodná s amplitudou (resp. maximální absolutní hodnotou) původního analogového signálu. V případě, že je aktuální hodnota původního modulovaného signálu vyšší, než je hodnota trojúhelníkového referenčního signálu, je na výstupu vysoká úroveň (většinou kladné napětí), v opačném případě nízká úroveň (záporné napětí o stejné absolutní hodnotě). Pokud je pulsní šířková modulace implementována v elektronickém obvodu, jsou oba signály porovnávány pomocí operačního zesilovače, na nějž je zapojený Schmittův klopný obvod, který zajistí kolmost hran výsledného binárního signálu. Programová implementace je založena na výpočtu referenčního signálu v diskrétních krocích a jeho jednoduchém porovnání s původními vzorky.
Obrázek 5: Pulsní šířková modulace – frekvence referenčního trojúhelníkového signálu je dvojnásobná oproti signálu zobrazeném na čtvrtém obrázku, výstup by však stále nebyl (při přehrání na reproduktoru) dostatečně kvalitní.
Aby byl výsledek PWM kvalitní, je nutné, aby frekvence trojúhelníkového referenčního signálu byla mnohonásobně vyšší, než frekvence signálu vstupního. V případě, že se pomocí PWM převádí navzorkovaný (digitální) zvuk s určitou vzorkovací frekvencí, je vhodné, aby frekvence referenčního signálu byla minimálně 10× vyšší než frekvence vzorkovací, což ovšem klade vyšší nároky na přesnost časování při přehrávání zvuku (tato situace zhruba odpovídá šestému obrázku). Pokud byl například původní zvuk navzorkován s frekvencí 22 kHz, což odpovídá spíše menší kvalitě (ztrácí se vyšší slyšitelné frekvence), tak by se měla PWM provádět s frekvencí 220 kHz, tj. při programové implementaci by se měla přerušovací rutina volat 220000× za sekundu. Když uvážíme, že tato rutina musí před vlastní PWM provést i mixáž všech zvukových kanálů, zjistíme, že na původních IBM PC (a dokonce i modelech XT a AT) bylo přehrávání tak náročné, že ho nebylo možné použít přímo ve hrách (tam nejvíce času zabralo přepočítání obrázků, protože grafické karty CGA/EGA/Hercules prakticky žádnou podporu programátorům nenabízely), ale pouze na úvodních obrazovkách či specializovaných přehrávačích (například Visual Player či Mod Player – ty pracovaly i na šestnáctibitových mikroprocesorech).
Obrázek 6: Pulsní šířková modulace – frekvence referenčního trojúhelníkového signálu je dvojnásobná oproti signálu zobrazeném na pátém obrázku.
V případě, že má být signál modulovaný pomocí PWM přehráván pomocí reproduktoru, je nutné dodržet několik podmínek, které však u původního PC Speakeru nebyly všechny splněny. Vhodné je, aby vyšší úroveň byla reprezentována kladným napětím určité hodnoty a nižší úroveň záporným napětím o stejné absolutní hodnotě. Tím je zajištěno optimální využití výkonu reproduktoru, protože se jeho membrána může z klidové polohy vychylovat na obě strany. U původního PC-Speakeru sice byla vyšší úroveň reprezentována kladným napětím, ale nižší úroveň byla rovna 0V, tj. membrána reproduktoru se vychylovala pouze jedním směrem. Tím se vlastně výkon reproduktoru snížil, což sice nevadí při běžném „pípání“ (spíše naopak), ale samplovaná hudba byla z tohoto důvodu přehrávána poměrně potichu. Dále je vhodné, aby byl před reproduktorem zapojen integrační RC článek, který dvoustavový signál zrekonstruuje do původní analogové podoby (samozřejmě s větší či menší chybou, v závislosti na provedení PWM). Tato podmínka taktéž nebyla u původního PC Speakeru splněna, což nemuselo být kritické, protože již samotný reproduktor (obsahující cívku) určitou integraci vstupního signálu prováděl.
Obrázek 7: Na tomto grafu je frekvence referenční trojúhelníkové vlny cca 10× vyšší, než frekvence převáděného signálu, což je již pro mnoho aplikací dostatečné.
Problém však nastal u pozdějších osobních počítačů, zejména laptopů, ve kterých se mnohdy původní reproduktory (s cívkou) začaly nahrazovat piezoelektrickými rezonátory, známými například z digitálních hodinek. Tam již k integraci dvoustavového signálu nedocházelo, takže se v přehrávané hudbě začalo objevovat nežádoucí pískání, především tehdy, pokud byla pulsní šířková modulace prováděna s nižší frekvencí. Zajímavé je, že všechny zmíněné nevýhody PC Speakeru bylo možné obejít využitím sériového portu RS-232C, na nějž bylo možné připojit napěťový dělič s RC článkem a výstup vést buď do zesilovače nebo přímo reproduktoru – toto velmi jednoduché řešení se však, pokud vím, nikdy neujalo. Pro představu, jakou hudbu bylo možné s PC Speakerem vytvořit, si poslechněte následující dva odkazy. Pod prvním odkazem najdete původní skladbu zdigitalizovanou moderním A/D převodníkem, pod odkazem druhým je tatáž skladba přehrávaná PC Speakerem v DOSovém demu nazvaném Magic Mushroom. Podotýkám, že na většině tehdejších PCček byla skladba přehrávaná v horší kvalitě, zejména byla mnohem tišší, což si majitelé starých PC mohou odzkoušet – http://www.crossfire-designs.de/download/articles/soundcards//mushroom.rar (pozor – v DOSboxu není výsledek autentický).
Obrázek 8: Další zdvojnásobení frekvence referenční trojúhelníkové vlny. Výsledný graf je již částečně zkreslen vlivem převodu původních analogových průběhů do rastrového obrázku (již se přibližujeme k hranici, při níž vzniká obrazový alias).
5. Malá revoluce na PC: zvuková karta Adlib
V roce 1988 založil Martin Prevel v Quebecu firmu Adlib zaměřenou na vývoj periferních zařízení pro tehdy již notně rozšířené osobní počítače kompatibilní s IBM PC. Jedním z prvních zařízení – a nutno říci, že také nejúspěšnějších – byla zvuková karta Adlib postavená na čipu YM3812 (označovaném také jako OPL2) vyráběném firmou Yamaha. Yamaha, která se na hudební syntézu založenou na fázové či frekvenční modulaci specializovala, původně tento čip dodávala pouze firmě Adlib, později však firma Microsoft (!) požádala, aby se tyto čipy nabízely i dalším výrobcům periferních zařízení. Výsledek na sebe nenechal dlouho čekat – jednou z prvních firem, které začaly čip YM3812 používat ve svých zvukových kartách, byla Creative Technology se svými kartami Sound Blaster. Na jednu stranu to sice znamenalo, že se Adlib stal ve své době de facto standardem pro syntézu hudby (karty Sound Blaster s ním byly zpětně kompatibilní), ale samozřejmě se také jednalo o konkurenci, která po několika letech dovedla firmu Adlib ke krachu, protože nedokázala konkurovat relativně levným Sound Blasterům (které vlastně veškerou funkcionalitu Adlibu obsahovaly) a zvukovým kartám Pro Audio Spectrum.
Obrázek 9: Zvuková karta Adlib určená do osmibitové varianty sběrnice ISA (PC BUS).
Nicméně zvuková karta Adlib je oprávněně považována za mezník ve vývoji osobních počítačů kompatibilních s IBM PC, protože umožnila relativně snadnou tvorbu hudby s velmi malými nároky na výpočetní výkon použitého mikroprocesoru (Adlib bylo možné použít i v IBM XT) i nepatrnými nároky na požadovanou kapacitu operační paměti – řádově se jednalo o stovky bajtů na přehrávací rutinu a několik kilobajtů pro mnohaminutovou skladbu. Poměrně brzy po vzniku prvních her, které čip OPL2 zabudovaný v Adlibu používaly, se začaly objevovat i aplikace umožňující tvorbu tónů napodobujících různé hudební nástroje (kolekce těchto tónů se nazývaly banky, soubory s banky byly v různých formátech dostupné jak komerčně, tak i cestou freeware) i programy pro tvorbu hudby, které byly v mnoha ohledech podobné trackerům popsaným v předchozí části tohoto seriálu. Některé trackery, například Scream Tracker, dokonce později umožňovaly kombinovat hudbu pro čip OPL2 se samplovanými zvuky. Bližší informace o OPL2 i aplikacích pro něj si povíme v navazující části seriálu.
Obrázek 10: Sanxion – program obsahující několik skladeb pro zvukové karty obsahující čip OPL2. Podobné programy nazývané musicdisky, které kromě hudby většinou obsahovaly i grafické efekty, byly vytvářeny mnoha demoskupinami.
6. Princip OPL
V předchozí kapitole jsme si řekli, že zvuková karta Adlib je postavena na čipu YM3812 neboli OPL2 (zajímavé je, že se jedná o plně digitální čip, ve své podstatě o jednoduchý signálový procesor doplněný o paměť ROM, ve které jsou uloženy vzorky první čtvrtiny periody sinusového signálu). Označení OPL2 vzniklo ze zkratky Operator Type L2, což v pojetí firmy Yamaha znamená, že zvuk v každém hudebním kanálu může být vytvořen pomocí dvou operátorů, které mohou být propojeny tak, jak je ukázáno na následujícím obrázku – buď se jedná o aditivní syntézu (oba signály jsou jednoduše sečteny) nebo o fázovou modulaci (PM), s volitelnou zpětnou vazbou (v materiálech firmy Yamaha se sice píše, že je použita frekvenční modulace, ve skutečnosti se však jedná o modulaci fázovou, i když praktické rozdíly při generování zvuku nejsou velké). Každý operátor je složen ze tří bloků – oscilátoru (generátoru periodického signálu), generátoru obálky (envelope) a obvodu pro řízení výstupní úrovně.
Obrázek 11: Způsob zapojení dvojice operátorů v jednom hudebním kanálu v čipu OPL2.
Každý oscilátor může generovat periodický signál odvozený od klasické sinusovky, jejíž podoba je uložena v ROM přímo na hudebním čipu. Všechny čtyři varianty signálu jsou zobrazeny na dalším obrázku. Celkem je možné využít osmnáct operátorů zapojených buď do devíti melodických hudebních kanálů (vždy dvojice operátorů tvoří jeden melodický hudební kanál) nebo do šesti melodických kanálů (každý obsahuje dva operátory) a současně pěti kanálů použitých pro bicí nástroje. Navíc jsou na čipu OPL2 umístěny dva časovače s cyklem 80µs a 320µs, které mohou při správném připojení obvodu na sběrnici generovat přerušení, ale na původní kartě Adlib není přerušovací linka zapojena (možná z toho důvodu, že původní IBM PC i XT mělo pouze osm zdrojů přerušení a ne 15, jak je tomu na AT). Ovšem příznak přetečení časovačů lze i bez použití přerušení přečíst z řídicích registrů, což je vlastnost využívaná při automatické detekci přítomnosti této karty na sběrnici ISA či PC BUS – éra přídavných karet s podporou „plug and play“ totiž začala až o zhruba deset let později. Podrobnější informace o funkcích čipu OPL2 budou uvedeny v následující části tohoto seriálu.
Obrázek 12: Čip OPL2 umožňuje pro každý operátor použít jeden ze čtyř tvarů vlny založený na sinusovce o volitelné frekvenci.
7. Zvukový systém Covox: D/A převodník připojený na paralelní port
Zvukové zařízení Covox Speech Thing, jenž je známé spíše pod svým zkráceným názvem Covox, bylo ve druhé polovině devadesátých letech minulého století poměrně populární, především díky tomu, že ho bylo velmi snadné vyrobit i v domácích podmínkách. Ve své podstatě se jednalo o velmi jednoduchý osmibitový digitálně-analogový převodník (DAC – Digital to Audio Converter) připojený na paralelní port. Původní Covox Speech Thing byl vyráběný firmou Covox Tympanum Corporation, ovšem jeho cena byla velmi vysoká – celých 70 tehdejších dolarů, což odpovídá cca 80 současným dolarům. Ovšem vzhledem k tomu, že digitálně-analogový převodník byl sestaven pouze z 25pinového konektoru DB-25, několika rezistorů a jednoho kondenzátoru (bez zesilovače, protože Covox se běžně připojoval do aktivních reproduktorových soustav), bylo ho možné sestavit doslova za pár korun. Existuje několik variant systému Covox, z nichž nejjednodušší obsahuje pouze devět rezistorů a jeden kondenzátor – viz níže zobrazené schéma:
Obrázek 13: Jedno z nejjednodušších zapojení Covoxu, které ovšem vyžaduje poměrně přesné hodnoty odporů – odpor každého rezistoru připojeného na datový pin paralelního portu by měl být ideálně dvojnásobný oproti rezistoru předchozímu.
Původní Covox se připojoval většinou na první paralelní port, který je přístupný na I/O adrese 0×378 – viz část tohoto seriálu, kde jsme si princip paralelního portu poměrně podrobně popsali. Data se na paralelní port přenáší programově, tj. většinou v přerušovací rutině napojené na časovač. Teoreticky je možné použít jakoukoli vzorkovací frekvenci, v praxi se ustálily běžné hodnoty 11025 Hz, 22050 Hz a 44100 Hz. Existovaly i vylepšené varianty Covoxu, například Disney Sound Source obsahoval vlastní zdroj přerušení. Někdy se také využívaly různé podoby zapojení Covoxu pro stereo výstup. Kromě velmi primitivních podob (například pro každý kanál se využily pouhé čtyři bity nebo se použily dva paralelní porty) se ujalo zapojení s dvojicí D/A převodníků připojených na výstupy dvou záchytných osmibitových registrů (postačovaly obvody řady 7400, protože paralelní port je kompatibilní s TTL). Datové piny paralelního portu byly zapojeny na vstupy obou těchto registrů, volba levého či pravého kanálu se prováděla dalším samostatně ovládaným signálem, například Strobe.
Obrázek 14: Další způsob zapojení Covoxu, kde jsou vyžadovány pouze rezistory dvou typů. Vzhledem k většímu proudovému zatížení datových pinů je vhodnější použít cca dvojnásobné hodnoty odporu než ty, které jsou uvedeny na obrázku (zde je pin s nejnižším bitem zatěžován proudem 3,3 mA, vhodnější je maximální proud omezit na cca 2 mA).
8. Odkazy na Internetu
- Powering devices from PC parallel port
http://www.epanorama.net/circuits/lptpower.html - Magic Mushroom (demo pro PC s DOSem)
http://www.crossfire-designs.de/download/articles/soundcards//mushroom.rar - Píseň Magic Mushroom – originál
http://www.crossfire-designs.de/download/articles/soundcards/speaker_mushroom_converted.mp3 - Píseň Magic Mushroom – hráno na PC Speakeru
http://www.crossfire-designs.de/download/articles/soundcards/speaker_mushroom_speaker.mp3 - Pulse Width Modulation (PWM) Simulation Example
http://decibel.ni.com/content/docs/DOC-4599 - Resistor/Pulse Width Modulation DAC
http://www.k9spud.com/traxmod/pwmdac.php - Class D Amplifier
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_amplifier#Class_D - Covox Speech Thing / Disney Sound Source (1986)
http://www.crossfire-designs.de/index.php?lang=en&what=articles&name=showarticle.htm&article=soundcards/&page=5 - Covox Digital-Analog Converter (Rusky, obsahuje schémata)
http://phantom.sannata.ru/konkurs/netskater002.shtml - Wikipedia EN: PC speaker
http://en.wikipedia.org/wiki/PC_speaker - Wikipedia EN: Intel 8253
http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8253 - Wikipedia EN: Intel 8255
http://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8255 - Wikipedia EN: Covox Speech Thing
http://en.wikipedia.org/wiki/Disney_Sound_Source - Memory mapped I/O
http://www.sharpmz.org/mz-700/memio.htm - Using an 8255 PPI chip
http://drew.hickmans.net/8255.htm - Aktivní Covox (D/A převodník na paralelní port)
http://rayer.ic.cz/elektro/covox.htm - Programming the PC Speaker
http://www.gamedev.net/reference/articles/article442.asp
Obrázek 15: Kompaktní verze Covoxu.
9. Obsah další části seriálu
V následující části tohoto seriálu si podrobněji popíšeme, jakým způsobem je možné vytvářet hudbu s využitím zvukového čipu Yamaha YM3812, známého též pod označením OPL2, a taktéž pomocí čipu Yamaha YMF262, neboli OPL3. Tyto digitální zvukové čipy byly použity v mnoha zvukových kartách pro osobní počítače, včetně dnes popsané karty Adlib (později i Adlib Gold, Sound Blaster atd.), a jejich do značné míry charakteristický zvuk je dodnes napodobován například v některých intrech (kratší dema).
