Основные характеристики программного продукта Excel

Excel представляет собой мощный арсенал средств ввода, об­работки и вывода в удобных для пользователя формах фактогра­фической информации. Эти средства позволяют обрабатывать фактографическую информацию, используя большое число ти­повых функциональных зависимостей: финансовых, математиче­ских, статистиченских, логических и т. д., строить объемные и плоские диаграммы, обрабатывать информацию по пользова­тельским программам, анализировать ошибки, возникающие при обработке информации, выводить на экран или печать ре­зультаты обработки информации в наиболее удобной для поль­зователя форме.

Структура таблицы включает нумерационный и тематиче­ский заголовки, головку (шапку), боковик (первая графа табли­цы, содержащая заголовки строк) и прографку (собственно дан­ные таблицы). На пересечении столбца и строки устанавливается графическая смысловая связь между понятием, объединяющим материал в строку, и понятием, объединяющим материал в стол­бец, что позволяет выявить ее без мысленного перевода в словесную форму и существенно облегчить усвоение и анализ организованных в таблицу данных.

Структура таблиц и основные операции:

• в нижней части электронной таблицы расположен алфавитный указатель (регистр), обеспечивающий доступ к ра­бочим листам. Пользователь может задавать названия лис­там в папке (вместо алфавитного указателя), что делает на­глядным содержимое регистра, облегчает поиск и переход от документа к документу;

• в режиме оформления и модификации экра­на можно фиксировать заголовки строк, столбцов, оформ­лять рабочие листы и т. д.;

• для оформления рабочих листов в табличном процессоре предусмотрены возможности: выравнивания данных внутри клетки, выбора цвета фона клетки и шриф­та, изменения высоты строк и ширины колонок, черчения рамок различного вида, определения формата данных внут­ри клетки (например: числовой, текстовый, финансовый, дата и т. д.), а также обеспечения автоматического форма­тирования, когда в систему уже встроены различные вари­анты оформления таблиц, и пользователь может выбрать наиболее подходящий формат;

• для вывода таблиц на печать предусмотрены функ­ции, обеспечивающие выбор размера страницы, разбивку на страницы, установку размера полей страниц, оформле­ние колонтитулов, а также предварительный просмотр по­лучившейся страницы;

• связывание данных — абсолютная и относительная адресации являются характерной чертой всех табличных процессоров. Они дают возможность работать одновремен­но с несколькими таблицами, которые могут быть тем или иным образом связаны друг с другом;

• вычисления — для удобства вычисления в табличных процессорах имеются встроенные функции: математиче­ские, статистические, финансовые, даты и времени, логи­ческие и др. Менеджер функций позволяет выбрать нужную и, проставив значения, получить результат;

• деловая графика — возможность построения различного типа двухмерных, трехмерных и смешанных диаграмм (более 20 различных типов и подтипов), которые пользователь может строить самостоятельно. Многообразны и доступны возможности оформления диаграмм, например, вставка и оформление легенд, меток данных; оформление осей — возможность вставки линий сеток и другие;

• выполнение табличными процессорами функ­ций баз данных — обеспечивается заполнением таблиц аналогично заполнению БД, т. е. через экранную форму защитой данных, сортировкой по ключу или по несколь­ким ключам, обработкой запросов к БД, созданием свод­ных таблиц. Кроме этого, осуществляется обработка внеш­них БД, позволяющая работать с файлами, созданными например, в формате dBase, Paradox или других форматах;

• программирование — в табличном процессоре су­ществует возможность использования встроенного языка программирования макрокоманд. Разделяют макрокоман­ды и макрофункции. При использовании макрокоманд упрощается работа с табличным процессором и расширя­ется список его собственных команд. С помощью макро­функций определяют собственные формулы и функции, расширив, таким образом, набор функций, предоставляе­мый системой.

Интерфейс Excel. Интерфейс обеспечивает дружественное выполнение указанных функций и включает иерархическое меню с множеством подменю, директорий и команд и совокуп­ности командных и селекторных кнопок окна Excel.

Окно Excel может содержать множество различных эле­ментов. Все зависит от того, какие инструменты Excel вызваны на экран. Инструменты вызываются командой Панели инструментов меню Вид. В простейшем случае, когда на экран не вы­званы никакие инструменты, окно Excel имеет только строку меню, находящуюся в верхней части экрана, расположенную под ней строку формул, вертикальную и горизонтальную полосы прокрутки, линейку прокрутки рабочих листов и рабочую об­ласть, занятую рабочим листом.

Рабочий лист отображает электронную таблицу и разбит на ячейки, образующие прямоугольный массив, координаты ко­торых определяются путем задания их позиции по вертикали (в столбцах) и по горизонтали (в строках). Лист может содержать до 256 столбцов (от А до IV) и до 65 536 строк (от 1 до 65 536), в силу чего на экране в каждый данный момент времени располо­жена только некоторая часть рабочего листа (рис. 2.17).

Столбцы обозначаются буквами латинского алфавита (А,В,С,..., Z,AA,AB,AC,..., AZ,BA,BB,...), а строки — числами нату­рального ряда (рис. 2.17, а, б). Так, D14 обозначает ячейку, на­ходящуюся на пересечении столбца D и строки 14, a CD99 — ячейку, находящуюся на пересечении столбца CD и строки 99. Имена столбцов всегда отображаются в верхней строке рабочего листа, а номера строк — на его левой границе.

Одна из ячеек таблицы всегда является текущей или актив­ной (рис. 2.17, в). Она отображается указателем в виде утолщен­ной рамки или прямоугольника с иным цветом фона, а ее адрес указывается в строке ввода и редактирования. Именно в нее вво­дят информацию. Для перемещения по ячейкам таблицы вправо по строке используется клавиша <Таb>. Если будет достигнут последний столбец созданной пользователем таблицы, произойдет переход на первый столбец следующей строки.

Размеры строк и столбцов можно изменять. Для этого нужно вести курсор мыши на границе между заглавиями столбцов (строк), нажать левую кнопку мыши и переместить появившийся крестик вместе с линией разграничения столбцов (строк) до нужной позиции.

Совокупность одного или нескольких рабочих листов составляет рабочую книгу Excel. Переход от одного рабочего листа к другому той же рабочей книги осуществляется с помо­щью линейки прокрутки рабочих листов с 1 —8 лепестками их на­званий, расположенной в нижней левой полосе экрана. Слева от ярлычков листов находятся кнопки, позволяющие перейти к первому рабочему листу, к последующему, к предыдущему.

Полосы прокрутки внизу и справа рабочей области по­зволяют перемещать рабочий лист горизонтально и вертикально.

Строка формул, расположенная под строкой меню, вы­свечивает формулу активизированной ячейки (правая часть строки) и ее адрес (левая часть строки).

Справа от строки меню расположена кнопка, позволяющая уменьшить размер рабочего листа, представив его отдельным ок­ном экрана.

Слева от строки меню расположена селекторная кнопка, по­зволяющая манипулировать окном рабочей книги: перемещать, изменять размер, свертывать в значок, развертывать, восстанав­ливать, закрывать окно, переходить к другому окну.

В левом верхнем углу экрана есть аналогичная селекторная кнопка, позволяющая манипулировать окном Excel в целом.

В правом верхнем углу экрана расположены две кнопки, одна из которых сворачивает окно, а вторая переводит рабочий лист в режим отдельного окна.

Как правило, при решении большинства задач на экран вы­зываются следующие панели инструментов: Стандартная, Форматирование, Мастер подсказок. При вызове ка­ждой панели инструментов на экране появляется соответствую­щая панель командных кнопок, нажатие которых щелчком мыши инициирует выполнение запрограммированных действий. Кнопки Панели инструментов можно убирать, заменять, вводить новые, используя директорию Настроить Панели инструментов меню Вид.

Стандартная панель инструментов (расположена под строкой меню) позволяет вызывать нужную команду, не об­ращаясь к меню.

Панель Форматирования (расположена ниже стан­дартной панели) позволяет изменять оформление рабочего листа. Кнопки на панелях инструментов позволяют быстро вызы­вать многие функции Excel. Те же самые функции можно вызы­вать посредством меню.

Указатель мыши, направленный на любую кнопку, высвечи­вает подсказку о назначении кнопки.

Рабочие ячейки Excel, расположенные на пересечении строк и столбцов рабочего листа, определяют основу работы всей сис­темы Excel. Для обеспечения реализации всего многообразия указанных ранее функций Excel рабочая ячейка Excel имеет сложную информационную структуру, включающую пять взаи­мосвязанных уровней записи, хранения, обработки и вывода ин­формации.

Для объектов электронной таблицы определены следующие операции редактирования, объединенные в одну группу: удаление, очистка, вставка, копирование (рис. 2.18). Операция перемещения фрагмента сводится к последовательному выполнению операций удаления и вставки. Перед выполнением конкретной операции редактирования необходимо определить объект, над которым выполняется действие. По умолчанию таким объектом является текущая ячейка. Остальные объекты должны быть выбраны (выделены) с помощью мыши или клавиатуры.

Обычно при выполнении операций копирования фрагментов фрагменту-копии передаются все свойства соответствующих ячеек фрагмента-оригинала, но возможна передача только со­держания, значения или формата.

В качестве содержания ячейки выступают числовые и тексто­вые константы, а также выражения (формулы).

В качестве значения ячейки рассматриваются выводимые на экран представления числовых и текстовых констант, а также результатов вычисления выражений (формул).

Под выражением понимается совокупность операндов, со­единенных знаками операций. В качестве операндов используют­ся числовые и текстовые константы, адреса ячеек и встроенные функции. При этом числовые и текстовые константы использу­ются непосредственно, вместо адресов ячеек используются зна­чения соответствующих клеток таблицы, а вместо встроенных функций — возвращаемые ими значения.

Адреса ячеек в роли операндов и аргументов встроенных функций выступают в двух формах: относительной и аб­солютной. Относительный адрес указывает на положение адресуемой ячейки относительно той ячейки, в содержании кото­рой он используется и записывается как обычно (имя столбца и номер строки, например «F7»). Абсолютный адрес указывает на точное положение адресуемой ячейки в таблице и записывается со знаком «$» перед именем столбца и номером строки (напри­мер, «$F$7»). Возможна абсолютная адресация только столбца или строки («$F7» или «F$7»). При редактировании объектов таблицы относительные адреса соответствующим образом кор­ректируются, а абсолютные адреса не изменяются.

Шаблоны таблиц. Создав таблицу и выполнив в ней все не­обходимые процедуры форматирования, можно построить для нее типовые диаграммы, если они будут в дальнейшем исполь­зоваться. Для этого из меню Файл вызывают директиву сохра­нить как.... В открывшемся диалоговом окне указывают имя типового документа и выбирают директорию, где он будет хра­ниться. Затем щелкают по стрелке в поле Тип файла и в открывшемся списке выбирают элемент Шаблон. Для окончания процедуры закрывают окно щелчком по командной кнопке Сохранить.

Документ получает присваиваемое шаблонам расширение.XLT. В дальнейшем его можно загружать как любой другой файл. В этом случае открывается не сам шаблон, а его копия, что позволяет многократно использовать исходный шаблон при построении других таблиц.

Для модификации шаблона из меню Файл вызывают директи­ву открыть. После выбора шаблона нажимают клавишу <shift> и «щелкают» по кнопке Открыть. После редактирования шаблон сохраняют обычным образом.

Если необходимо поменять имя листа, то это можно достичь двойным щелчком по корешку листа или в следующей последо­вательности через меню Формат\Лист\Переименовать. В фор­мулах в открытых книгах, ссылающихся на переименовываемый лист, имя меняется автоматически.

Добавить новый лист можно, щелкнув правой кнопкой мыши по корешку листа и выбрав команду Добавить. При этом появится запрос типа создаваемого листа (лист с таблицей, диаграмма, диалоговое окно, лист макросов или шаблон). Другой вариант — через меню Вставка\Лист, но при этом не появля­ются запросы, а сразу создается лист с таблицей перед текущим листом.

Табличные вычисления. Важным свойством программы явля­ется возможность использования формул и функций. Что­бы процессор мог отличить формулу от текста, ввод формулы в ячейку таблицы начинается со знака равенства (=). После этого знака в ячейку записывается математическое выражение, содер­жащее аргументы, арифметические операции и функции. В фор­муле можно использовать числовые и текстовые константы (по­следние в двойных кавычках), ссылки на ячейки (диапазоны), имена диапазонов и полей, функции и простые арифметические Действия.

В качества аргументов в формуле обычно используют числа и адреса ячеек. Для обозначения арифметических операций можно применять символы: «+» — сложение, «—» — вычитание, «*»— умножение, «/» — деление, «^{^}» — возведение в степень.

Формула может содержать ссылки на ячейки таблицы, рас­положенные в том числе на другом рабочем листе или в таблице другого файла. Для ссылки на другие листы и книги используются так называемые трехмерные ссылки. Они отличаются от обычных наличием имени книги (в квадратных скобках) и листа, заканчивающегося восклицательным знаком. Например, форму­ла = [otdel. xls]Заказы!Н7 ссылается на ячейку Н7 на листе Заказы в книге Otdel. Для создания такой ссылки можно через меню Окно выбрать исходную (открытую) книгу, затем выбрать лист и щелкнуть по ячейке левой кнопкой мыши.

Однажды введенную формулу можно модифицировать в лю­бое время. Встроенный Менеджер формул помогает найти ошибку или неправильную ссылку в таблице.

Изменения в исходных данных влияют на результат в конечных данных. Табличный процессор автоматически пересчитыва­ет результаты формул, но можно использовать и принудительную команду с помощью клавиши <F9>.

Процессор позволяет работать со сложными формулами, содержащими несколько операций. Для наглядности можно включить текстовый режим, тогда в ячейку будет введен не результат вычисления формулы, а собственно формула.

Мастер функций. Используемые для табличных вычислений формулы и их комбинации часто повторяются. Процессор предлагает более 200 запрограммированных формул, называемых функциями. Для удобства ориентирования в них функции разделены по категориям. Встроенный Мастер функций помогает правильно применять функции на всех этапах работы и позволяет за два шага строить и вычислять большинство функций. Функции вызываются из списка через меню Вставка\Функция или нажатием кнопки на стандартной панели инструментов. Для выбора аргументов функции (на втором шаге мастера) используется кнопка, присутствующая справа от каждого поля ввода. Вернуться в исходное состояние (после выбора аргументов) можно клавишей <Enter> или кнопкой.

Для конструирования функций предварительно маркируют ячейку, в которой должен появиться результат вычислений. Затем щелчком по пиктограмме Мастера функций со значком «fх» открывают диалоговое окно Мастера... (рис. 2.19).

В окне Выберите функцию перечислены предлагаемые Мастером... функции, ниже — краткое описание активизированной пользователем функции. Если мышью нажать на кнопку ок, то появится специальное окно Аргументы функции, в которое вводят необходимые значения и нажимают кнопку ок.

Мастер диаграмм. Табличные процессоры предлагают раз­личные виды иллюстраций деловой графики (диаграмм), причем их построение облегчено за счет использования Мастера диа­грамм — встроенных автоматизированных пошаговых процедур, позволяющих выбрать тип диаграммы и для него выполнить все необходимые операции, в том числе оформления различными компонентами.

Гистограмма показывает изменение данных за опреде­ленный период времени и иллюстрирует соотношение отдель­ных их значений. Категории располагаются по горизонтали, а значения — по вертикали. Ориентирована на изменения во вре­мени. Гистограмма с накоплением демонстрирует вклад отдель­ных элементов в общую сумму (рис. 2.20, а).

Линейчатая диаграмма отражает соотношение от­дельных компонентов. Категории расположены по горизонтали, а значения — по вертикали. Ориентирована на сопоставление значений и меньшее — изменения во времени. Линейчатая диа­грамма с накоплением показывает вклад отдельных элементов в общую сумму (рис. 2.20, б).

График представляет варианты отображения изменений данных за равные промежутки времени (рис. 2.20, в).

Круговая диаграмма отражает как абсолютную вели­чину каждого элемента ряда данных, так и его вклад в общую сумму. На круговой диаграмме может быть представлен только один ряд данных. Такую диаграмму рекомендуется использовать, когда необходимо подчеркнуть какой-либо значительный эле­мент (рис. 2.20, г).

Точечная диаграмма показывает взаимосвязь между числовыми значениями в нескольких рядах и представляет две группы чисел в виде одного ряда точек в координатах х и у. Она отображает нечетные интервалы (или кластеры) данных и часто используется для представления данных научного характера. При подготовке данных следует расположить в одной строке или столбце все значения переменной х, а соответствующие значе­ния у — в смежных строках или столбцах (рис. 2.20, д).

Поверхностная диаграмма используется для поиска наилучшего сочетания двух наборов данных. Как на топографи­ческой карте, области с одним значением выделяются одинако­вым узором и цветом (рис. 2.20, е).

Кроме этого, в инструментарии предусмотрены следующие типы диаграмм.

Диаграмма с областями подчеркивает величину из­менения в течение определенного периода времени, показывая сумму введенных значений, а также вклад отдельных значений в общую сумму.

Кольцевая диаграмма, как и круговая диаграмма, по­казывает вклад каждого элемента в общую сумму, но в отличие от круговой диаграммы может содержать несколько рядов дан­ных. Каждое кольцо в кольцевой диаграмме представляет от­дельный ряд данных.

Лепестковая диаграмма. Здесь каждая категория имеет собственную ось координат, исходящую из начала коор­динат. Линиями соединяются все значения из определенной се­рии. Лепестковая диаграмма позволяет сравнить общие значения из нескольких наборов данных.

Пузырьковая диаграмма является разновидностью точечной диаграммы. Размер маркера данных указывает значе­ние третьей переменной. При подготовке данных в одной строке или столбце располагают все значения переменной х, а соответ­ствующие значения у — в смежных строках или столбцах.

Биржевая диаграмма часто используется для демонст­рации цен на акции. Этот тип диаграммы применяют для ото­бражения научных данных, например изменения температуры. Для построения этой и других биржевых диаграмм необходимо правильно организовать данные.

Информационные связи. В табличном процессоре можно вве­сти ссылки на ячейки, расположенные в другой таблице. После установления ссылки значения, находящиеся в ячейках, будут автоматически обновляться. Для обращения к значению ячей­ки, расположенной на другом рабочем листе, указывают имя этого листа вместе с адресом соответствующей ячейки. Напри­мер, для обращения к ячейке F7 на рабочем листе Akt3 вво­дится формула =Akt3!A7. Если в названии листа есть пробелы, то название заключается в кавычки. Адреса ячеек указывают латинскими буквами. Информационное связывание двух ячеек можно упростить, если скопировать значение исходной ячейки в буфер (с помощью клавиш <ctrl+C>) и промаркировать ячейку, в которой должен появиться результат. Затем из меню Правка выполняется директива Специальная вставка. В диалоговом окне этой директивы выбирают вариант вставки и щелкают по кнопке ок.

Обмен данными. Функция обмена данными позволяет поль­зователю процессора импортировать в свои таблицы объекты из других прикладных программ и передавать (экспортировать) собственные таблицы для встраивания их в другие объекты.

Концепция обмена данными является одной из основных в среде Windows. Редактор «Excel» поддерживает стандарт обмена данными OLE 2.0 (Object Linking and Embedding).

Между объектами, обрабатываемыми различными приклад­ными программами, создаются информационные связи, напри­мер между таблицами и текстами (рис. 2.21). Эти информационные связи реализованы динамически, например, копия таблицы, встроенная в текст, будет обновляться (актуализироваться) вся­кий раз, когда в ее оригинал вносятся изменения.

OpenOffice. org Calc

Редактор электронных таблиц OpenOffice.org Calc позволяет вычислять, анализировать и преобразовывать данные в электронной таблице. Могут быть импортированы и обработаны также таблицы Microsoft Excel (рис. 2.22).

Вычисления. OpenOfficc.org Calc позволяет использовать Функции (включающие статистические, финансовые, банков­ские операции), которые можно использовать для построения сложных формул обработки данных. Для построения формул предлагается встроенный Мастер функций.

Динамические вычисления. Система предоставляет возмож­ность немедленно увидеть, каким образом меняются результаты вычислений, подверженные влиянию множества факторов, при Условии изменения одного из этих факторов. Предусмотрена возможность построения обширных таблиц, отражающих изме­нения переменных в различных сценариях.

Функции базы данных. Предусмотрены возможности хранения, фильтрации и сортировки данных в таблицах, а также импорт содержания таблиц из внешних баз данных.

Организация данных. При работе с таблицами можно легко срыть или показать данные, отвечающие определенным критериям, а также форматировать данные и определять итоговые суммы и подсуммы при сортировке строк.

Динамические диаграммы. OpenOffice.org Calc позволяет представлять данные из таблиц в форме разнотипных диаграмм которые автоматически обновляются при изменении данных.

Открытие и сохранение файлов Microsoft. OpenOffice.org Calc позволяет конвертировать файлы Excel (см. рис. 2.21), а также от­крывать и сохранять их во множестве различных иных форматов.

Список наиболее часто используемых комбинаций клавиш в OpenOffice.org (что относится как к OpenOffice.org Calc, так и к OpenOffice.org Writer) приводится в табл. 2.3.

В заключение заметим, что программы электронных таблиц могут успешно использоваться не только для расчетных задач, но и при математическом моделировании и оптимизации, в ча­стности, для решения задач линейного программирования или решения дифференциальных уравнений путем построения дина­мических имитационных моделей «зацикливанием» функцио­нальных связей между зависимыми переменными.

Контрольные вопросы

1. Вчем отличие логической и макетной структур документов?

2. Приведите примеры разметки текстов.

3. Какова структура документа в SGML?

4. Что такое DTD?

5. Что такое логические и физические стили?

6. Охарактеризуйте возможности и назначение языка XML.

7. Перечислите основные синтаксические единицы XML.

8. Назовите основные компоненты семейства XML-технологии.

9. Перечислите функции текстовых редакторов.

10. Охарактеризуйте возможности интерфейса текстового редактора.

11. Перечислите параметры документа в целом и опишите методы их за­дания.

12. Какова структура рабочего листа табличного процессора?

13. Охарактеризуйте возможности интерфейса табличного процессора.

14. Опишите возможности Мастера функций.

15. Перечислите основные типы диаграмм.

 

Глава 3

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Мультимедиа — совокупность программно-аппаратных средств, реализующих интегрированную обработку и представле­ние информации в символьном, звуковом и зрительном виде. Мультимедиа представляет собой объединение несколь­ких способов подачи информации — текст, непод­вижные изображения (рисунки и фотографии), движущиеся изображения (мультипликация и видео) и звук (цифровой и MIDI) в интерактивный продукт.

Появление систем мультимедиа, безусловно, производит большие изменения в таких областях, как образование, компью­терный тренинг, во многих сферах профессиональной деятель­ности, науки, искусства, в компьютерных играх и т. д.

Поскольку технические средства мультимедиа и их характе­ристики более подробно описываются, например, в [25], здесь мы ограничимся рассмотрением некоторых методов представле­ния и обработки информации в таких системах.

Обработка аудиоинформации

В то время как даже в нецифровых технологиях фото и видео в принципе могут быть найдены элементы дискретности (в первом случае зерна пленки и фоточувствительные ячейки иконоскопа или матрица ПЗС, во втором — то же плюс разбиение изображения на строки), звуковой сигнал в своей основе является чисто аналоговым (если не вдаваться в такие тонкости, как магнитные домены в чувствительном слое при записи на ленту). Поэтому целесообразно здесь сказать несколько слов о преобразовании звука (ана­лог – код и обратно).

Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое (дискретное) преобразование (АЦП) — (ADC — analog-to-digital conversion) — заключается в формиро­вании последовательностей n – разрядных двоичных слов, пред­ставляющих с заданной точностью аналоговые сигналы. В необ­ходимых случаях осуществляется обратное — дискретно-аналого­вое (цифроаналоговое преобразование — ЦАП, DAС).

Более чем тридцатилетнее развитие теории и практики ЭВМ приводит к вытеснению (в том числе и на бытовом уровне) ана­логовых устройств и сигналов цифровыми. Наиболее популяр­ным примером является несомненно аудиокомпакт-диск (digital audio CD) [25].

В этом случае звуковой сигнал (рис. 3.1) сначала преобразу­ется в дискретную аппроксимацию («многоуровневый ступенча­тый сигнал»), при этом происходит квантование по времени, ко­торое заключается в измерении (sampling) в дискретные момен­ты необходимого параметра аналогового сигнала.

При квантовании по амплитуде каждая ступенька представ­ляется последовательностью бинарных цифровых сигналов. Принятый в настоящее время стандарт CD использует так назы­ваемый «16-разрядный звук с частотой сканирования 44 кГц».

Для рис. 3.1 в переводе на нормальный язык это означает, что «длина ступеньки» (τ)

¹/ _{44 100} с, а «высота ступеньки» (δ) составляет ¹/_{65 536} максимальной громкости сигнала (поскольку 2¹⁶ = 65 536). При этом частотный диапазон воспроизведения со­ставляет 0—22 кГц, а динамический диапазон — 96 децибел (что

составляет совершенно недостижимую для магнитной или механической звукозаписи характеристику качества). Необходимо заметить что различные звуковые карты могут обеспечить 8- или 16-битные выборки, 8-битные карты позволяют закодировать 256 различных уровней дискретизации звукового сигнала, соот­ветственно 16-битные — 65 536 уровней.

Количество выборок в секунду, т. е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала, также может принимать различ­ные значения: 5,5, 11, 22 и 44 кГц. Таким образом, качество зву­ка в дискретной форме может быть очень плохим (качество ра­диотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и очень высоким (качест­во аудиоСD) при 16 битах и 44 кГц.

Поскольку компакт-диск — стереосистема, необходимо за­писывать два 16-разрядных слова каждый 44 100 раз в секунду. Это удается в пределах 176,4 Кбайт/с, 10,58 Мбайт/мин или 635 Мбайт/ч. Самый распространенный формат файла цифро­вой звукозаписи на ПК — WAV.

Для записи звука к звуковой плате может быть подключен микрофон или устройство воспроизведения звука (магнитофон, CD-плейер). Для воспроизведения звука к ее выходу могут быть подключены акустические колонки или наушники, а также любая акустическая система (магнитофон, музыкальный центр и т. д.).

Запись и редактирование аудиоматериалов требует большое пространство жесткого диска — при качестве компакт-диска зву­чание 10 мин потребует более чем 100 Мбайт. Чем быстрее диск и подсистема ввода-вывода, тем легче работать с такими боль­шими файлами. Современные жесткие диски и PCI-контроллеры способны к поддержке передачи не менее 4 Мбайт/с. Необ­ходимы гарантии, чтобы не было никаких прерываний в аудио-­потоке. Многие НЖМД делают прерывание, чтобы выполнить тепловую перекалибровку, которое может привести к короткой, но нежелательной паузе в звуке. Некоторые дисководы AV спе­циально проектируются без тепловой перекалибровки, таким об­разом устраняя этот эффект.

Звуковые платы

Звуковая плата ПК содержит несколько аппаратных систем, связанных с производством и сбором аудиоданных, две основные e аудиоподсистемы, предназначенные для цифрового «аудио-захвата», синтеза и воспроизведения музыки (рис. 3.2). Истори­чески подсистема синтеза и воспроизведения музыки генерирует звуковые волны одним из двух способов:

• через внутренний синтезатор (например, ЧМ-синтезатор);

• проигрывая оцифрованный (sampled) звук.

Секция цифровой звукозаписи звуковой платы состоит из пары 16-разрядных преобразователей — ЦАП и АЦП и содержит программируемый генератор частоты выборки, синхронизирую­щий преобразователи и управляемый от ЦП. Компьютер переда­ет оцифрованные звуковые данные к преобразователям или об­ратно. Частота преобразования обычно кратна (или составляет часть от) 44,1 кГц.

Большинство плат использует один или более каналов пря­мого доступа к памяти, некоторые платы также обеспечивают прямое цифровое подключение S/PDIF (или SPDIF). Кабель пе­редачи SPDIF (Sony/Philips Digital InterFace — Цифровой Ин­терфейс Sony/Philips) может быть оформлен в двух видах: коак­сиальный и оптический. Входы и выходы коаксиального SPDIF выполнены на разъемах типа RCA. Оптический SPDIF исполь­зует для передачи данных оптический кабель, входы и выходы которого выполнены на разъемах типа Toslink.

Генератор звука, установленный на плате, использует про­цессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor — DSP), ко­торый проигрывает требуемые музыкальные ноты, объединяя их считывание из различных областей звуковой таблицы с различ­ными скоростями, чтобы получить требуемую высоту тона. Мак­симальное количество доступных нот связано с мощностью DSP-процессора и называется полифонией платы.

DSP-процессоры используют сложные алгоритмы, чтобы создать эффекты наподобие реверберации, хорового звучания и запаздывания. Реверберация создает впечатление, что инстру­менты играют в больших концертных залах. Хор используется, чтобы создать впечатление, что несколько инструментов играют совместно, тогда как фактически есть только один. Добавление запаздывания к партии гитары, например, может дать эффект пространства и стереозвучания.

Частотная модуляция. Первой широко распространенной технологией, которая используется в звуковых платах, была час­тотная модуляция (ЧМ, Frequency Modulation — FM), разрабо­танная в начале 1970-х гг. Дж. Чоунингом (Стэнфордский уни­верситет).

Синтез с использованием частотной модуляции (FM-synthesis) основывается на последовательном и параллельном подключении генераторов простых сигналов и их взаимомодуляции. Схема соединения генераторов и параметры каждого сигнала (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания, а количество генераторов степень тонкости управления ими определяет предельное ко­личество синтезируемых тембров. Данный метод очень удобен с точки зрения дешевизны реализации, но при этом требует слож­ного программирования и тонкой настройки. Использовался в большинстве звуковых PC-карт в виде стандартных GM-устройств, а также активно популяризировался фирмой Yamaha и ее модельным рядом синтезаторов GX.

Каждый голос ЧМ-синтезатора требует минимум двух гене­раторов сигнала, обычно называемых «операторами». Различные конструкции ЧМ-синтезатора имеют различные степени управ­ления параметрами оператора. Сложные системы ЧМ могут ис­пользовать 4 или 6 операторов на каждый голос, и операторы могут иметь корректируемые параметры, которые позволяют на­строить скорости нарастания и угасания сигнала.

Yamaha была первой компанией, которая вложила капитал в исследования по теории Чоунинга, что привело к разработке ле­гендарного синтезатора DX7. Специалисты Yamaha скоро поня­ли, что смешивание более широкого диапазона несущих и моду­ляторов позволяет создать более сложные тембры, приводя к бо­лее реалистическим звучащим инструментам. Аппаратные средства их синтезатора OPL3 — фактический стандарт для иг­ровых плат, использует параметры, загруженные программным Драйвером, чтобы управлять каскадными генераторами ЧМ, ко­торые создают аналог акустических и электронных музыкальных

инструментов.

Хотя системы ЧМ были осуществлены в аналоговом испол­нении на ранних клавиатурных синтезаторах, в дальнейшем вы­полнение синтеза FM было сделано в цифровой форме. Методы синтеза FM очень полезны для того, чтобы создать выразительные новые звуки. Однако если цель синтезирующей системы состоит в том, чтобы воспроизвести звук некоторого существующего инструмента, это лучше делать в цифровой форме на основе выборок сигналов, как при синтезе с использованием звуковых таблиц (WaveTable Synthesis).

Табличный синтез (WaveTable synthesis или PCM-synthesis). Здесь используются выборки звуков реальных инструментов — небольших сэмплированных «кусочков» звуковой волны, определенный набор которых позволяет создать звучание инструмен­та, смоделировать интересные звуки. Активно используется в PPG, Waldorf, Korg DW-8000, Ensoniq ESQ-1 и ряде других син­тезаторов.

Выборка — цифровое представление формы звука, произве­денного инструментом. Платы, использующие ISA, обычно со­храняют выборки в ROM, хотя более новые PCl-изделия ис­пользуют основную системную оперативную память ПК, кото­рая загружается при запуске ОС (например, Windows) и может включить новые звуки.

В то время как все звуковые платы ЧМ звучат аналогично, платы звуковых таблиц значительно отличаются по качеству. Ка­чество инструментов определено несколькими факторами:

• качество первоначальной записи;

• частота, на которой выборки были записаны;

• количество выборок, использованных для каждого инстру­мента;

• методы сжатия, использованные для сохранения выборки.

Большинство инструментальных выборок записаны в стан­дарте 16 бит и 44,1 кГц, но многие изготовители сжимают дан­ные так, чтобы больше выборок или инструментов можно было записать в ограниченный объем памяти. Однако сжатие часто приводит к потере динамического диапазона или качества.

Когда аудиокассета воспроизводится слишком быстро или слишком медленно, ее высота звучания меняется, и это справед­ливо также для цифровой звукозаписи. Проигрывание выборки на более высокой скорости, чем ее оригинал, приводит к более высокому воспроизводимому звуку, позволяя инструментам ис­полнять более чем несколько октав. Однако если некоторые тем­бры воспроизводятся быстро, они звучат слишком слабо и тон­ко; аналогично, ко