第七章数字音频工作站.docx

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第七章数字音频工作站

第七章数字音频工作站

第一节、数字音频工作站的概念

工作站是一种用来处理、交换信息、查询数据的计算机系统。

数字音频工作站（DigitalAudioWorkstation，简称DAW）是一种用来处理、交换音频信息的计算机系统。

它是随着数字音频技术的发展和计算机技术的突飞猛进，将两者相结合的新型设备。

数字音频工作站的出现，实现了广播系统高质量的节目录制和自动化播出，同时也创造了更加良好高效的工作环境。

最近几年，数字音频工作站（DAW）已经发展成为专门的计算机化硬盘录音系统，且基于他们能够实现基本和先进的编辑和信号处理功能（如图）。

图7-1一种工作站系统

在多媒体数字音频应用中，使用音频工作站有很多的优点，下面列出其中的一些：

1.处理长样本文件的能力。

硬盘录音时间只受硬盘本身大小的限制（通常44.1kHz取样频率、16比特精度下1分钟立体声信号需要10.5MB硬盘存储器）。

2.随机存取编辑。

因为信号记录在硬盘上，节目中任何点可以随即访问，不论它们以什么顺序纪录。

无损编辑在丝毫不改变或影响原始录音文件的情况下允许信号片段安排在节目中的任何次序上。

一旦编辑结束，这些片段可以连续重放来产生一个演奏，或者个别的在一个指定的SMPTE时间码地址上重放。

3.DSP数字信号处理可以在一个片断或整个样本文件上实现，不管是实时的还是非实时的，这一切都对信号没有损害。

除了上述这些优点之外，以计算机为基础的数字音频设备还能够综合进行与数字视频、音频和MIDI制作有关的一些工作。

一、数字声频工作站的类型

声频工作站主要有两种基本的类型：

一是建立一个专门的系统，一是通过在标准的桌面计算机上安装添加的硬件和软件方法。

大多数系统都是采用后者这种模式建立的，并且专门系统要比以桌面计算机为基础的系统贵很多（虽然并不一定总是如此）。

1、专门的系统

在早期的硬磁盘声频系统中，对于制造商而言，要开发出专门的系统是要投入相当大的资金的。

这主要是因为当时生产的桌面计算机还不能胜任此项重任，并且大容量的存储媒体的应用也不如现在这么广泛，以及需要各种不同的接口和专门的文件存储技术；另外一个原因就是在开发之初，市场的规模较小，可观的研究和设计投入必须收回。

相比而言，专门的系统具有一些明显的优点，这也是它们在专业应用中受欢迎的原因之一。

专门的系统不单单只是一个鼠标和一个QWERTY键盘。

而是通过为此目的而设计的一个专门接口来实现用户对系统的控制，这样可以使相应的设备设计更加符合人体工学要求。

它可以通过触摸屏和专门和控制器实现各种功能的控制，其中也用到了连续可调的旋转和推拉式控制器。

目前将较便宜的专用编辑系统通过一个接口连接到主计算器上，以便进行更全面的显示和控制功能的做法也是十分普遍的。

如图所示。

图7-2一种专业音频工作站

2、以桌面计算机为基础的系统

近些年来，具有内置基本AV（音视频）功能的桌面多媒体计算机已经面世，它具备了一定的编辑和声音处理能力。

虽然桌面计算机中内置的转换器受到成本因素的限制，但是在许多情况下，它们均具备了44.1KHz声频采样，16比特量化的能力，甚至更高。

要想改善音质，则可以通过采用第三方硬件厂商开发的硬件设备来实现。

许多桌面计算机均缺乏对数字声频和视频信号直接处理的能力，但是可以通过增设第三方开发的硬件和软件来将一个桌面计算机转变成一台AV工作站，使其具备对伴随数字视频的几乎无限数量的声轨的声频信号进行存储的能力。

通常的方法是在计算机的扩展槽上安装一块声频信号处理卡，（如图3所示）。

图7-3专业声频信号处理卡

这种处理卡利用一个或多个DSP芯片来执行所有的声音编辑和后期处理工作，使主计算机主要成为一个用户界面。

声卡通常被接到一个声频接口上，这一接口可能包括了大量的A/D和D/A转换器，诸如AES/EBU数字声频接口，S/PDIF、MADI接口等，同时也具有SMPTE/EBU时间码接口，在某些情形下还可能有MIDI接口。

在声频扩展卡上常常带有可与一个或多个磁盘驱动器相接的SCSI接口，这是为了优化声频文件交换操作而设的，有些基本的系统为了达到这一目的，使用了自身的SCSI母线。

在以前，苹果的Macintosh计算机系统成为声频工作站最受欢迎的一个机型。

它采用了高速内部扩展总线（MuBus），并具有出色的图形用户界面，而且从1986年开始就使用SCSI母线作为它与周边设备的接口。

但是，近年来，大量的以MS-DOS和Windows操作系统为基础的PC（个人桌面电脑）产品已经推出，同时面世的还有诸如以Unix为基础的SGI这样的其它平台系统。

后两种平台以PCI扩展总线来取代苹果的MuBus，因此当前的数字音频工作站多以Windows平台为操作系统的PC计算机实现。

在本文中，我们所介绍及讨论的数字音频工作站都指的是第二种方式的工作站。

第二节、数字音频工作站的构成及实现

从硬件角度来说，数字音频工作站的构成可以归结为以下几个部分：

计算机控制部分、核心音频处理部分、数据存储设备部分及其它外设设备；从软件角度来说，数字音频工作站可分为以下几个模块：

操作平台、音频处理界面、文件格式、第三方软件及其它相关软件。

下面就以这两种划分角度来详尽的阐述数字音频工作站的构成及实现。

1、数字音频工作站及微型计算机

数字音频工作站的工作依赖于微型计算机和数字信号处理器（DSPS）。

利用近年来技术革命的丰硕成果，人们可以高效率地把音视频信号转换成数字形式，并用计算机方便地处理。

一旦进入数字域，声音和图像可以用多种方式处理，就象文本和数字等资料那样。

众所周知，计算机并不只是用来打字和处理一下预算的，带一个屏幕和一个键盘的简单设备；计算机是设计用来处理二进制数据信息、储存数据，并与外部设备通讯，以接受指令或发出信息的一个基本系统。

个人桌面电脑可以从键盘和其它一些设备，如鼠标和轨迹球，接受指令，并存贮于不同地方，如固态存储器和硬盘上，这样（依靠微机上运行的软件程序）可以以存储的信息为基础进行工作，运算出一个结果或控制一个过程。

2、计算机系统基础原理

本部分对微机系统关键设备的工作和功能进行介绍。

尽管实际工作中使用的系统明显是各不相同的，但基本原理还是大致一样的。

虽然计算机系统也一直在越变越复杂，但还是有必要充分理解一下系统的工作情况。

稍复杂的计算机中的一些概念也是这些基本思想的外延而已。

图4微机系统的基本方块图

（1）、总线

（如图4）表示一个微机系统的基本方块图，示出了其中的一些概念，主要功能模块。

在深入了解系统中具体设备之前有必要先理解一下总线的作用，总线是并接导线或印刷电路通道的总称，其中每一路传送二进制字的一个比特。

这样8比特数据总线可并行传送8比特数据，16比特总线传送16比特数据。

在总线上信息可以双向传送，尽管这里的方向完全不是我们所想的那个意思。

很明显数据流的方向简单的取决于总线上哪个装置向总线传送数据，哪个装置读取数据。

几个设备间通常是可以共享总线，通过在适当的时间“启动”适当的接收器或传送器，数据便可在中央处理器（CPU）和设备间分配。

很明显避免两个设备同时向总线上发送数据是很重要的。

（2）、中央处理器

中央处理器（CPU）是个有效的系统控制者，它的主要功能有：

从内存中取来指令进行排序和翻译，并对整个二进制字执行逻辑运算，对数据进行暂存和监控外部来的中断请求。

CPU与其它设备的通讯是借助一条数据总线、一条地址总线和各种不同的控制线来实现的。

CPU接有一个晶振时钟，这个时钟可以发出兆赫频率的同步信号。

这个时钟驱动发生在计算机内的整个运行顺序，因为它是激励逻辑程序下一事件的时钟信号。

建立在CPU中的是一个“排序器”，它决定着CPU的许多逻辑门、贮存器、计算器中逻辑事件的顺序。

一个指令解码器从内存中读取二进制字码指令，并对排序器进行编程。

只有有限数量的合理命令能被计算机受理，这些命令被称为指令组。

在时钟的每个周期，“排序器”根据最后一次得到的指令，向前进一步，进入到下一排序程序。

中央处理器（CPU）里最重要的设备之一是“数字逻辑单元”（ALU），这个设备是设计用来对数据进行逻辑/数字运算的。

“数字逻辑单元”（ALU）是名符其实的典型大型集成门，如上述典型的模式，具有两个有一定比特数宽度的输入端，一定数量的控制输入和输出。

控制输入用于决定执行哪些逻辑运行，“载入”和“载出”线用于当运行结果及大或太小以至溢出字码最大有效比特时。

“数字逻辑单元”的输入端有一路是来自被称为“累另器”的暂时存贮部分，其它输入端可以从别处，比如说数据总线，取数据。

中央处理器包括一个开机时从0开始的程序计数器，计数器的输出送到地址总线以便指出存在内存中的下一个命令的位置。

当时钟运行一定的周期后（称为机器周期递增）将排序器运行至当前指令处，程序计数器递增下一个地址，并从内存中调出下一个指令。

一个独立指令控制的事件的典型顺序是：

将下一个指令地址送至地址总线上去

将内存地址的内容读入指令解码器中

（由解码指令来决定下一步的动作）

从内存中取出数据的下一个字节

将那个字节放到ALU的一个输入上

将那一字节与累加器中的那个字节相加

将结果存储于暂存地址上

递增程序计数器

这是一条指令的执行过程，但它占用了时钟的不少周期时间。

中央处理器也包括一个暂时的存贮器，称之为堆栈，它以后进先出的方式工作。

堆栈象个环形的托盘架，就象咖啡厅里常见的摞着一摞盘子的那种。

如果有人想拿个盘子，那么放在一摞的顶上的最后一个盘子是第一个被拿走的。

数据被暂放在堆栈中，当另一个操作被执行时，这个堆栈被当作数据的寄存处，然后再被抽走处理。

一个典型的中央处理器命令包括以下几个指令组：

把数据从一个地方移到另一处；对一对数字执行算术运作和把一个程序执行跳到新的内存地址上等。

还有些得要的命令是从输入/输出（I/O）端口读写数据，这是数据与外界进行通讯联络的方式。

（3）、ROM和RAM

典型的计算机主要有两种固态存储器：

只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）（固态器件通常是由能起着电容、电阻、晶体管等电子元件作用的高度集成化，掺杂处理的小硅片组成。

硅片上分布的节点被细微的导线连起来，这些导线连到封装芯片的管脚上以便接到外围的电路上去）。

在ROM和RAM中还有许多有着细微差别的不同类型。

所有存储器件把特定比特的样本存入不同的地方，称为地址。

这些内存地址可表示出来任何1至多比特的数据。

若是1比特的内存片，则有必要把它们分成阵列，以便存储8比特的字码。

有一个地址总线，一个数据总线，启动线和读/写（R/W）线（ROM没有读/写线，因为它是“只读”的）。

为了在存储器上写一个字节的数据，其地址可以在地址总线上表示出来，对应的数据可以在数据总线上表示出来。

读/写线被转变到写的状态时，相应的内存片借助允许线保持在相应状态而被允许写入。

读的工作过程以类似的方法进行，只是读/写线在相反的状态。

ROM是为不能用系统改变数据而设计的，比如系统软件的一部分（对中央处理器发出的指令）。

真正的ROM是厂家编程的，它是在芯片一定存储地址上吹制出微小的可熔性连接的方式设置的特定比特型。

这样可恒久地存储数据且不会被擦掉，这样可以把限量的数据（至多几兆字节）很好的永久存储到一个真正意义的ROM上。

数据即使在芯片没加电的时候依然可以保存下来。

另一种形式的ROM的存在使人们在一定程度上省了不少心。

EPROM是电可编程只读存储器，可以用紫外光通过一个暴露的小窗口照射约20分钟来擦去内容，然后可以用在EPROM的管脚上加比正常电压高的电压的方式重新编程，这种方法被称为“PROM吹风机”。

EEPROM（电子擦除PROM）和EAROM（电子改更PROM）有更大的变化，它们可以由系统自身就地重新编程，尽管这个过程不象RAM那么简单地进行编程。

当需要一种永久式的系统存储形式时需要这种器件，但偶尔数据也需要修改。

RAM既