Weber Автор  сен 18, 2016

Как работают звуковые карты

До изобретения звуковой карты (другие названия – звуковая плата, аудиоплата, аудиокарта, звуковой контроллер, аудиоконтролер), компьютер мог издавать только один звук – писк. Хотя компьютер мог менять частоту и длительность звукового сигнала, он не мог изменять громкость или создавать другие звуки.

Сначала сигнал играл роль напоминания или предупреждения. Впоследствии разработчики начали создавать музыку для первых компьютерных игр, в которой использовали сигналы разной тоновой высоты и продолжительности. Однако это мало напоминало настоящую музыку.

К счастью, звуковые возможности компьютеров существенно увеличились в 1980-х годах, когда несколько производителей выпустили карты расширения, предназначенные для управления звуком. Современный компьютер со звуковой картой может гораздо больше, чем прежние «пищалки». Он способен создавать трехмерное аудио для игр или объемный звук при воспроизведении видео. Он также может захватывать и записывать звук с внешних источников.

Конечно ожидать фантастического звука от подключенной к звуковой карте наушников и простых колонок не стоит, другое дело оказаться на стадионе, где линейный звуковой массив из модулей CLA-8A как тут, создает звук невероятной мощности, что голоса болельщиков в нет просто тонут.

Из этой статьи вы узнаете, как звуковая карта позволяет компьютеру создавать и воспроизводить настоящий, высококачественный звук.

Аналоговые и цифровые сигналы

Звуки и компьютерные данные существенно отличаются. Звуки аналоговые – они состоят из волн, которые распространяются в среде, такой как воздух или вода.. Люди слышат звуки, когда эти волны заставляют вибрировать их барабанные перепонки.

Как работают звуковые карты

Зато компьютеры обмениваются информацией в цифровом виде с помощью электрических импульсов, соответствующих логическим нулю или единице (0 или 1). Как и видеокарта, звуковая карта преобразует цифровую информацию компьютера в аналоговую информацию окружающего мира, и наоборот.

Простейшая звуковая карта – это печатная плата, которая содержит четыре основные компоненты для преобразования цифровой и аналоговой информации:

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

• Разъем интерфейса ISA (устаревший), PCI или PCI Express (самый современный) для подключения карты к материнской платы (МП);

• Вход и выходу соединения для микрофона и звуковых колонок.

Вместо отдельных АЦП и ЦАП, некоторые звуковые карты используют микросхему кодера/декодера, которая выполняет обе функции и называется кодеком (образовано сочетанием слов КОдер-ДЕКодер).

Как работают звуковые карты

X-FI

Одной из последних разработок в области звуковых карт является технология X-FI (сокращение от Xtreme Fidelity”, дословно – «высокая точность»), воплощенная в модельном ряду Sound Blaster X-Fi известного производителя звуковых карт Creative.

Главные особенности X-FI

• Архитектура активных режимов (Active Modal Architecture), которая позволяет пользователю выбирать один из трех режимов работы карты: игровой, отдыха или создания музыки, оптимизируя ее вычислительную мощность для выполнения конкретной задачи;

• Новейший процессор цифровой обработки сигналов (англ. digital signal processor, DSP), содержит 51 млн транзисторов;

• Несколько аппаратно-программных обработчиков, каждый из которых выполняет определенные операции со звуком;

• 24-битовая технология Crystallizer (“Кристаллизатор”), которая призвана противодействовать определенным потерям качества звука, возникающие в процессе 16-битового записи аудиодисков.

Подробнее о X-FI можно почитать в статьях с сайтов ExtremeTech и iXBT.

АЦП и ЦАП

Представьте, что вы используете компьютер для записи своего голоса. Сначала вы говорите в микрофон, подключенный к звуковой карте. АЦП преобразует аналоговые волны вашего голоса в цифровые данные, которые компьютер может воспринять. Для этого АЦП оцифровывает звук путем осуществления точных измерений параметров волны через небольшие промежутки времени.

На рисунке ниже приведен упрощенный пример работы АЦП, который периодически измеряет амплитуду звуковой волны и преобразует ее в набор цифровых значений (столбики), одинаковых по продолжительности, последовательность появления которых по форме напоминает оригинальную непрерывную волну:

Как работают звуковые карты

Количество измерений в секунду называется частотой дискретизации и измеряется в кГц. Чем выше частота дискретизации карты, тем более точной является воспроизведенная волна (то есть, с увеличением частоты цифровая волна становится плавнее и больше напоминает оригинальную звуковую).

Если вы проиграете сделанную запись через колонки, ЦАП выполнит вышеупомянутые элементарные операции в обратном порядке. Благодаря точности измерений и высокой частоте дискретизации, воспроизведенный аналоговый сигнал будет почти идентичным оригинальной звуковой волны.

Однако даже высокие значения частоты дискретизации вызывают некоторое ухудшение качества звука. Физический процесс передачи звука по проводам также может вызвать искажения. Производители используют два показателя для описания такого ухудшения звуковой качества:

• Коэффициент нелинейных искажений, КНИ (Total Harmonic Distortion, THD), измеряется в процентах;

• Соотношение сигнал/шум, ССШ (Signal to Noise Ratio, SNR), измеряется в децибелах (дБ).

Малое значение КНИ и большое ССШ свидетельствуют о высокое качество звуковой системы. Некоторые карты также поддерживают цифровой вход, что позволяет хранить цифровые записи без преобразования их в аналоговый формат.

МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗВУКА

Компьютеры и звуковые карты могут использовать несколько методов для создания звуков. Одним из них является синтез с использованием частотной модуляции, ЧМ-синтез (Frequency modulation synthesis, FM synthesis), в котором компьютер сочетает несколько звуковых волн (накладывает их одна на одну), чтобы получить более сложные формы волны.

Другой – синтез с помощью волновых таблиц (wavetable synthesis), что использует фрагменты записи звуков реальных инструментов (т. зв. «сэмплы») для воспроизведения музыки. Этот синтез часто использует несколько образцов игры одного и того же инструмента с различной высотой тона, чтобы достичь более естественного звучания. В общем, синтез с помощью волновых таблиц воспроизводит звуки значительно точнее за ЧМ-синтез.

Другие составляющие звуковой карты

Кроме основных компонентов, необходимых для обработки звука, большинство звуковых карт имеют дополнительные аппаратные средства или вход/выходу соединения, как:

Процессор цифровой обработки сигналов, ПЦОС (Digital Signal Processor, DSP)

Как и графический процессор видеокарты, ПЦОС является специализированным микропроцессором. Он частично разгружает центральный процессор (ЦП), ведь самостоятельно выполняет расчеты для аналогового и цифрового преобразований. ПЦОС способен обрабатывать несколько звуков или каналов одновременно. Звуковые карты, у которых отсутствует ПЦОС, используют ЦП для таких вычислений.

Память

Как и в случае с видеокартой, звуковая карта может использовать собственную оперативную память для более быстрой обработки данных.

Вход и выхода соединения

Большинство звуковых карт имеют разъемы для микрофона и колонок. Но некоторые содержат столько входов и выходов, что для них созданы внешние блоки (другие названия: выносные панели, передние панели, реобасы), которые часто устанавливаются в свободную секцию системного блока компьютера, предназначенную для оптических накопителей (таким образом, все дополнительные разъемы удобно располагаются на передней панели системника). Среди таких соединений выделяют:

• Многочисленные разъемы для трехмерного аудио и объемного звука;

• S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface) – цифровой звуковой интерфейс от компаний Sony и Philips – это протокол пересылки цифровых аудиоданных. Использует как коаксиальные (RCA, BNC), так и оптические (Toslink) разъемы для двустороннего обмена информацией со звуковой картой.

• MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – цифровой интерфейс музыкальных инструментов, используется для соединения синтезаторов или других электронных музыкальных инструментов с компьютером;

• Разъемы FireWire и USB, предназначены для подсоединения цифровых аудио - и відеозаписувальних устройств к звуковой карте (диктофоны, видеорегистраторы, видеорекордеры и др.).

Как работают звуковые карты

СОВРЕМЕННЫЕ ЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И API

Разработчики игр используют технологию трехмерного звука (3-D sound) для создания подвижного, динамичного звука, который меняется в зависимости от того, в каком месте игры находится игрок. Кроме использования нескольких звуковых источников, эта технология также позволяет реалистично воспроизводить звук, обходит различные препятствия или проходит сквозь них.

Технология объемного звука (Surround sound) тоже применяет несколько источников звука, но звук не меняется в зависимости от действий слушателя. Объемный звук в основном используется в системах “домашний кинотеатр”.

Как и видеокарта, звуковая карта использует программное обеспечение (ПО) для улучшения ее взаимодействия с прикладными программами и другими составляющими компьютера. Такое ПО содержит как драйвера самой карты, что позволяют ей взаимодействовать с операционной системой, так и прикладные программные интерфейсы (Application Programming Interface, API), которые являются наборами стандартов или правил выполнения определенных задач, облегчающих работу прикладных программ со звуковой картой.

Самые распространенные API:

• Microsoft DirectSound;

• Creative: Environmental Audio Extensions (EAX) и Open AL;

• Sensaura: MacroFX;

• QSound Labs: QSound (QSo).

Другие способы управления звуком

Не каждый компьютер оборудован звуковой картой. Большинство современных материнских плат имеют встроенную подсистему обработки аудио. МП с собственным ПЦОС может одновременно обрабатывать несколько потоков данных. Встроенный аудио-кодек может даже поддерживать трехмерный (позиционный) звук и объемный звук стандарта Dolby surround. Однако, несмотря на такие возможности, большинство обозревателей сходятся во мнении, что отдельные звуковые карты обеспечивают лучшее качество звука.

Ноутбуки, как обычно, имеют встроенные в материнские платы аудио-подсистемы или небольшие звуковые карты. Однако, учитывая малый объем (в портативных устройствах не хватает свободного места) и необходимость жесткого температурного контроля (эффективное охлаждение играет ключевую роль в построении портативной техники) создание и производство высококачественных миниатюрных внутренних звуковых карт является как минимум нецелесообразным. Поэтому пользователи ноутбуков могут приобретать внешние звуковые контроллеры, подключаемые через USB или FireWire.Такие внешние модули могут значительно улучшить качество звука, воспроизводимого ноутбуками.

Как работают звуковые карты

Выбор звуковой карты

Существует много факторов, которые влияют на работу звуковой карты и ее способность воспроизводить чистый и качественный звук. Перед покупкой звуковой карты обратите внимание на такие ее характеристики:

• Разрядность АЦП и ЦАП, измеряется в битах;

• Соотношение сигнал/шум (SNR) и коэффициент нелинейных искажений (THD);

• Амплитудно-частотная характеристика, АЧХ (Frequency response), – определяет громкость звучания карты на разных частотах;

• Частота дискретизации;

• Количество выходов независимых каналов (например, конфигурация 5.1 или 7.1);

• Поддерживаемые прикладные программные интерфейсы (API);

• Сертификаты, в том числе Dolby Master и THX.

Каждый, кто вкладывает деньги в звуковую карту высокого класса, также должен иметь высококачественные динамики. Даже самая лучшая звуковая карта не может компенсировать низкое качество динамиков.

Похожие материалы (по тегу)

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Top