Устройство и принципы работы звуковой платы
Звуковые платы состоят из четырех основных частей: блока синтезатора MIDI, блока преобразования: аналогово-цифрового (АЦП) и цифроаналогового (ЦАП), а также блока MPU MIDI Processing Unit и блока микшера.
По конструкции звуковые платы делят на обычные и дочерние платы, которые подключаются к 26-контактному разъему на основной звуковой плате. Дочерние платы добавляют к основным возможностям некоторые дополнительные, например, более качественную поддержку MIDI-команд. Несмотря на то, что звуковые платы с интерфейсом PCI имеют 32-разрядную шину данных, звук все равно обрабатывается по 16-битной «сетке», при этом цифровые данные передаются и обрабатываются с использованием всей ширины шины (32 бит).
Звуковая плата имеет набор разъемов для подключения внешних сигналов:
– входные разъемы – микрофон, линейный вход, CD–ROM аналоговый (размешен на самой плате), CD–ROM цифровой (на некоторых PCI платах);
– выходные разъемы – линейный выход, выход на колонки или наушники. Встроенный усилитель может иметь мощность усиления до 4 Вт на каждый канал, некоторые звуковые платы имеют усилитель с выходной мощностью, которая достаточна только для наушников.
Цифровой интерфейс для передачи звуковых сигналов S/PDIF (Sony/Phillips Digital Interface Format), все чаще применяемый на современных звуковых платах, представляет собой электрически упрощенный вариант студийного интерфейса AES/EBU (Audio Engineers Society/European Broadcast Union) и используется для передачи звука между блоками бытовой аппаратуры, для вывода сигнала с компакт-диска и т. п.
На некоторых звуковых платах встречаются разъемы для интерфейса IDE, которые используются для подключения привода CD–ROM. Но такое решение нельзя назвать нормальным, т. к., во-первых, низкая производительность явно недостаточна для современных скоростных приводов, во-вторых, не каждая операционная система сможет нормально распознать устройство, подключенное к контроллеру на звуковой плате.
В программное обеспечение (драйвер) звуковой платы обычно входит программа-микшер, которая обеспечивает регулировку входных и выходных сигналов, а также регулировку тембра по низким и высоким частотам. Типичная звуковая плата состоит из следующих компонентов (рис. 2):
Рис. 2. Устройство звуковой карты
Устройство звуковой карты
Блок преобразования включает узлы, выполняющие преобразование в обоих направлениях, и узел управления.
Цифроаналоговый преобразователь (Digital Analog Converter, DAC, ЦАП) обеспечивает воспроизведение звуковых файлов с уровнем качества от кассетного магнитофона до звукового компакт-диска. Преобразование цифра – аналог может осуществляться либо в режиме программной передачи данных, либо при помощи каналов прямого доступа к памяти DMA.
Аналого-цифровой преобразователь (Analog Digital Converter, ADC, АЦП) должен обеспечивать обратный процесс: возможность записи звука в файл с тем же уровнем качества. Преобразование аналог–цифра может осуществляться либо в режиме программной передачи данных, либо при помощи каналов прямого доступа к памяти DMA.
Узлы ЦАП и АЦП обычно оформляются в виде отдельной микросхемы (AD1848, CS4231, СТ1730 и т. д.) либо интегрируются внутрь одной из больших микросхем на плате. От качества преобразования во многом зависит качество как оцифровки, так и воспроизведения звука, хотя в неменьшей степени она зависит и от применяемых усилителей.
2. Блок синтезатора.
Блок обработки команд MIDI (синтезатор) должен обеспечивать имитацию звучания музыкальных инструментов и воспроизведение различных звуков при выполнении так называемых MIDI–команд. Синтезатор может быть выполнен как на основе синтеза FM (Frequency Modulation), так и на основе таблицы волн WT (Wave Table). При использовании в музыке звучаний реальных инструментов для синтеза лучше всего подходит метод WT, для создания же новых тембров более удобен FM.
Блок MPU (MIDI Processing Unit) осуществляет передачу данных по внешнему MIDI-интерфейсу, выведенному на разъем игрового порта и разъем для дочерних плат. Обычно более или менее совместим со стандартом MPU 401, но часто требуется программная поддержка со стороны драйверов. Интерфейс MIDI имеют практически все профессиональные и полупрофессиональные клавишные синтезаторы.
Блок микшера. Микшер представляет собой набор управляемых усилителей, коэффициент усиления которых регулируется звуковым процессором. При необходимости смешивания сигналов от разных источников (например, с CD–ROM и линейного входа) может оказаться, что линейный вход сильно зашумлен и даже в отсутствие полезного сигнала на нем эти шумы будут присутствовать в выходном сигнале платы. Для их подавления придется заглушить неиспользуемые в данный момент источники сигнала в программе управления микшером платы. Микшер большинства звуковых плат совместим с Sound Blaster Pro.
Оценка качества звуковых плат
При оценке качества звуковой платы в основном оценивается так называемый динамический диапазон. Он характеризует способность издавать как тихие, так и очень громкие звуки. Чем больше показатель этого параметра, тем лучше.
Динамический диапазон ограничивается двумя факторами:
1) верхняя граница равна предельной громкости, которую способна выдавать звуковая плата без видимых искажений;
2) нижняя ограничена собственными шумами компонентов платы. Дешевые звуковые платы характеризуются в первую очередь высоким уровнем собственных шумов, который можно услышать, например, при выведенном на максимум регуляторе громкости и выключенном звуке (пример ESS 1868). На практике динамический диапазон сильно зависит от разрядности воспроизводимого звука.
Под разрядностью звуковой платы имеют в виду разрядность цифрового представления звука – 8 или 16 бит. При 8-разрядном представлении качество звука напоминает качество телефонного разговора, тогда как 16-разрядные уже подходят под определение Hi–Fi и теоретически могут обеспечить студийное качество звучания.
Частота дискретизации определяет максимально возможную частоту записываемого или воспроизводимого сигнала, которая примерно равна половине этого параметра. Для высококачественного звучания необходимо иметь частоту дискретизации не менее 44 100 Гц.
Стоит отметить, что максимальная частота дискретизации для любого аналогового входа/выхода составляет 48 кГц. Более высокие показатели, такие как 96 или 192 кГц, относятся к цифровому интерфейсу. Даже самые современные звуковые процессоры Audigy работают с частотой дискретизации максимум 48 кГц, а более высокие показатели достигаются путем преобразования частоты дискретизации.
Большая часть звуковых карт имеет два выхода: линейный «Line Out» и «Speakers». В последнем сигнал идет через усилитель на звуковой карте. Если он не самый тихий, то чистого звука не получится, как бы хороши ни были колонки. Плата может иметь либо только линейный выход, либо только усиленный выход для наушников, либо оба выхода одновременно. Если плата содержит микросхему усилителя (она обычно расположена вблизи выходного гнезда и имеет маркировку TDAxxxx), т. е. смысл поискать и переставить перемычки в положение линейного выхода или даже перепаять их, если перемычки несъемные.
Интегрированные звуковые платы
Большинство интегрированных звуковых плат строятся на основе стандарта АС'97, который разработан компанией Intel. Согласно этому стандарту звуковой контроллер разделен на две независимые части: цифровой контроллер и аналоговый кодек, они связаны между собой последовательным цифровым каналом AC-Link. Цифровой контроллер может содержать универсальный или специализированный звуковой процессор для обработки звука, табличный волновой синтезатор, модуль поддержки DOS-звука, кодер-декодер Dolby и DTS и т. п., а может просто отвечать за обмен данными между системной шиной и кодеком.
Кодек представляет собой микросхему (4 4 см, 48 выводов), которая отвечает за преобразование звука в аналоговую форму при воспроизведении и в цифровую форму при записи звука.
Стандартный кодек может содержать следующие функциональные блоки:
16-разрядные ЦАП и АЦП, а также аналоговый микшер;
до четырех линейных стерео входов и до двух моновходов;
один или два микрофонных входа с возможностью усиления (+20 дБ);
один линейный стереовыход;
дополнительные линейные выходы: для наушников, 4-, 6- или 8-канальной акустической системы.
Основные характеристики аудиокарты
Звуковые платы различаются параметрами и функциональными возможностями. Существуют как простые и недорогие модели, стоимость которых составляет 10–30 долларов, так и дорогие профессиональные карты стоимостью 1000 долларов.
Перед приобретением аудиоадаптер, определите, какие его параметры наиболее важны. Во-первых, приобретайте товар только известных производителей, тогда не возникнет проблем с драйверами, отсутствием документации, технической поддержкой, несовместимостью и т.д.
Во-вторых, помните, что кроме плат, встраиваемых в компьютер, существует внешнее решение в виде отдельной «коробочки», подсоединяемой к USB-порту. Такое решение может оказаться удобным для ноутбука или при отсутствии в ПК свободных мест для установки плат PCI.
Для качественного прослушивания звуковых программ, игр, домашнего сочинения и исполнения музыки хорошим выбором будут карты Creative Labs Audigy и M-Audio Revolution.
Для профессиональной работы со звуком потребуются более серьезные платы.
Человеческое ухо воспринимает звук в диапазоне частот от 20 Гц до 20кГц. Практически все карты воспроизводят звуки, попадающие в этот диапазон. Но разница между высококачественными и не очень хорошими звуковыми картами состоит еще и в том, что они неравномерно воспроизводят звук на разных участках частотного диапазона. Уровень звукового сигнала в недорогих картах заметно уменьшается на краях диапазона – на низких и высоких частотах.
Степень искажения сигнала при прохождении через карту называется частотной характеристикой и измеряется в децибелах (дБ). Профессиональные звуковые карты могут обеспечивать изменение уровня сигнала не более 1 дБ. А у некачественных и очень дешевых карт уровень падения сигнала может достигать 10 дБ и более. И хотя в документации будет указан воспроизводимый диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц, но фактически такая карта может воспроизводить от 80 Гц до 12 кГц.
Но не только частотный диапазон определяет характеристики карты. Важным параметром является отношение сигнал/шум, измеряемое в децибелах. Чем больше уровень сигнала по сравнению с уровнем шума, тем качественнее воспроизведение звука. Низкое отношение сигнал/шум проявляется в виде звуковых помех – фон, шипение. Хороший показатель – 108 дБ, средний – 90 дБ, худший – менее 80 дБ. На практике, из-за присутствия вокруг разных звуков, например шума от работы ПК, даже на карте с отношением сигнал/шум 80 дБ шумовой «фон» самой карты будет практически незаметен.
Карты с высоким соотношением сигнал/шум обычно более качественны, и у них остальные показатели также выше.
Аудиокарта должна поддерживать конфигурацию вашей акустической системы.
Стандарты аудиосистем
Рис. 3. Стандарты аудиосистем
Наличие дуплексного режима звуковой платы определяет, сможет ли она воспроизводить звук и одновременно записывать. Полудуплексные карты не позволяют одновременно производить оба процесса, а только поочередно. Полнодуплексные аудиокарты позволяют выполнять обе функции сразу. Аудиоплаты среднего и высокого класса являются полнодуплексными, что востребовано для таких задач, как IP-телефония и др.
Очень желательно наличие на плате аудиопроцессора (DSP), который отвечает за аудиоэффекты и аудиоалгоритмы, освобождая от дополнительной нагрузки ЦП системы. Microsoft дополнила Windows стандартным звуковым интерфейсом API (Application Programming Interface, прикладной программный интерфейс).
Стандарт Microsoft DirectSound (DS) – составная часть DirectX. Интерфейс DirectSound API позволяет программистам создавать новые программы, не вникая в «машинный язык» – работу «железа» на нижнем уровне. Любая аудиоплата должна иметь DS-совместимость.
Стандарт Microsoft DirectSound предусматривает расширение, которое поддерживает объемный (трехмерный) звук – Microsoft DirectSound3D (DS3D). Данный стандарт позволяет создать звук в заданной точке пространства. Насколько точно в конкретном месте будет создаваться нужный звук, зависит от количества колонок и возможностей аудиокарты. Здесь главное, чтобы звуковая плата поддерживала аппаратно Microsoft DirectSound3D.
Помимо Microsoft DirectSound3D, существует также стандарт Creative Labs EAX (Environmental Audio Extensions, расширения для объемного звука). Первоначально была разработана версия EAX 1.0, затем были внесены улучшения EAX 2.0 и EAX Advanced HD Multi-Environment.
Важные параметры звуковых плат:
EAX, EAX ADVANCED HD – поддержка объемного звука и аппаратных эффектов в играх. EAX – первый и довольно старый стандарт, EAX ADVANCED HD наиболее прогрессивный. EAX ADVANCED HD поддерживается в новых играх и обеспечивает высокое качество звука и различные современные звуковые эффекты. Существует еще более старый стандарт A3D, однако современные игры и звуковые платы его не поддерживают.
Волновой синтез – технология адресованная музыкантам, аппаратное воспроизведение MIDI. Формат MIDI воспроизводит любая звуковая карта, интегрированные звуковые системы программно эмулируют MIDI, поэтому звучание очень отдаленно напоминает музыку. Хорошие звуковые платы имеют аппаратный синтезатор и воспроизводят MIDI-звук высококачественно.
S/PDIF и цифровой выход – интерфейс формата передачи аудио, поддерживает передачу цифровых аудиосигналов от одного устройства к другому без преобразования в аналоговый сигнал, что позволяет избежать ухудшения качества звука. При подключении колонок к обычным аналоговым выходам неизбежны искажения звука и шум от наведенных помех. Более высокое качество звука обеспечивается за счет подключения акустической системы к S/PDIF (оптическому) или цифровому выходу. В некоторых интегрированных звуковых картах присутствует S/PDIF и цифровой выход, но это встречается довольно редко.
Интерфейс SPDIF бывает двух видов: коаксиальный и оптический.
Входы и выходы коаксиального SPDIF выполнены на разъемах типа RCA. Цифровой сигнал передается по обычному соединительному шнуру с соответствующими разъемами. В коаксиальном SPDIF данные передаются в виде электрических импульсов по обычным проводам, они подвержены наводкам. В принимающем устройстве наводки отфильтровываются, вероятность некоторой потери данных остается.
Оптический SPDIF использует для передачи данных оптический кабель. Его входы и выходы выполнены на разъемах типа Toslink, они прикрываются заглушками, по ним легко узнать тип интерфейса. На оптический кабель не влияют магнитные поля, так как информация передаются световыми импульсами.
Dolby Digital, Dolby Digital EX, DTS-ES Surround, DTS Digital Surround – стандарты объемного звука, применяемые в DVD. Они создают эффект присутствия при просмотре DVD-фильма, если, конечно, этот фильм имеет соответствующую звуковую дорожку. Таким образом, эффекты при просмотре фильма получаются не хуже, чем в кинотеатре.
Выбор аудиокарты
С каждым годом качество и функциональность интегрированных «звуковушек» растет. Интегрированные звуковые системы последнего поколения имеют даже поддержку 5.1 и 7.1 звука, при этом выдают весьма неплохое его качество. При этом интегрированная звуковая плата достается практически бесплатно, так что если не предъявлять повышенных требований, то «встроенный звук» в паре с дорогими колонками обеспечит вам неплохое качество.
Выбор дополнительной звуковой платы определяется многими соображениями: необходимостью более высокого качества звучания или оцифровки, мощным встроенным процессором, более качественным воспроизведением MIDI, а также наличием дополнительных разъемов, регуляторов или пульта дистанционного управления. Некоторые дорогостоящие платы оснащены блоком расширения, устанавливаемым в 5-дюймовый отсек. На внешнюю звуковую плату стоит обратить внимание владельцам ноутбуков и компактных компьютеров. Если планируется работа с MIDI-клавиатурой, синтезатором, редактирование звука и т. д., то необходима высококачественная звуковая карта.
Разумеется, такое решение обойдется дорого. Не имеет смысла покупать карту стоимостью 10 долларов от неизвестного производителя, она может оказаться хуже, чем встроенная «звуковуха» на хорошей МП.
Звуковая плата для любителей компьютерных игр
При покупке карты обратите внимание на поддержку ею EAX и EAX ADVANCED HD. Перечисленные технологии позволят получить звуковые эффекты, заложенные в современных компьютерных играх.
Программная эмуляция EAX не обеспечивает полной реалистичности эффектов, а кроме того, она дополнительно нагружает центральный процессор, отнимая тем самым драгоценные FPS. Для игр понадобится аппаратная звуковая плата. Игры с поддержкой технологии EAX ADVANCED HD даже в наушниках звучат великолепно.