Звуковые карты

Несмотря на то что еще в первые компьютеры IBM PC были встроены элементарные возможности обработки звуковых
сигналов, эти звуки использовались исключительно для оповещения пользователя об ошибках, а не для решения
творческих задач. Компьютеры Macintosh, появившиеся в 1984 году, содержали встроенную высококачественную
систему воспроизведения звука, однако компьютеры PC так и оставались с относительно ограниченными звуковыми
возможностями, пока компании типа Ad Lib в конце
1980"х не представили миру первые внешние звуковые карты.
В современных компьютерах аппаратная поддержка звука может быть реализована в одной из следующих форм:
звуковая плата, устанавливаемая в разъем шины PCI;
микросхема AC'97 на системной плате, выпускаемая компаниями Crystal, Analog Devices, Sigmatel, ESS и др.;
звуковые устройства, интегрированные в основной набор микросхем системной платы;
в разряд недорогих наборов микросхем, обладающих подобными возможностями, входят продукты компаний Intel, SiS,
AOpen и VIA Technologies.
Независимо от места расположения звуковые устройства имеют разъемы для подключения микрофона и акустических
систем; могут присутствовать и разъемы для подключения MIDI"устройств (старые модели также были оборудованы
игровым портом). С программной точки зрения звуковые адаптеры требуют поддержки драйверами, либо
содержащимися в конкретных программах, либо установленными в операционную систему.
Первые звуковые адаптеры
Первые звуковые адаптеры были предназначены в основном для любителей компьютерных игр и выпускались
компаниями AdLib, Roland и Creative Labs. Они стоили порядка сотни долларов и часто были не совместимы друг с
другом.
Плату Game Blaster, совместимую только с некоторыми играми, заменил стандарт Sound Blaster, который был совместим
со звуковыми платами AdLib и Creative Labs Game Blaster и вскоре стал общепринятым. Оригинальная плата Sound
Blaster имела встроенный разъем для микрофона, стереовыход и MIDI"порт для подключения к компьютеру
синтезаторов и других музыкальных инструментов. Таким образом, было положено начало новой эры звуковых
адаптеров с определенным набором функций, которая продолжается по сей день и охватывает как отдельные платы, так
и интегрированные в системную плату звуковые микросхемы. Следующая модель, Sound Blaster Pro, обладала еще более
“продвинутыми” функциями и улучшенным качеством звучания. Со временем Sound Blaster Pro и ее преемники стали,
по сути, мировым стандартом воспроизведения звука на компьютере.
Ограничения совместимости Sound Blaster Pro
В те времена, когда MS"DOS была стандартом операционных систем, наибольшее распространение получили звуковые
платы, совместимые с Sound Blaster Pro. К сожалению, некоторые платы требовали задания двух отдельных наборов
ресурсов, таких как прерывания IRQ, каналы DMA и адреса порта ввода"вывода. Один из этих наборов был
предназначен для “родного” режима, а второй — для режима совместимости с Sound Blaster Pro. Другие платы
достаточно хорошо работали в среде Windows или во время сеанса MS"DOS, осуществляемого при работе Windows в
фоновом режиме, но требовали от пользователя инсталляции драйвера резидентной программы, позволяющей работать
непосредственно в MS"DOS.
Однако в процессе развития 32"разрядных игр для Windows поддержка звука стала более простой. Приложения Windows
используют драйверы операционной системы, поставляемые производителем звуковой платы. Таким образом,
программист перестал быть заложником вопросов совместимости с разными звуковыми картами, ускорителями
трехмерной графики и другими устройствами. Для объемного звука и трехмерной графики система Windows стала
использовать технологию DirectX, впервые представленную в декабре 1995 года.
Компоненты аудиосистемы
При выборе аудиосистемы необходимо учитывать параметры ее компонентов.
Разъемы звуковых плат
Большинство звуковых плат имеют одинаковые разъемы. Через эти миниатюрные (1/8 дюйма) разъемы сигналы
подаются с платы на акустические системы, наушники и входы стереосистемы; к аналогичным разъемам подключается
микрофон, проигрыватель компакт-дисков и магнитофон. Ноутбуки обычно оборудованы всего двумя разъемами:
линейным входом и линейным выходом.
На рис. 14.1 показаны четыре типа разъемов, которые обязательно должны быть установлены на вашей звуковой плате.
На рис. 14.2 представлены стандартные разъемы, которые обычно присутствуют на задней панели материнской платы с
интегрированным звуком.
Во многих современных системах с интегрированным звуком используется и другой метод: установка универсального
разъема, поддерживающего версию AC'97 стандарта 2.3. Когда в этот разъем подключается звуковое устройство,
драйвер открывает диалоговое окно, запрашивающее тип подключенного оборудования: микрофон, наушники,
акустическая система и т.п. Драйвер автоматически назначает этому разъему сигнал, поддерживающий данное
устройство. В таком случае даже при вставке штекера в неверный разъем (т.е. не в соответствии с цветовой кодировкой)
драйвер все равно подведет к нему нужный сигнал. Эту функцию иногда называют автоматическим распознаванием.
Ниже перечислены разъемы, которые обычно содержит звуковая плата, и указана их цветовая маркировка.
Линейный выход (салатовый). Сигнал с этого разъема можно подать на внешние устройства — акустические
системы, наушники или вход стереосистемы.
Линейный вход (голубой). Этот входной разъем используется при микшировании звукового сигнала, поступающего
от внешней аудиосистемы, и/или его записи на жесткий диск. Некоторые звуковые адаптеры используют многоцелевой
разъем для поддержки различных комбинаций линейного входа, подключения микрофона и цифрового оптического
входа/выхода.
Разъем для тыльных колонок и наушников (стандартный цвет отсутствует). Практически все современные
звуковые адаптеры и настольные системы с интегрированным звуком содержат разъемы для подключения тыловых,
центральной и низкочастотной колонок, которые используются в системах объемного звука стандарта 5.1 и выше.
Системы, поддерживающие стандарт 5.1, имеют три разъема: один — для фронтальных (стерео), второй — для тыльных
(стерео) и третий — для центральной и низкочастотной (сабвуфер) колонок. Системы с поддержкой стандартов 6.1 и 7.1
могут содержать дополнительный разъем или переназначить с помощью программы для обеспечения дополнительного
выхода разъемы тыловых и центральной/низкочастотной колонок.
Микрофонный вход (розовый). К этому разъему подключается микрофон для записи на диск голоса или других
звуков. Запись с микрофона является монофонической. Для повышения качества сигнала во многих звуковых платах
используется автоматическая регулировка усиления (AGC). Уровень входного сигнала при этом поддерживается
постоянным и оптимальным для преобразования. Для записи лучше всего использовать электродинамический или
конденсаторный микрофон, рассчитанный на сопротивление нагрузки от 600 Ом до 10 кОм. В некоторых дешевых
звуковых платах микрофон подключается к линейному входу.
Проигрывание музыкальных компакт-дисков выполняется одним из следующих способов: звук воспроизводится либо в
аналоговой, либо в цифровой форме. Воспроизведение в аналоговой форме осуществляется с помощью аналогового
аудиокабеля, соединяющего накопитель со звуковой платой. Этот кабель не передает системной шине данные, которые
считываются с компакт-диска; он соединяет аналоговый аудиовыход накопителя CD-ROM непосредственно с
усилителем звуковой частоты, размещенным на звуковой плате. Во многих случаях для проигрывания музыкальных
компакт-дисков или прослушивания звукового сопровождения, имеющегося во многих компьютерных играх, требуется
соединить дисковод CD-ROM со звуковой платой с помощью аудиокабеля.
Дополнительные разъемы
Большинство современных звуковых адаптеров и материнских плат поддерживают возможности воспроизведения DVD,
обработки звука и т.д., а следовательно, имеют несколько дополнительных разъемов.
Вход и выход MIDI. Старые звуковые карты, оснащенные игровым портом (15-контактный разъем), также
поддерживали вход и выход устройств MIDI. В современных звуковых адаптерах высокого класса порт MIDI обычно
расположен на выносной панели портов ввода-вывода, которая вставляется в 5,25-дюймовый отсек передней панели
системного блока.
Вход и выход SPDIF (SP/DIF). Этот разъем (Sony/Philips Digital Interface) используется для передачи цифровых
аудиосигналов между устройствами без приведения к аналоговому виду. Этот разъем может находиться как на
основной, так и на выносной задней панели ввода-вывода. Интерфейс SPDIF некоторые производители называют Dolby Digital.
CD SPDIF. Этот разъем предназначен для подключения накопителя CD"ROM к звуковой плате с помощью
интерфейса SPDIF.
Вход TAD. Разъем для подключения к звуковой плате модемов с поддержкой автоответчика для обработки речевых
сообщений. Типичное место расположения — верхний торец аудиоадаптера.
Оптический вход/выход SPDIF. Этот выход предназначен для поддержки домашних кинотеатров и цифровых
акустических систем с оптическим входом. Обычно располагается на передней выносной 5,25"дюймовой панели вводавывода (см. рис. 14.3). В интегрированных на материнской плате решениях может находиться на основной или
выносной задней панели.
Вход Aux In. Предназначен для приема входного сигнала из прочих источников, таких как платы TV-тюнера.
Обычно расположен на торцевой стороне адаптера.
Сжатие данных
В большинстве плат качество звучания соответствует качеству компакт-дисков с частотой дискретизации 44,1 кГц. При
такой частоте на каждую минуту звучания при записи даже обычного голоса расходуется около 11 Мбайт дискового
пространства. Чтобы уменьшить размеры звуковых файлов, во многих платах используется сжатие данных. Например, в
плате Sound Blaster ASP 16 оно осуществляется в реальном времени (непосредственно при записи) со степенью сжатия
звука 2:1, 3:1 или 4:1.
Поскольку для хранения звукового сигнала необходим большой объем дискового пространства, в большинстве звуковых
плат выполняется его сжатие методом адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ADPCM), что
позволяет сократить размер файла примерно в 4 раза. Посредством метода ADPCM 16-битовый линейный звуковой
сигнал сжимается до 4 бит на каждый сигнал. Однако при этом ухудшается качество звука.
Стандарта на ADPCM пока нет, хотя компании Apple и Microsoft внедряют поддержку IMA-ADPCM в свои продукты,
правда, несколько по-разному. Форматы AIFF от Apple и WAV от Microsoft несовместимы, но существуют
универсальные проигрыватели, способные воспроизводить звуковые файлы самых разнообразных форматов.
Во время установки звукового адаптера происходит инсталляция нескольких кодеков (программ, выполняющих
компрессию и декомпрессию видеоданных и стереофонического звука). Наряду со многими другими программами
устанавливается и одна из разновидностей ADPCM.
Наиболее популярным стандартным алгоритмом сжатия является MPEG (Motion Pictures Experts Group), с помощью
которого можно упаковывать как звук, так и изображение. Он популярен в “некомпьютерной” сфере и применяется в
DVD-проигрывателях. С помощью этого метода достигается степень сжатия 30:1 и даже выше. Популярный формат
сжатия звуковых файлов MP3 использует схемы сжатия, аналогичные MPEG. Такие файлы могут воспроизводиться в
проигрывателе Windows Media, а также в широком спектре других
программ и устройств.
Драйверы звуковых плат
Как и для многих других компонентов ПК, программный драйвер обеспечивает связь между аудиоадаптером и
программой или операционной системой. В Windows 9x/Me/2000/XP/Vista существует библиотека драйверов
практически для всех аудиоадаптеров, представленных на рынке. Как правило, драйверы создаются производителем
аудиоадаптеров и распространяются исключительно собственными силами Microsoft. Поставляемые с устройством
драйверы могут быть более новыми, чем установленные в операционной системе. Традиционно наилучший способ
получить самые “свежие” и совершенные драйверы — посетить сайт производителя аудиоадаптера. В то же время для
Windows Me/2000/XP желательно использовать драйверы с цифровой подписью, сертифицированные в Microsoft
Hardware Quality Labs.
Подобные драйверы можно найти на сайте производителя или установить автоматически с помощью функции
обновления Windows Update.
Звуковые платы: основные понятия и термины
Чтобы понять, что такое звуковые платы, сначала необходимо уяснить смысл некоторых терминов, таких как “24разрядное качество звука”, “порт MIDI” и др. В описаниях новых технологий звукозаписи постоянно встречаются такие
туманные понятия, как “дискретизация” и “цифроаналоговый преобразователь” (ЦАП).
Природа звука
Звук — это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех
направлениях. Когда волны достигают уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают эту
вибрацию, и вы слышите звук.
Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).
Частота (тон) — это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Цикл (период) — это
одно замкнутое движение источника колебания (туда и обратно).
Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20
кГц (1 кГц = 1000 Гц). Частота звука самой низкой ноты на рояле равна 27 Гц, а самой высокой — чуть больше 4 кГц.
Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-станции, — 15 кГц.
Просто удивительные коэффициенты сжатия в формате MP3 по отношению к обычным файлам WAV с качеством
музыкального компакт-диска как раз и объясняются тем, что из волнового образа звуковой дорожки “вырезаются” все
частоты, не слышимые человеческим ухом.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Амплитуда звуковых колебаний зависит, в первую очередь, от
мощности их источника. Например, струна пианино при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее
колебаний невелик. Если же ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость
звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум —
около 70 дБ, а близкий удар грома — 120 дБ.
Оценка качества звукового адаптера
Для оценки качества звукового адаптера используются три параметра: частотная характеристика, коэффициент
гармоник и отношение “сигнал/шум”.
Частотная характеристика определяет тот диапазон частот, в котором уровень записываемых и воспроизводимых
амплитуд остается постоянным. Для большинства звуковых плат этот диапазон составляет от 30 Гц до 20 кГц.
Коэффициент гармоник (или коэффициент нелинейных искажений) характеризует нелинейность функции усиления
звуковой платы, или, проще говоря, коэффициент характеризует чистоту воспроизведения звука. Каждый нелинейный
элемент является причиной искажения. Чем меньше этот коэффициент, тем выше качество звука. Данный коэффициент
может различаться для аудиоадаптеров с одинаковыми наборами микросхем. Модели с дешевыми компонентами
зачастую имеют значительные искажения, что ухудшает качество звука.
Отношение “сигнал/шум” характеризует силу звукового сигнала по отношению к фоновому шуму (шипению). Чем
больше этот показатель (измеряемый в децибелах), тем лучше качество воспроизведения звука. Например, аудиоадаптер
Sound Blaster Audigy 2 имеет отношение 106 дБ, в то время как более старая модель этой звуковой платы
характеризуется отношением 90 дБ.
Перечисленные факторы имеют важное значение для всех сфер применения аудиоадаптеров — от воспроизведения
файла WAV до распознавания речи. Не забывайте о том, что дешевые микрофон и акустическая система могут свести на
нет все преимущества дорогого аудиоадаптера.
Дискретизация
Если в компьютере установлена звуковая плата, то он может записывать звук в цифровой
(называемой также дискретной) форме, в этом случае компьютер используется в качестве записывающего устройства. В
состав звуковой платы входит небольшая микросхема — аналого-цифровой преобразователь, или АЦП, который при
записи преобразует аналоговый сигнал в цифровую форму, понятную компьютеру. Аналогично при воспроизведении
цифроаналоговый преобразователь (DAC) преобразует аудиозапись в звук, который способны воспринимать уши.
Дискретизацией называется процесс преобразования исходного звукового сигнала в цифровую форму (рис. 14.5), в
которой он и хранится для последующего воспроизведения. (Процесс преобразования в цифровую форму называют
также оцифровкой.) При этом сохраняются мгновенные значения звукового сигнала в определенные моменты времени,
называемые выборками. Чем чаще берутся выборки, тем точнее цифровая копия звука соответствует оригиналу.
Первым стандартом MPC предусматривался “8-разрядный” звук. Это не означает, что звуковые платы должны были
вставляться в 8-разрядный разъем расширения. Разрядность звука характеризует количество битов, используемых для
цифрового представления каждой выборки. При восьми разрядах количество дискретных уровней звукового сигнала
составляет 256, а если использовать 16 бит, то их количество достигает 65536. Современные высококачественные
звуковые адаптеры поддерживают 24-разрядную дискретизацию, при этом количество дискретных уровней звукового
сигнала составляет более чем 14,8 млн.
Микрофоны
Обычно микрофоны не входят в комплекты звуковых плат, но они вам понадобятся при записи речи в файл WAV.
Выбрать микрофон довольно просто: его разъем (обычно диаметром 1/8 дюйма) должен соответствовать гнезду на
звуковой плате.
Как и акустические системы, микрофоны имеют свои частотные характеристики, но эти параметры для них не столь
важны, поскольку частотный диапазон человеческого голоса ограничен. Если вы собираетесь записывать только речь,
можете обойтись дешевым микрофоном с узкой полосой рабочих частот. Частотный диапазон дорогих микрофонов
намного шире диапазона человеческой речи.
Для записи музыки лучше приобрести дорогой высококачественный микрофон, но помните, что при 8-разрядной
звуковой плате музыкальная запись, сделанная как с дорогого, так и с дешевого микрофона, окажется одинаково плохой.
Микрофон должен соответствовать условиям записи. При работе в шумном офисе лучше пользоваться направленным
микрофоном; это позволит избавиться от посторонних звуков.