Як працюють звукові карти. СПК

Довідник Список використаних джерел Список учасників НОП

До винаходу звукової карти (інші назви – звукова плата, аудіоплата, аудіокарта, звуковий контролер, аудіоконтролер), комп’ютер міг видавати лише один звук – писк (точніше, зумерний або пищиковий сигнал). Хоча комп’ютер міг змінювати частоту і тривалість звукового сигналу, він не міг змінювати гучність або створювати інші звуки.

Спочатку сигнал відігравав роль нагадування чи попередження. Згодом розробники почали створювати музику для перших комп’ютерних ігор, в якій використовували сигнали різної тонової висоти та тривалості. Однак це мало нагадувало справжню музику.

На щастя, звукові можливості комп’ютерів суттєво збільшилися у 1980-х роках, коли кілька виробників випустили карти розширення, призначені для керування звуком. Сучасний комп’ютер зі звуковою картою може набагато більше, ніж колишні “пищики”. Він здатен створювати тривимірне аудіо для ігор чи об’ємний звук при відтворенні відеодисків. Він також може захоплювати та записувати звук із зовнішніх джерел.

Аналогові та цифрові сигнали

Звуки і комп’ютерні дані суттєво відрізняються. Звуки аналогові – вони складаються з хвиль, які поширюються у речовині. Люди чують звуки, коли ці хвилі змушують вібрувати їхні барабанні перетинки.

Натомість комп’ютери обмінюються інформацією в цифровому вигляді за допомогою електричних імпульсів, які відповідають логічним нулю чи одиниці (0 чи 1). Як і відеокарта, звукова карта перетворює цифрову інформацію комп’ютера на аналогову інформацію довколишнього світу, і навпаки.

Найпростіша звукова карта – це друкована плата, що містить чотири основні компоненти для перетворення цифрової та аналогової інформації:

• Аналого-цифровий перетворювач (АЦП);
• Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП);
• Рознім інтерфейсу ISA (застарілий), PCI чи PCI Express (найсучасніший) для під’єднання карти до материнської плати (МП);
• Входові і виходові з’єднання для мікрофона та звукових колонок.

Замість окремих АЦП і ЦАП, деякі звукові карти використовують мікросхему кодера/декодера, яка виконує обидві функції і називається кодеком (утворено сполученням слів КОдер-ДЕКодер).

АЦП та ЦАП

Уявіть, що ви використовуєте комп’ютер для запису свого голосу. Спершу ви говорите у мікрофон підключений до звукової карти. АЦП перетворює аналогові хвилі вашого голосу на цифрові дані, які комп’ютер може сприйняти. Для цього АЦП дискретизує, або зацифровує, звук шляхом здійснення точних вимірювань параметрів хвилі через невеликі проміжки часу.

На малюнку нижче наведено спрощений приклад роботи АЦП, який періодично вимірює амплітуду звукової хвилі і перетворює її на набір цифрових значень (стовпчики), однакових за тривалістю, послідовність появи яких за формою нагадує оригінальну безперервну хвилю:

Кількість вимірювань в секунду називається частотою дискретизації і вимірюється в кГц. Чим вище частота дискретизації карти, тим точнішою є відтворена хвиля (тобто, зі збільшенням частоти цифрова хвиля стає плавнішою і більше нагадує оригінальну звукову).

Якщо ви програєте зроблений запис через колонки, ЦАП виконає вищезгадані елементарні операції у зворотному порядку. Завдяки точності вимірювань і високій частоті дискретизації, відтворений аналоговий сигнал буде майже ідентичним оригінальній звуковій хвилі.

Однак навіть високі значення частоти дискретизації викликають певне погіршення якості звуку. Фізичний процес передачі звуку дротами також може викликати спотворення. Виробники використовують два показники для опису такого погіршення звукової якості:

• Коефіцієнт нелінійних спотворень, КНС (Total Harmonic Distortion, THD), вимірюється у відсотках;
• Співвідношення сигнал/шум, ССШ (Signal to Noise Ratio, SNR), вимірюється у децибелах (дБ).

Мале значення КНС і велике ССШ свідчать про високу якість звукової системи. Деякі карти також підтримують цифровий вхід, що дозволяє зберігати цифрові записи без перетворення їх в аналоговий формат.

Методи створення звуку

Комп’ютери та звукові карти можуть використовувати кілька методів для створення звуків. Одним з них є синтез з використанням частотної модуляції, ЧМ-синтез (Frequency modulation synthesis, FM synthesis), в якому комп’ютер поєднує декілька звукових хвиль (накладає їх одна на одну), щоб одержати більш складні форми хвилі.

Інший – синтез за допомогою хвильових таблиць (wavetable synthesis), що використовує фрагменти запису звуків реальних інструментів (т. зв. «семпли») для відтворення музики. Цей синтез часто використовує кілька зразків гри одного і того ж інструмента з різною висотою тону, щоб досягти природнішого звучання. Загалом, синтез за допомогою хвильових таблиць відтворює звуки значно точніше за ЧМ-синтез.

Інщі складові звукової карти

Окрім основних компонентів, необхідних для обробки звуку, більшість звукових карт мають додаткові апаратні засоби або входові/виходові з’єднання, як-от:

Процесор цифрової обробки сигналів, ПЦОС (Digital Signal Processor, DSP)

Як і графічний процесор відеокарти, ПЦОС є спеціалізованим мікропроцесором. Він частково розвантажує центральний процесор (ЦП), адже самостійно виконує розрахунки для аналогового та цифрового перетворень. ПЦОС здатний обробляти кілька звуків або каналів одночасно. Звукові карти, у яких відсутній ПЦОС, використовують ЦП для таких обчислень.

Пам’ять

Як і у випадку з відеокартою, звукова карта може використовувати власну оперативну пам’ять для швидшої обробки даних.

Вхідні і вихідні з’єднання

Більшість звукових карт мають розніми для мікрофона та колонок. Але деякі містять стільки входових та виходових з’єднань, що для них створені зовнішні блоки (інші назви: виносні панелі, передні панелі, реобаси), які часто встановлюються у вільну секцію системного блока комп’ютера, призначену для оптичних накопичувачів (таким чином, всі додаткові розніми зручно розташовуються на передній панелі системника). Серед таких з’єднань виділяють:

• Численні розніми для тривимірного аудіо та об’ємного звуку;
• S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface) – цифровий звуковий інтерфейс від компаній Sony і Philips – це протокол пересилання цифрових аудіоданих. Використовує як коаксіальні (RCA, BNC), так і оптичні (Toslink) розніми для двобічного обміну інформацією зі звуковою картою.
• MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – цифровий інтерфейс музичних інструментів, використовується для з’єднування синтезаторів чи інших електронних музичних інструментів з комп’ютером;
• Розніми FireWire та USB, призначені для під’єднування цифрових аудіо- та відеозаписувальних пристроїв до звукової карти (диктофони, відеореєстратори, відеорекордери та ін.).