Компютърни звукови карти

[Mozo]

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ
Факултет “Компютърни системи и управление”
Специалност „Компютърни системи и технологии”
Учебна дисциплина “Компютърна периферия”

Компютърни звукови карти

Повечето развлечения на компютъра, са свързани с визията - това, което виждате на монитора, може да се каже, че е най-важната част от забавленията на компютъра или поне най-скъпата. За да се позабавлявате на вашия компютър, ще ви е нужен и слухов контакт с него. Всъщност перфектното качество на звука, разграничава днешните компютри от предишните поколения на този вид технология. Днес, компютъра може да генерира звуци сам, може да действа като синтезатор или звуков генератор, и може да контролира външни устройства, които правят същото нещо чрез MIDI интерфейса. Компютърът може да записва или тества звуци с точност по-добра от тези на комерсиалните стерео компакт-дискове (CD). Можете да подредите всичката си музика в дадена папка и след това да я заредите на вашия MP3 плейър. Нещо повече, всички звуци, които компютърът възпроизвежда могат да бъдат редактирани и манипулирани: тоновете могат да бъдат удължени, гласовете – изменени, звуците – комбинирани, музиката – миксирана. Компютрите в днешно време могат да правят неща, които дори и най-добрите стерео уредби не могат.
Малко предистория:
Природа на звука. От физична гледна точка, звуците представляват сложни механични трептения, разпространяващи се в пространството подобно на електромагнитните вълни (сферо-образно), но със скорост около 320 м/сек, а човешкото ухо чува тези трептения, ако те са с честота от 16 Hz до около 20 КHz. Примерно, честотата на звука на най-ниската нота при пианото е 27 Hz, а при най-високата е малко над 4 КHz. Също така най-високата звукова честота, която могат да предават FM радиостанциите е 15 КHz. Силата (интензивността) на звука се определя от амплитудните колебания, които зависят най-вече от мощността на звуковия източник. Например, струната на пиано при слаб удар по съответния клавиш звучи тихо, тъй като диапазона на нейните колебания е малък. При по-силен удар, амплитудата на колебанията на струната се увеличава и тя звучи по-силно. Тази интензивност на звука се измерва в децибели (dB). Шума на листата, например е със сила около 20 dB, уличния шум – около 70 dB, а близкия удар на гръмотевица е със сила около 120 dB.
2. Запис на звука. Идеята за записването, съхраняването и възпроизвеждането му датира от 19-ти век, а през 1877г. Томас Едисон създава първото такова механично устройство, наречено фонограф.
Съвременните компютри използват звукови карти, разполагащи с мощни копроцесорни интегрални схеми, генериращи изключително чист и качествен звук. За оценяване качествата на звуковия адаптер се използват три параметра: честотен диапазон, коефициент на нелинейни изкривявания и отношение сигнал/шум. Честотната характеристика определя този диапазон от честоти, в който нивото на записваните и възпроизвежданите амплитуди остава постоянно. За повечето звукови платки той е в границите от 30 Hz до 20 КHz.
Коефициентът на нелинейни изкривявания характеризира нелинейността на звуковата платка, т. е. разликата между реалната крива на честотната характеристика и идеалната права, или казано иначе, коефициентът характеризира чистотата на възпроизвеждания звук. Колкото той е по-малък, толкова качеството на звука е по-високо. Въпросният коефициент може да е различен при аудиоадаптери с еднакви микросхеми, като при модели с евтини електронни компоненти има значителни изкривявания и звука е некачествен. Също така, трябва да се има в предвид, че всеки нелинеен елемент води до изкривявания. Отношението сигнал/шум характеризира силата на звуковия сигнал по отношение на фоновия шум. Колкото показатела е по-висок в децибели, толкова качеството на възпроизвеждания звук е по-добро. Например, аудиоадаптерът Sound Blaster Audigy има отношение приблизително 100 dB, а повечето по-стари и евтини звукови платки се характеризират с отношение 90 dB.Изброените параметри имат значение за всички приложения при използване на аудиоадаптерите – от възпроизвеждането на WAV файлове, до разпознаването на реч. Нека не забравяме също, че евтините микрофон и озвучителна уредба, могат да сринат всички преимущества на скъпата аудио карта.
Цифров и аналогов сигнал:  при обикновените звукови уредби, които работят по аналогов път (примерно тези с аудиокасетки) звука се възпроизвежда, като се превръща в електричен сигнал с различен волтаж - това е т.н. аналогов звук. При цифровият звук нещата стоят по по-различен начин – аналоговият сигнал за дадения момент се изобразява с двоично число – дискрета. Снемането на моментната стойност на аналоговото ниво се прави с определена (дискретизираща) честота. Колкото е по висока честотата и са повече разредите на числото, толкова по прецизно е конвертирането на аналоговия сигнал в цифров. По този начин работят Аналогово – Цифровите преобразуватели (АЦП). При конвертирането на цифровия сигнал в аналогов се прави обратното действие – дискретите се поставят една до друга със същата като дискретизиращата честота при снемането им и така получаваме обратно звука в аналоговия му вид. Така работят Цифрово – Аналоговите преобразуватели (ЦАП) И двете конверсии се прилагат - когато превръщаме аналогов в цифров сигнал, примерно като записваме звук на компютъра с микрофон и когато слушаме любимата си музика, записана на цифров носител. АЦП и ЦАП са в сърцето на всяка звукова карта. 
Днешните звукови карти са много по-усъвършенствани от времената на простите ЦАП карти, които освен този чип не съдържаха нищо повече. Те освен преобразователите съдържат и много по-напреднали технологии. Един от основните им елементи е т.н. DSP или Digital Signal Processor - това е процесор, който може да обработва поточни цифрови сигнали - при звуковите карти той служи за подобряване на плътността на звука и създаване на 3-мерен такъв. Освен това служи и за обработка на входящите сигнали. Този процесор също се нуждае от памет, за да работи, понеже той е цялостен процесор, като този на компютрите и графичните карти. Звуковите контролери се отличават по обема на таблиците. В същността си таблиците представляват постоянна памет, като в момента на възпроизвеждане на звуците се възпроизвеждат адресите от таблицата. Първоначално в тези таблици са съществували чисти тонове, като по-късно се развива идеята те да бъдат заменени с тонове от музикални инструменти и звуци от природата. Звуковите карти изпълняват две функции: 

• Възпроизвеждат звуците генерирани от използвания в момента софтуер;
• Осигуряват възможност за въвеждане на звук от външна среда в РС.

Всяка звукова карта притежава: вход за микрофон (MIC), изход за говорител (SP), и линеен стереоизход (LINE). Ако се включва усилвател, това трябва да стане на линейния изход (не на изхода за самия високоговорител). Повечето звукови карти са снабдени и с допълнителни, малки усилватели, които позволяват директно към изходите на контролера да се включат и слушалки или малки озвучителни тела. Някои звукови карти имат джъмпери, позволяващи да се превключват изходите на високоговорителите. Следващите по сложност контролери имат един или няколко линейни изхода със съответния аналогов ключ за превключване, който позволява да се въвежда външен звуков сигнал и да се обработи в РС със съответен продукт. Съществуват и професионални звукови карти (притежават съответно количество оперативна памет) – използват се, когато се налага смесване на сигнали в реално време. Всеки звуков контролер има отделен аналогов вход за свързване с оптично устройство (някои имат и цифров, но рядко се използват) CD/DVD – ROM/RW. Този вход позволява директно да се слуша музика от оптичния носител, без излишно да се натоварва централния процесор. Повечето аудиопроцесори имат отворен един единичен интерфейс за твърди дискове, който е на самата звукова карта (IDE2). Дублира се интерфейсът IP2, който е на дъното. Задължително към всяка звукова карта производителят трябва да предостави драйвери за управление под DOS, Windows или друга операционна система – без тях неможе да се общува с ОС, както и да има съответни инсталационни програми, които да инсталират драйверите. Звуковите карти се различават и по интерфейса, за който са направени ( ISA, PCI и най-новия интерфейс PCIe). Освен драйвери, за да се използва звуковият контролер, трябва да има и съответен софтуер – различни видове компресори и декомпресори, позволяващи заемане на по-малко място на диска. Наличието на всички тези функции в звуковите карти превръщат обикновената компютърна система в мултимедийна. В зависимост от това доколко комплексен е даден звуков контролер се определя степентта на натоварване на централния процесор – колкото по-сложна е звуковата карта, толкова повече функции използва, и ако те са реализирани в звуковия чип, централният процесор е разтоварен; респективно, колкото по-проста е звуковата карта, толкова повече се натоварва централният процесор.
За да се създаде истински качествен звук днешните звукови карти използват напреднали системи от колони и усилватели, за звук с високо качество. Системите за обемен (surround) звук се състоят от повече от една колона, които са свързани с т.н. Dolby Surround декодер или директно със звуковата карта. Типа на тези системи се определят с един показател, който определя колко колони има в тях - примерно 5.1 системата показва, че има 5 отделни колони - 4 във всеки от ъглите на пространството, и една, която служи за център и се слага между предните два. .1, пък показва, че системата има и subwoofer, който отговаря за ниските честоти или бас ефектите. Все пак 5.1 системите са насочени по-скоро към домашните системи за домашно кино. В компютрите се използват по-често 2.1 системи, които при правилно разположение спрямо компютъра и слушателя създават усещане за обемен звук (емулация на съраунд). Звуковите системи могат да се свържат по няколко начина с компютъра - с аналогова връзка с обикновени чинчове, с цифрова S/Р DIF връзка или при скъпите, професионални карти - със нестандартен интерфейс. 

Целият материал: