PRACA DYPLOMOWA

Temat: Karta dźwiękowa

Częstochowa 2003

Spis treści:

1.	Cel pracy ..................................................................................................................			2
2.	Historia dźwięku w komputerze ............................................................................			3
3.	Musical Instrument Digital Interface: ..................................................................			5
	3.1.	Sekwencer .......................................................................................................		6
	3.2.	General MIDI ..................................................................................................		7
4.	Synteza FM: .............................................................................................................			8
	4.1.	Budowa syntezatora FM .................................................................................		10
5.	Synteza WaveTable: ................................................................................................			12
	5.1.	Programowe syntezatory WaveTable ..............................................................		12
	5.2.	Alternatywna metoda syntezy dźwięku ............................................................		13
6.	Sygnał cyfrowy: .......................................................................................................			14
7.	Anatomia karty dźwiękowej: .................................................................................			18
8.	Przetworniki A/C C/A: ........................................................................................			21
	8.1.	Częstotliwość próbkowania ............................................................................		21
9.	Kontroler audio: ......................................................................................................			22
	9.1.	Podstawowe parametry określające możliwości kontrolera audio ................		23
10.	Procesor DSP (Digital Signal Processor)................................................................			24
11.	Iluzja w muzyce: ......................................................................................................			26
	11.1.	Dolby Surround Pro Logic ..............................................................................		26
	11.2.	Sztuczna Głowa, czyli HRTF ...........................................................................		27
	11.3.	Pogłos ..............................................................................................................		28
	11.4.	EAX..................................................................................................................		30
	11.5.	A3D .................................................................................................................		30
	11.6.	Sensaura 3D ....................................................................................................		31
	11.7.	Direct Sound ...................................................................................................		31
	11.8.	Chorus .............................................................................................................		31
12.	Niezbędne urządzenia peryferyjne: .......................................................................			33
	12.1.	Głośniki komputerowe: ...................................................................................		33
		12.1.1.	Komunikaty .......................................................................................	33
		12.1.2.	Usłysz swoje MP3..............................................................................	33
		12.1.3.	Zestawy wielogłośnikowe...................................................................	34
		12.1.4.	Miłośnicy kina komputerowego.........................................................	34
		12.1.5.	Ile fabryka dała!.................................................................................	34
		12.1.6.	Alternatywne wyjście, czyli wieża Hi - Fi.........................................	35
	12.2.	Mikrofon........................................................................................................		35
	12.3.	Klawiatura MIDI..........................................................................................		36
	12.4.	Joystick (kontroler do gier)...........................................................................		36
13.	Wybieramy kartę dźwiękową: ...............................................................................			37
	13.1.	Krótka charakterystyka wybranych kart dźwiękowych.................................		38
14.	Zestawienie “Power i Econo”:.............................................................................			47
	14.1.	Zestawienie na opłacalność..........................................................................		47
	14.2.	Zestawienie „Power”....................................................................................		48
15.	Wnioski......................................................................................................................			49
16.	Słowniczek.................................................................................................................			50
17.	Parametry techniczne karty dźwiękowej zainstalowanej w pracy dyplomowej...............................................................................................................			52
18.	Literatura..................................................................................................................			53

1. Cel pracy

Celem pracy jest zapoznanie się z budową karty dźwiękowej, zasadą działania oraz praktycznym zastosowaniem. Testy kart dźwiękowych umieszczone w praca mają ułatwić wybór karty dźwiękowej, w zależności od potrzeb oraz dobrać odpowiednie urządzenia peryferyjne.

W części praktycznej pracy dyplomowej złożyliśmy zestaw komputerowy oraz zainstalowaliśmy system operacyjny i niezbędne oprogramowanie.

2. Historia dźwięku w komputerze

Pierwsze pecety nie były oczywiście oferowane z kartami muzycznymi. Wyjątkiem był jedynie oferowany na początku lat 80. IBM PCJr, który wyposażono w specjalny układ firmy Texas Instruments. Współczesne pecety, podobnie jak ich przodkowie, "na pokładzie" maja tylko prosty oscylator (kiedyś zawarty w oddzielnym układzie, dziś będący częścią chipsetu) sprzężony z wewnętrznym głośnikiem.

Od niedawna karty muzyczne weszły do standardowego wyposażenia komputerów osobistych. Rozwój sprzętu komputerowego "podciągnął" technologię stosowaną w kartach muzycznych. Przestały wystarczać karty oferujące jako jedyną atrakcję dźwięk w systemie stereo. Wraz z rozwojem technik multimedialnych rozpoczęto prace nad nowymi technologiami zapisu i odtwarzania dźwięku, które pozwoliłyby zagwarantować efekty słuchowe jak najbliższe naturalnym.

Aby osiągnąć jak najlepsze efekty należało ulepszyć zarówno algorytmy generowania dźwięku, jak i wprowadzić wiele innowacji sprzętowych. Synteza FM mimo popularności, jaką cieszyła się wśród użytkowników komputerów osobistych, nie gwarantowała odpowiednio dobrej jakości. Zasada działania syntezy FM jest dosyć prosta. Polega ona na uzyskiwaniu dźwięków dzięki nakładaniu na siebie 2 fal o różnych częstotliwościach. Jest to dość prosty algorytm, niewymagający zbyt wielkiej złożoności obliczeniowej, ani zaawansowanych układów sprzętowych, jednakże pozwala na uzyskanie dźwięków o bardzo niskiej jakości.

Kolejnym krokiem było wprowadzenie syntezy WaveTable. Synteza ta generuje dźwięki poprzez odpowiednie modulacje próbek przetrzymywanych  w bankach dźwięków. Jej złożoność obliczeniowa jest większa niż dla syntezy FM, i wymaga większej pojemności pamięci w sprzęcie, ale zapewnia lepszą jakość niż wspomniana wyżej metoda.

Z czasem okazało się, że nie wystarcza już sam dźwięk o dobrej jakości, lecz chciałoby się posiadać realny świat brzmień w domu. Doprowadziło to do badań nad percepcją słuchową człowieka, gdyż tylko zrozumienie tego zagadnienia mogło przynieść pozytywne rezultaty w technice tworzenia realnego dźwięku. Opracowano wiele algorytmów tworzenia efektów przestrzennych, jak chorus, czy pogłos. Implementacja tych algorytmów wymagała jednak zastosowania bardzo złożonych algorytmów obliczeniowych wykonywanych w czasie rzeczywistym, co spowodowało zwiększenie wymagań w stosunku sprzętu. Przestało wystarczać łącze ISA, które zastąpiono przez PCI, co zapewniło większą przepustowość. Do chipów zajmujących się obróbką dźwięków na stałe wprowadziły się procesory sygnałowe DSP, oferujące bardzo dużą moc obliczeniową dla przetwarzania dźwięku.

Karty wyposażone w złącze PCI zaczęły się pojawiać w 1996 roku. Od roku 1998 trend taki zaczął górować nad kartami ze złączem ISA. Kiedy karty muzyczne zaczęły być rozbudowywane o procesory sygnałowe jasne stało się, że magistrala ISA zaczyna ograniczać ich możliwości. Problemem była szerokość pasma. Podczas gdy ISA pozwala na transfer ok. 8 MB/s, to teoretycznie PCI zapewnia ok. 132MB/s.

Kart PCI zapewniają większą wydajność, oferując takie możliwości jak miksowanie wielu strumieni audio jednocześnie, czy przetwarzanie potoków 3D. Jednocześnie karty oparte na złączu PCI zapewniają mniejsze zajęcie procesora głównego, co umożliwia mu pracę nad innymi zadaniami. Ogólnie karty PCI mogą być 10 do 20 razy wydajniejsze od analogicznych kart ISA w przetwarzaniu strumieni audio. 

Obecnie karty PCI są często tańsze od analogicznych ISA, przede wszystkim  z powodu tego, że karty ISA muszą być wyposażane we własną pamięć ROM zawierającą banki brzmień, podczas gdy PCI wykorzystują w tym celu pamięć operacyjną komputera.

3. Musical Instrument Digital Interface

Synteza jest potrzebna do przetworzenia muzyki zapisanej w standardzie MIDI na dźwięki. MIDI można porównać do zapisu nutowego, a kartę dźwiękową do instrumentu muzycznego. Ten sam plik w formacie MIDI będzie brzmiał inaczej w zależności od techniki syntezy, którą wykorzystuje dana karta. Prototypem syntezatora MIDI były tzw. syntezatory FM.

Musical Instrument Digital Interface lub krótko MIDI jako standard pojawił się około  roku 1980.  Był  stworzony  po  to,  by  umożliwić  łączenie  ze  sobą  oraz  z komputerem kontrolerów muzycznych takich jak keyboardy, syntezatory czy automaty perkusyjne.

Od strony elektrycznej MIDI to półdupleksowa pętla prądowa 5 mA, która transmituje 8-bitowe szeregowe strumienie danych z szybkością 31,25 kilobodów. Użycie pętli prądowej oznacza, że dwa dowolne urządzenia nadające przez MIDI mogą być izolowane przy użyciu izolatorów optycznych, co jest ważnym czynnikiem w zapewnieniu bezpieczeństwa i braku szumów w operacjach obejmujących zarówno sprzęt muzyczny jak i komputery. I to jest właśnie powód, dla którego połączenie karty muzycznej z urządzeniem zewnętrznym wymaga zastosowania specjalnego kabla, ponieważ ani izolatory optyczne ani bufory prądowe nie są na wyposażeniu większości kart muzycznych.

Od strony danych, MIDI to język opisujący ważne muzycznie zdarzenia czasu rzeczywistego. Pojedynczy interfejs MIDI obejmuje 16 kanałów, co pozwala na obsługę do 16 urządzeń jednocześnie. Odkąd większość kart muzycznych obsługuje tryb multi-timbral to jest możliwe sterowanie grą do 16 różnych instrumentów jednocześnie, ale przy pomocy np. jednego syntezatora. Każde dodanie nowego MIDI otwiera następne 16 kanałów. Istnieją wobec tego takie interfejsy MIDI, które posiadają aż 16 wyjść umożliwiając tym samym dostęp równoczesny do 256 kanałów.

MIDI nie przesyła samego dźwięku, ale tylko bardzo proste komunikaty, na które to odpowiada urządzenie odbiorcze. Instrumenty są łączone za pomocą wtyczek 5-DIN. I tak, kiedy naciśnięty zostanie klawisz, na przykład, klawiatury sterującej to wysyła ona komunikat Note On przez kabel MIDI do urządzenia odbiorczego, które to reaguje na taką informację grą nuty o zadanej wartości. Każdy komunikat składa się z trzech elementów:

• Bajt Statusu

• Numer Nuty

• Szybkość.

Bajt statusu zawiera informację o typie zdarzenia (np. Note On) i którym kanałem ma być przesłane. Numer nuty określa, który klawisz został naciśnięty, a szybkość określa siłę, z jaką został on naciśnięty. Urządzenie odbiorcze będzie tak długo grało nutę aż dostanie komunikat Note Off o tych samych parametrach.

Kontrolery Ciągłe (ang. Continuous Controllers) są używane do kontroli ustawień takich jak głośność, wartość efektów czy panoramy stereo. Wiele urządzeń MIDI pozwala na przyporządkowanie do tych kontrolerów swoich parametrów wewnętrznych. Wszystkich kontrolerów ciągłych jest 128. Z nich MMA (ang. MIDI Manufacturers Association) utworzyła specyfikację znaną jako General MIDI.

Początkowo MIDI było wykorzystywane przez muzyków do kontrolowania gry na wielu instrumentach jednocześnie, jednak obecnie główne wykorzystanie MIDI to komputerowe programy sekwencerowe. MIDI zostało również zaadoptowane do kontroli nad skomplikowanymi systemami oświetleń, co umożliwiło sterowanie nimi np. w teatrach stosownie do wybrzmiewającej muzyki.

3.1. Sekwencer

Sekwencer (ang. Sequencer) to magnetofon cyfrowy rejestrujący i odgrywający komunikaty MIDI zamiast sygnałów audio. Pierwsze sekwencery to były urządzenia o bardzo małej pamięci, co uniemożliwiało nagrywanie dłuższych i bardziej rozbudowanych muzycznie utworów. Przy użyciu komputerów PC MIDI umożliwiło zbudowanie sekwencerów bardzo zaawansowanych, które potrafią nie tylko odgrywać nuty, ale i panować nad dźwiękami z wykorzystaniem parametrów wewnętrznych czy efektów cyfrowych zawartych w samym syntezatorze poprzez sterowanie Kontrolerami Ciągłymi. A wszystko to można ustawiać poprzez interfejs graficzny łatwy i szybki w obsłudze.

MIDI to także alternatywa dla autorów wszelkich aplikacji multimedialnych, gdzie często chodzi o jak najmniejszą ilość miejsca zajmowanego przez muzykę. Tu MIDI znacznie przewyższa wszelkie inne metody próbkowania dźwięku, bo w takiej postaci wymagają one znacznie więcej miejsca niż muzyka zapisana w standardzie MIDI.

3.2. General MIDI        

Większość współczesnych kart muzycznych jest zgodna ze standardem General MIDI, który to definiuje specyficzną mapę instrumentów, układ aranżacji keyboardów oraz minimalną liczbę głosów, jaką powinno urządzenie potrafić odgrywać jednocześnie (tzw. Polifonia).

Standard General MIDI gwarantuje, że utwory zaaranżowane na jednym instrumencie będą tak samo brzmiały na innym, bo nie ma np. możliwości, że trąbce na jednym instrumencie będzie przypisany numer pianina w innym instrumencie. Podobnie jest z kontrolerami ciągłymi:, jeżeli CC91 to głębokość pogłosu to nie ma możliwości, by instrument zgodny z GM tym numerem regulował panoramę stereo.

4. Synteza FM

Najbardziej powszechnymi były układy firmy Yamaha - FM1312, potocznie zwane OPL2. Podstawowym składnikiem syntezatora FM jest operator zbudowany z oscylatora, generatora obwiedni, generatora efektów vibratto i tremmolo oraz sterownika głośności i filtru dolnoprzepustowego. Oscylator odpowiedzialny jest za generowanie jednego z trzech typów fal: sinusoidy fali trójkątnej oraz prostokątnej. Generatory obwiedni oraz vibratto i tremmolo odpowiedzialne są za kształtowanie brzmienia sygnału, natomiast filtr usuwa zniekształcenia powstające w paśmie wysokich tonów. OPL2 zawiera 18 operatorów, z których zbudowanych jest dziewięć instrumentów syntezatora FM - po dwa operatory na jeden instrument.

W odróżnieniu od dźwięku cyfrowego, gdzie w zasadzie nie wnikamy w strukturę danych, to przy próbkach syntezy dźwięku zbliżonego brzmieniem do instrumentów muzycznych musimy poznać jego różne "parametry" fizyczne. Najprostszym dźwiękiem (wytwarzanym np. przez kamerton) jest ton, czyli fala sinosuidalna o stałej częstotliwości. Bardziej skomplikowane instrumenty (np. strunowe) wytwarzają dźwięk, który jest sumą fal o częstotliwości podstawowej oraz nałożonych na nie drgań o wyższej częstotliwości, zwanych harmonicznymi. O barwie dźwięku decyduje liczba oraz względna amplituda kolejnych składowych. Zbiór wartości amplitud tonów składowych nosi nazwę widma akustycznego, (Rys.1.)

Rys.1. Widmo akustyczne dźwięku skrzypiec dla częstotliwości podstawowej 440 Hz.

Amplituda dźwięku wytwarzanego przez instrument podlega pewnym zmianom w czasie: początkowo narasta (najczęściej bardzo szybko), potem pozostaje w pobliżu pewnej ustalonej wartości pośredniej i dopiero wtedy opada do zera. Te zmiany amplitudy nazywamy obwiednią (Rys.2.) i można je podzielić na pięć faz:

1. faza nabrzmienia (ang. attack),

2. faza opadania (ang. decay),

3. stadium dochodzenia do ustalonej fazy (ang. slope),

4. faza ustalona (ang. sustain),

5. zanikanie dźwięku (ang. relase).

Rys.2. Obwiednia.

To właśnie długości poszczególnych stadiów są charakterystyczne dla danego instrumentu.

4.1 Budowa syntezatora FM

Podstawową częścią układu FM jest operator (Rys.3.). W operatorze wyróżniamy trzy części:

• Oscylator, który generuje podstawową falę sinusoidalną

• Generator obwiedni, który odpowiednio przekształca falę z oscylatora

• sterownik wzmocnienia, który decyduje o intensywności fali

Rys.3. Budowa operatora.

Tak jak było wspomniane wcześniej, w syntezatorze OPL2 istnieje 18 operatorów. Do uzyskania brzmienia jednego instrumentu potrzebujemy dwóch operatorów (wyjątkiem są, tu tylko niektóre instrumenty perkusyjne, którym wystarcza tylko jeden operator). Obecnie istnieją też syntezy używające do tworzenia dźwięku czterech operatorów - OPL3 w kartach Sound Blaster Pro2. (Układy OPL3 są kompatybilne z OPL2). W zakresie dwóch operatorów mamy dostępne dwa typy syntezy, zależą one od rodzaju połączenia operatorów pomiędzy sobą.

• Synteza modulacji częstotliwościowej FM (połączenie szeregowe) Rys.4.

WYJŚCIE

Rys.4. Połączenie szeregowe.

• Synteza addytywna AM (połączenie równoległe) Rys.5.

Rys.5. Połączenie równoległe.

Synteza AM jest mało efektywna, gdyż możemy uzyskiwać tylko dźwięki zbliżone brzmieniem do organów. Natomiast synteza FM daje nam większe możliwości, gdyż modulator może używać swojego wyjścia ponownie jako wejścia (sprzężenie zwrotne). W obu syntezach dla każdego z dwóch operatorów możemy modyfikować jego ustawienia.

5. Synteza WaveTable

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest synteza dźwięku wykorzystująca bardzo krótkie próbki autentycznych nagrań poszczególnych instrumentów, zapisane w pamięci karty dźwiękowej bądź komputera. Mowa oczywiście o syntezie WaveTable. Dzięki wykorzystaniu próbek instrumentów (sampli) możliwe jest realistyczne oddanie ich brzmienia. Próbki te znajdują się w tzw. banku brzmień. Podstawowy bank brzmień zbudowany jest z próbek dźwięków rzeczywistych instrumentów muzycznych (zdygitalizowanych w profesjonalnym studiu nagrań), których numeracja odpowiada jednej ze specyfikacji MIDI - GM (General MIDI), GS (GS MIDI - rozszerzona specyfikacja GM, opracowana przez Roland'a), XG (XG MIDI - rozszerzona specyfikacja GM, opracowana przez Yamah'ę). Karta dźwiękowa zajmuje się dostosowaniem danej próbki do sytuacji - zmienia wysokość dźwięków, dopasowuje głośność, wycisza. Jakość dźwięku generowanego przez kartę zależy w tym przypadku w znacznej mierze od jakości wykorzystywanych próbek i od ich liczby. Optymalnym rozwiązaniem jest karta dźwiękowa, która ma własną pamięć, najlepiej rozszerzaną za pomocą tanich, standardowych modułów pamięci

Karty dźwiękowe wyposażone w sprzętowy układ syntezy WaveTable umożliwiają przetwarzanie muzyki MIDI bez angażowania procesora komputera. W kartach muzycznych ISA za sprzętową syntezę WaveTable odpowiedzialne były wyspecjalizowane układy, np. EMU8000 - SB AWE32/64, natomiast w kartach PCI układy te są zintegrowane z kontrolerem audio. Obecnym standardem sprzętowej syntezy WaveTable jest przetwarzanie minimum 64 głosów oraz możliwość korzystania z banków brzmień umieszczonych w pamięci operacyjnej komputera - obsługa plików DLS (ang. Down Loadable Sample).

5.1 Programowe syntezatory WaveTable

Syntezatory te działają dokładnie na tej samej zasadzie, co syntezatory sprzętowe, z tą jednak różnicą, że cała operacja tworzenia wyjściowego strumienia audio z poszczególnych kanałów MIDI wykonywana jest przez procesor komputera - pod kontrolą odpowiedniego oprogramowania. Do karty dźwiękowej trafia już obrobiony strumień danych, który kierowany jest bezpośrednio na przetwornik cyfrowo-analogowy. W przypadku kart ISA programowe syntezatory MIDI są bardzo dobrą alternatywą w stosunku do syntezatorów FM oraz bardzo drogich sprzętowych układów wavetable. Natomiast karty muzyczne PCI "z założenia" umożliwiają programową syntezę wavetable, ponieważ przystosowane są do współpracy  z modułem DirectX. Dodatkowo w kartach PCI sprzętowa i programowa synteza wavetable może być wykonywana jednocześnie.

5.2 Alternatywna metoda syntezy dźwięku

Fizycznie modelowanie dźwięku jest najlepszym, ale i najdroższym sposobem syntezy dźwięku. W przeciwieństwie do syntezy wavetable, gdzie instrumentami muzycznymi są odpowiednio spreparowane próbki dźwięku, w fizycznym modelowaniu dźwięku instrumenty zapisane są w postaci wzorów matematycznych (najczęściej w postaci tzw. szeregów Fouriera). Ten typ syntezy został w kartach muzycznych Sound Blaster AWE64 nazwany jako WaveGuide.

6. Sygnał cyfrowy

Kiedy karta nagrywa sygnał analogowy (Rys.6.) jest on konwertowany do postaci cyfrowej (Rys.7.) i w takiej zapisywany w czasie rzeczywistym na dysk twardy komputera. Oznacza to, że karta używa dysku jako magnetofonu cyfrowego bez taśmy. Podczas odtwarzania karta odczytuje dane z dysku, zamienia je z powrotem na postać analogową i w takiej postaci wysyła do wzmacniacza na wyjściu karty.

Proces zamiany postaci analogowej sygnału na cyfrową nosi nazwę próbkowania sygnału (ang. Sampling), choć nie jest to do końca słuszne określenie. W rzeczywistości, aby sygnał analogowy przekształcić w cyfrowy należy poddać go próbkowaniu, następnie kwantyzacji, a na koniec jeszcze filtrowaniu w celu pozbycia się niepożądanych.

Sygnał analogowy jest dzielony na wiele kawałków na sekundę. Dla każdego kawałka mierzona jest amplituda (próbkowanie) i przypisywana najbliższa dostępna wartość (kwantyzacja). Można łatwo odgadnąć, że im więcej jest podziałów na sekundę (wyższa częstotliwość próbkowania) oraz im dokładniejsze dopasowanie amplitudy (większa rozdzielczość próbkowania) tym lepsze uzyskamy odwzorowanie cyfrowe sygnału analogowego.

Odtwarzacze CD wykorzystują w tym celu częstotliwość 44,1 kHz i 16-bitową rozdzielczość próbkowania, co daje 216, a więc 65536 możliwych stanów sygnału. Oczywiście CD jest systemem stereofonicznym, co oznacza, że w każdej sekundzie potrzeba zapisać dwa słowa 16 bitowe 44100 razy. Daje to w sumie 160 kB/s, 10,5 MB/min lub też, jak kto woli 630 MB/h.

Wszystkie współczesne karty dźwiękowe dają możliwość próbkowania  z częstotliwością 44,1 kHz lub 48 kHz oraz oferują rozdzielczość conajmniej 16 bitową, co nie zmienia jednak faktu, że można ustawić niższe parametry, jeśli konkretne zastosowanie nie wymaga tak wysokiej jakości dźwięku.

Rys.6. Przebieg sygnału analogowego.

Pionowe linie siatki symbolizują częstotliwość, z jaką przetwornik bada sygnał analogowy, czyli częstotliwość próbkowania. Jak widzimy z następnych rysunków, sygnał cyfrowy jest tym bardziej zbliżony do przebiegu analogowego, im częściej ten jest próbkowany. Poziome linie symbolizują rozdzielczość sygnału, czyli długość słowa, inaczej mówiąc liczbę możliwych do wyłapania stanów. Oczywiście, im dłuższe słowo, tym sygnał cyfrowy jest dokładniejszym odwzorowanie analogowego odpowiednika.

Rys.7. Kwantyzacja sygnału analogowego.

Na sygnale analogowym poddanym próbkowaniu należy jeszcze dokonać kwantyzacji, wskutek czego pobrane wartości sygnału zmienią swoje położenie zgodnie ze strzałkami na rysunku, a cały sygnał cyfrowy będzie wyglądał mniej więcej tak, jak na Rys.8.

Rys.8. Postać sygnału cyfrowego (linia czerwona) spróbkowanego z małą częstotliwością i przy małej rozdzielczości.

Widać tutaj wyraźnie jak niskie parametry próbkowania, wpływają niekorzystnie na dokładność odwzorowania sygnału analogowego.

Rys.9. Postać sygnału cyfrowego przy próbkowaniu z większą częstotliwością i rozdzielczością.

Widać z powyższego Rys.9., że w tym przypadku sygnał cyfrowy dużo dokładniej oddaje wygląd oryginału analogowego. Po kwantyzacji pozostaje jeszcze usunięcie niepożądanych częstotliwości pojawiających się przy procesie cyfryzacji oraz np. szumów itp.

7. Anatomia karty dźwiękowej

Podstawowym elementem każdej karty dźwiękowej są dwa przetworniki: cyfrowo-analogowy (C/A), odpowiedzialny za zamianę cyfrowych plików na dźwięk, oraz analogowo-cyfrowy (A/C), przekształcający dźwięk na postać cyfrową.

W większości popularnych kart dźwiękowych obydwa przetworniki zintegrowane są w jednym układzie. Oddzielnie spotyka się je tylko w kartach przeznaczonych do zastosowań półprofesjonalnych i profesjonalnych.

Jakość przetworników charakteryzują dwa parametry: rozdzielczość określana w bitach oraz maksymalna częstotliwość próbkowania.

Rozdzielczość przetwornika oznacza liczbę bitów, które służą do zapisania pojedynczej próbki powstającej podczas kwantyzacji (samplowania). Oczywiście, im wyższa rozdzielczość, tym dokładniej można opisać dźwięk.

Stare karty dźwiękowe wykorzystywały przetworniki 8-bitowe, które nie dawały jednak dźwięku o zadowalającej jakości. Obecnie stosuje się najczęściej przetworniki 16-bitowe, takie same jak w odtwarzaczach płyt CD. Karty do zastosowań profesjonalnych mogą być wyposażone w przetworniki 24- lub 32-bitowe, ale te imponujące parametry nie będą miały znaczenia, jeśli komputer jest wykorzystywany np. do gier, a nie do komponowania i obróbki muzyki.

Drugi istotny element karty to układ odpowiedzialny za syntezę dźwięków. Wprawdzie większości graczy jest obojętne, jaką technikę syntezy wykorzystuje ich karta (współczesne gry coraz rzadziej MIDI), ale ta informacja ma bardzo duże znaczenie dla muzyków.

Następnym elementem, który karta dźwiękowa powinna posiadać, to własny wbudowany procesor DSP (ang. Digital Signal Processor). Układ ten służy do cyfrowego przetwarzania sygnałów. Prostym przykładem zastosowania procesora DSP umieszczonego na karcie dźwiękowej jest stworzenie efektu pogłosu lub echa: ciąg cyfrowych próbek, który procesor przesyła do przetwornika C/A, zapamiętywany jest dodatkowo w pamięci. Ciąg ten wyczytany z pamięci z pewnym opóźnieniem przesyłany jest również na wejście przetwornika C/A. W ten sposób na wyjściu przetwornika pojawiają się dwa sygnały analogowe o tym samym brzmieniu, przesunięte w czasie.

Karty muzyczne mają na blaszce mo­cującej wiele złącz. Praktycznie we wszystkich modelach znajdziemy wyjście gło­śnikowe (tzw. Linę Out), wejście liniowe (Linę In), wejście mikrofonowe (Micro-phone In) oraz gniazdo joysticka, (do którego, poprzez specjalną przejściówkę, podłącza się także klawiaturę MIDI). Lep­sze karty dźwiękowe mają także drugie wyjście głośnikowe (oznaczone Linę Out 2, wówczas pierwsze nazywa się Linę Out 1). Służy ono do podłączenia tylnej pary głośników, pod warunkiem, że mamy dwa zestawy głośników lub odpowiedni ze­staw czterogłośnikowy.

Czasem znajdziemy także cyfrowe wyjście dźwięku, elektryczne S/PDIF lub optyczne TOSlink. Dźwięk wyprowadza­ny tym złączem jest absolutnie bezszumowy, więc zapewnia naprawdę rewelacyjną jakość. Aby móc go słuchać, musimy mieć albo specjalny wzmacniacz z wej­ściem cyfrowym i wbudowanymi prze­twornikami cyfrowo-analogowymi, albo dekoder Dolby Digital. Złącze cyfrowe umożliwia nam także podłączenie karty dźwiękowej do odtwarzacza Mini Disc i kopiowanie muzyki na dyskietki MD z za­chowaniem naprawdę świetnej jakości, np. Rys.10.

Rys.10. Blokowy schemat przedstawiający budowę karty dźwiękowej.

W cyfrowym świecie wyłącznie analogowe wejścia i wyjścia wydają się jednak anachronizmem. Jeżeli chcemy skopiować do komputera na przykład muzykę z Mini Dysku zapisaną w postaci cyfrowej, nonsensem było by zamieniać ją na analogową, a potem znowu na cyfrową. Znacznie rozsądniej jest wykorzystać cyfrową kartę dźwiękową, czyli wyposażoną w cyfrowe wyjście i ewentualnie wejście.

Powszechnie stosuje się dwa standardy cyfrowe: opracowany przez firmy Sony i Philips S/PDIF oraz TOSLink. Złącze S/PDIF, mające format RCA, najczęściej wykorzystuje się do połączenia karty dźwiękowej z Mini Dyskiem lub zewnętrznym wzmacniaczem. TOSLink jest rzadziej stosowany, głównie ze względu na koszt użycia technologii światłowodowej, ale zapewnia najwyższą jakość - przesyłanych sygnał świetlny jest całkowicie odporny na zakłócenia z zewnątrz.

Popularność zyskało także cyfrowe złącze w formacie DIN, wprowadzone przez Creative. Początkowo było stosowane wyłącznie w kartach tego producenta do cyfrowego podłączenia firmowanych przez niego głośników. Popyt na produkty Creative'a spowodował, że również inne firmy zaczęły wykorzystywać to złącze w kartach dźwiękowych i głośnikach.

Bardziej rozbudowane karty dźwiękowe są czasami wyposażone w pełnowymiarowe złącze MIDI (MIDI in oraz MIDI out). Pozwala to na łatwe podłączenie instrumentów muzycznych zgodnych ze standardem MIDI.

Od strony funkcjonalnej karty PCI składają się praktycznie tylko z dwóch chipów:

• Kontroler audio PCI

• CODEC (C / A)

Dodatkowymi elementami mogą być:

• Wzmacniacz audio, umożliwiający podłączenie np. pasywnych głośników

• Dodatkowy układ realizujący przetwarzanie w standardzie AC-3 lub Dolby Surround

8. Przetworniki AC / CA

Z rozdzielczością przetwornika wiąże się zagadnienie odstępu sygnału od szumu (oznaczanego jako SNR - Signal/Noise Ratio). SNR to stosunek maksymalnego natężenia dźwięku, możliwego do odtworzenia bez wyraźnych zniekształceń, do poziomu szumów obecnych podczas odtwarzania. Jeśli wynosi mniej niż 40 dB, wówczas szumy będą słyszalne cały czas. Gdy oscyluje na poziomie 55-60 dB, wówczas szumy będą słyszane podczas cichych fragmentów nagrania.

W przypadku sprzętu klasy Hi-Fi wartość tego parametru powinna wynosić 85 dB. Osoby ze szczególnym słuchem w nagraniu odtwarzanym w idealnych warunkach potrafią wychwycić szumy nawet przy SNR wynoszącym 96 dB.

W wypadku kart 16-bitowych odstęp sygnału od szumu wynosi teoretycznie 97 dB, a w praktyce jest wyraźnie mniejszy. Budowa komputera nie sprzyja generowaniu wysokiej jakości dźwięku - wiele zegarów taktowanych z wysoką częstotliwością, liczne wiatraki - wszystkie te elementy wprowadzają zakłócenia. Dlatego SNR popularnych kart wynosi około 70 dB. Wyższymi parametrami mogą się pochwalić karty, w których przetworniki AC/CA zostały przeniesione poza obudowę komputera, do zewnętrznych modułów.

8.1. Częstotliwość próbkowania

Częstotliwość próbkowania - drugi z wymienionych parametrów - informuje, ile razy w ciągu sekundy dźwięk zostanie poddany kwantyzacji (w przypadku nagrywania) lub przybliżony (w przypadku odtwarzania).Prosta zasada mówi, że wierność sygnału wymaga próbkowania z częstotliwością dwukrotnie większą niż górna granica pasma słyszalnego przez człowieka. Przyjmując za górną granicę 20 kHz, otrzymamy częstotliwość próbkowania na poziomie 40 kHz. W rzeczywistości stosuje się 44,1 kHz (standard CD) lub 48 kHz. Druga ze wspomnianych wartości to obecnie standard w popularnych kartach dźwiękowych, co ma znaczenie o, tyle, że dźwięk próbkowany z taką częstotliwością nagrywany jest np. na płytach DVD. Jeśli wykorzystuje się komputer do ich odtwarzania, a karta nie potrafi pracować z częstotliwością próbkowania 48 kHz, trzeba przekonwertować dźwięk na format 44,1 kHz, co pogorszy jego jakość.

9. Kontroler audio

AC' 97

16

• 
  
  
  
  
  
  2

2

56Kbps Modem

64 16

Epprom 6

2

JoyMid

32 16

Magistrala PCI 16

8 8 2 2 2

Port Port Szeregowy Porty wyjśiowe

Kooprocesora (AUX) (S/PDIF)

Dźwięku

Rys.11. Budowa kontrolera audio na przykładzie układu Vortex 2 AU8830.

Sam kontroler audio (Rys.11.) wykorzystuje tylko adres w przestrzeni adresowej urządzeń PCI oraz jedną linię przerwania sprzętowego IRQ, które dodatkowo może być współdzielone z innymi urządzeniami PCI. Magistrala PCI ma 4 własne przerwania i to właściwie one są bezpośrednio wykorzystywane przez kartę dźwiękową.

9.1. Podstawowe parametry określające możliwości kontrolera audio:

• Możliwość sprzętowej akceleracji dźwięku 3D

Odpowiedzialny za to jest moduł tzw. 3D Engine. Karty PCI potrafią przetwarzać strumienie 3D, jednak liczba jednocześnie przetwarzanych próbek jest ograniczona i jest to podstawowy parametr określający wydajność takiego układu. Typowo wartość ta zawiera się w przedziale od 8 do 16 przetwarzanych źródeł dźwięku.

• Sprzętowy układ Wave Table

Najistotniejszy jest fakt ile głosów jednocześnie potrafi taki układ odgrywać. Jest to tzw. polifonia i wynosi ona obecnie typowo 64 głosy, ale zdarzają się też układy o polifonii większej.

• Liczba kanałów Direct-Sound

Parametr ten określa w rzeczywistości maksymalną liczbę buforów (cyfrowych ścieżek audio), które mogą być sprzętowo obsłużone przez kartę dźwiękową. Liczba ta waha się przeważnie w zakresie 64 - 96.

10. Processor DSP (Digital Signal Processor)

Wiele współczesnych kart muzycznych zostało wyposażonych w procesor sygnałowy DSP. Spełnia on wiele istotnych funkcji, dlatego zasługuje na szersze omówienie. Procesory DSP służą, jak sama nazwa wskazuje, do przetwarzania sygnałów. Ich niewątpliwą zaletą jest fakt, że potrafią przetwarzać sygnały w czasie rzeczywistym z bardzo wysoką jakością.

Pierwsze procesory sygnałowe powstały na zlecenie wojska, które chciało wykorzystać ich możliwości w hydrolokacji i jak to zwykle bywa ze sprzętem komputerowym i elektronicznym, wkrótce trafiły do zastosowań cywilnych,  a przypadło to akurat na okres, kiedy komputery zaczynały wydawać z siebie dźwięki trochę bardziej złożone niż te ze speakera, tak więc nowa zabawka trafiła na podatny grunt.

Dziś DSP występuje niemal we wszystkich urządzeniach, w których mamy do czynienia z dźwiękiem. Znajdują się na kartach dźwiękowych, w sprzęcie audio wysokiej klasy, a także w aparatach telefonicznych głośno mówiących, gdzie eliminują ze słyszanego dźwięku efekty akustyki danego pomieszczenia. Stosuje się je także w modemach telefonicznych, dzięki czemu można uzyskiwać wyższe prędkości transmisji. Spotkać je można również w telefonach komórkowych, oraz dyktafonach cyfrowych, gdzie są wykorzystywane do kompresji dźwięku, tak aby zapewnić maksymalnie dobrą jakość przy minimalnym rozmiarze natężeniu strumienia danych. Ale sprzęt do obróbki dźwięku nie jest jedyną domeną, w której możemy spotkać te procesory. Są stosowane także przy obróbce video (cyfrowe kamery, zapisujące  w czasie rzeczywistym obraz w skompresowanej postaci w standardzie MPEG-2),  a nawet - tu ciekawostka - przy obsłudze dysków twardych, gdzie wykorzystywane  w technologii PRML pozwalają na gęściejszy zapis danych.

Typowy procesor DSP, ma niewielką paletę zadań przewidzianych dla niego. Jego działanie - w wielkim uproszczeniu mówiąc - sprowadza się do wykonywania operacji arytmetycznych na poszczególnych próbkach sygnału. Takie spektrum zastosowań determinuje architekturę dla tego procesora, a mianowicie architekturę RISC, oraz Harvard (rozdzielona przestrzeń danych i programu). Dzięki takim rozwiązaniom procesor ma względnie prostą architekturę, oraz dużą wydajność. Prostsze typy procesorów DSP są przeznaczone do operacji na danych stałoprzecinkowych, natomiast bardziej złożone do operacji zmiennoprzecinkowych, dzięki temu, że mają podwojone układy, jeden dla części całkowitych danych, drugi dla ułamkowych.

Rys.12. Architektura DSP.

Jądro  DSP  zawiera  jedną,  lub  kilka  jednostek  arytmetycznych stałoprzecinkowych, zespół rejestrów, dekoder instrukcji, oraz logikę sterowania i adresowania. Tak więc widać, że podstawowa architektura jest dosyć prosta, nie zapewnia ona jednak wydajności powyżej 100 MIPS'ów, która jest wymagana przy obróbce sygnałów. Zwiększenie wydajności uzyskuje się poprzez wprowadzenie przetwarzania potokowego. Większość DSP operuje na danych 16 bitowych co w zupełności wystarcza do obróbki dźwięku, ale można też spotkać procesory operujące na 32 bitowych, a nawet 64 bitowych słowach.

Aktualnie ciężko spotkać można na kartach muzycznych DSP występujący jako osobny układ. Najczęściej DSP, lub samo jego jądro jest wbudowane w kość typu ASIC, która to z kolei jest umieszczana na karcie przez jej producenta.

Mimo niewątpliwych zalet, jakie posiadają procesory DSP, podjęto wiele prób opracowania technologii, pozwalającej zrezygnować z jego usług. Jedną z takich prób było stworzenie przez Intel technologii MMX, która miała realizować funkcje DSP wykorzystując rejestry FPU. Innym przykładem jest opracowana przez AMD technologia 3Dnow!, która miała przenieść zadania związane z obróbką dźwięku na karcie, na procesor PC-ta. Jednakże pomimo tych prób ograniczenia roli DSP, na razie jego pozycja wydaje się nie zagrożona.

11. Iluzja w muzyce

Nie każdy dźwięk zwany 3D audio, generuje naprawdę przestrzenny dźwięk. Niektóre technologie, taki jak Extended Surround, czy Stereo Surround potrafią tylko pozycjonować dźwięk, tzn. pozwalają określić czy dany dźwięk dochodzi z tyłu, albo z boku, natomiast nie da żadnych informacji o otoczeniu, w jakim ten dźwięk się znajduje. Ponadto nie można przy wykorzystaniu tych technologii symulować ruchów źródeł wzdłuż osi sceny, oraz ich obrotów.

Jedna z metod symulowanie przestrzenności polega na wprowadzaniu opóźnienia czasowego pomiędzy sygnałem z jednego głośnika w stosunku do drugiego, co daje wrażenie oddalonych od siebie głośników. Wśród droższych urządzeń stosowane są procedury SRS, które dzięki zaawansowanym algorytmom potrafią przesuwać obszary częstotliwości, oraz poziomy sygnałów, co umożliwia wyłapywanie określonych instrumentów i późniejsze lokowanie ich w przestrzeni.

Zastosowanie głośników dwukanałowych co prawda uprzestrzennia trochę brzmienie, ale często powoduje także fałszowanie. SRS na etapie nagrywania z różnych mikrofonów, wraz z odpowiednim kodowaniem jest w stanie zapisać dokładne informacje 3D, lecz nie ma odpowiednio kodowanych źródeł dźwięku. Ani producenci gier, ani wytwórnie muzyczne nie wykazują zainteresowania procedurami SRS, w związku z czym, znaczenie tej technologii jest marginalne i nic nie wskazuje na to, aby miało się to zmienić.

11.1. Dolby Surround Pro Logic

Inną metodą uprzestrzenniania dźwięku jest Dolby Surround Pro Logic. Jest o wiele popularniejsze (gry komputerowe, etc.) rozwiązanie, oraz efektywniejsze od opisanego powyżej. W odróżnieniu od powyższych symulacji 3D, którym wystarczały tylko 2 głośniki, technologia surround potrzebuje ich aż pięciu (lewy, prawy, środkowy, lewy tylni, prawy tylni).

Jednakże, aby móc zbudować jakikolwiek system dźwięku przestrzennego należy najpierw zapisać dźwięk i sprawdzić, jakim zmianom ulega on od chwili emisji do momentu, w którym odbierze go ucho ludzkie. Jedno z rozwiązań tego problemu, polega na ustawieniu mikrofonu koło każdego źródła dźwięku, a następnie ustawieniu głośników w miejscach odpowiadających pozycjom występowania źródeł 

i odtwarzaniu zapisanego uprzednio dźwięku. Ta metoda jednak jest stosowana tylko do zapisów stereofonicznych i nie nadaje się do technologii generowania przestrzennego dźwięku.

Inna metoda to tzw. metoda sztucznej głowy. W technice tej umieszcza się małe mikrofony w uszach słuchacza i rejestruje efekty, jakie do niego docierają  w rzeczywistych warunkach. Metoda ta, jakkolwiek lepsza od omawianej uprzednio, nie nadaje się do zastosowań interaktywnych i dynamicznych, a jedynie do statycznych, w których słuchacz pozostaje na miejscu.

11.2. HRTF, czyli sztuczna głowa

Rozwiązaniem problemu stało się wykorzystanie techniki HRTF, związanej  z funkcją przenoszenia głowy, o czym była mowa w punkcie 11.1.Pojedynczy taki system składa się z dwóch filtrów, z których każdy jest przeznaczony do pojedynczego ucha. Każdy taki filtr zawiera wszelkie istotne dla słuchacza informacje o dźwięku. Pełny system HRTF składa się z wielu filtrów rozmieszczonych w przestrzeni, w rozpiętości 360 stopni, tak by obejmowały całą przestrzeń. Stosuje się wielokrotne pomiary różnych dźwięków. Porównuje się dźwięk wydawany przez głośnik w danej pozycji z dźwiękiem, jaki dochodzi do człowieka, następnie na podstawie pomiarów opracowuje się algorytmy, które po zaimplementowaniu w procesorze DSP, będą pozwalały na generowanie dźwięku 3D. Technika ta pozwala na pełne pozycjonowanie dźwięku i nadaje się doskonale do zastosowań interaktywnych.

Rys.13. Analiza i synteza HRTF.

Głównym elementem tego typu efektów są linie opóźniające (realizowane sprzętowo lub programowo) odtwarzanie dźwięku. Ich stosowanie w torach fonicznych pozwala na symulację rozchodzenia się dźwięku w przestrzeni.

Najprostszym efektem przestrzennym jest echo. Zrealizowanie tego efektu bez użycia techniki cyfrowej jest kłopotliwe - konieczny jest albo magnetofon z niezależną głowicą nagrywającą i odczytującą, albo specjalne układy analogowe. Jego realizacja polega na dołączaniu do podstawowej ścieżki audio identycznego sygnału, lecz z pewnym opóźnieniem i ze zredukowaną amplitudą. W rezultacie otrzymamy symulację pojedynczego odbicia dźwięku. Rozbudowa podstawowego układu o kilka dodatkowych linii opóźniających pozwala na wytworzenie kilkukrotnego echa - dźwięku odbitego od kilku przeszkód.

Bardziej zaawansowanym efektem jest pogłos. W warunkach naturalnych słyszymy nie tylko dźwięk pochodzący wprost ze źródła, ale również jego odbicia od ścian, murów itp.

Gdy dźwięk odbija się tylko od jednej przeszkody, powstaje echo składające się z pojedynczego odbicia, łatwo rozróżnialnego słuchem. Rzeczywistość bywa jednak bardziej złożona. Muzyki słuchamy zwykle w pokoju lub w sali koncertowej, ogólnie rzecz biorąc w pomieszczeniu zamkniętym. W takich warunkach występuje bardzo wiele odbić o zróżnicowanym natężeniu, dochodzących do słuchacza z różnym opóźnieniem. Duża ilość odbić powoduje, że w naszym uchu zlewają się one w ciągłe wrażenia dźwiękowe: pogłos.

11.3. Pogłos

Zjawisko pogłosu jest tak wszechobecne i tak się do niego przyzwyczailiśmy, że dźwięk pozbawiony pogłosu, "suchy" wydaje się nienaturalny. Dlatego urządzenia do wytwarzania sztucznego pogłosu należą do najważniejszych środków stosowanych w technice nagraniowej. Realizacja efektu pogłosu nie jest prosta i ciągle trwają prace nad optymalnym rozwiązaniem tego zagadnienia - obecnie najpopularniejszymi systemami symulacji rozchodzenia się dźwięku w danym środowisku są A3D, EAX oraz Sensaura 3D.

Perfekcyjnie zrealizowany efekt powinien uwzględniać wszelkie właściwości rozchodzenia się dźwięku w danym środowisku: liczbę odbić, efekty pochłaniania niektórych składowych harmonicznych podczas odbicia się dźwięku od danej powierzchni, rozpraszanie się fali akustycznej, rezonans i wiele innych.

Rys.14. Poglos.

Rys.15. Usuwanie pogłosu.

11.4. EAX

Metoda HRTF umożliwia precyzyjne pozycjonowanie dźwięku w przestrzeni, lecz nie pozwala na syntezę właściwości akustycznych opisywanej lokacji. Dźwięk dociera zawsze do uszu słuchającego po linii prostej nie uwzględniając zjawisk interferencji i dyspersji. W celu zapewnienia obsługi powyższym zjawiskom firma Creative Labs (producent SB), stworzył technologię EAX (Environmental Audio Extension). Opracowane przez Microsoft API Direct-Sound 3D umożliwia co prawda lokalizację obiektów w panoramie akustycznej, lecz nie pozwala na dokładniejsze zdefiniowanie właściwości opisywanego środowiska. Interface ten nie umożliwia także określenia np. natężenia echa oraz współczynników tłumienia i wzmacniania odbijanych dźwięków. Do symulowania odległości jest jedynie używana modulacja amplitudowa. Direct-Sound 3D pozwala jednak na dołączenie własnych modułów w celu poszerzenia możliwości API.

Tak więc dzięki współpracy firm Creative i Microsoft powstała zbiór procedur i danych opisujący kilka rodzajów środowisk. EAX pozwala wzbogacić generowane dźwięki efektami pogłosu i echa. Dane w tych zbiorach odwzorowują właściwości akustyczne opisywanego środowiska. W zależności od typu środowiska, w którym rozgrywa się akcja gry (bo to one najczęściej wykorzystują zawansowane techniki kart dźwiękowych) programista wybiera jedną z predefiniowanych charakterystyk dźwiękowych (np. jaskinia, kościół, czy las).

11.5. A3D

Kolejną technologią jest A3D Surround i związana z nią A3D Interactive. A3D jak już wspomniano została opracowana przez firmę Aureal. Technologię  tę wykorzystywała nawet NASA do różnego rodzaju symulacji. A3D tworzą dwie nawzajem uzupełniające się platformy: A3D Surround, oraz A3D Interactive. A3D Surround zawiera w sobie techniki realizacji przestrzennego dźwięku dla filmu: Dolby Prologic, oraz Dolby Digital, opracowane i opatentowane przez Dolby Laboratories. Technika ta umożliwia odsłuchiwanie wielokanałowego, dedykowanego dla pięciu głośników dźwięku za pomocą standardowego systemu stereofonicznego. System charakteryzuje się tym, że dźwięk do odsłuchu musi być odpowiednio wcześniej przygotowany i podczas odtwarzania nie może już być modyfikowany.

11.6. Sensaura 3D

Jeśli chodzi o technologię Senasaura 3D, to do niedawna była całkowicie nieznana, a dziś coraz więcej różnych producentów wykorzystuje ją w swoich układach dźwiękowych. Algorytmy Sensaura 3D positional Audio zastosowano w procesorach firmy ESS (seria Maestro 2 i Canyon 3D), Cirrus Logic (Crystal 4820 i 4624), oraz Yamaha (YMF 724 DS-1 i YMF 744). Zbudowane na ich podstawie karty to min.: Diamond Monster Sound MX 400, potrafiący wykorzystać 4 głośniki. Firma Sensauara zajmuje się wyłącznie opracowywaniem metod przetwarzania dźwięku i nie zajmuje się tworzeniem własnego API, polegając na A3D i Direct-Sound 3D. Kompatybilność z A3D jest realizowana za pomocą wrappera, tłumaczącego odwołania do biblioteki funkcji A3D. Zgodność z Direct-Sound 3D jest zapewniona na poziomie sterownika systemowego i obejmuje rozszerzenia środowiskowe.

1. Direct Sound

Direct Sound i Direct Sound 3D wchodzą w skład pakietu DirectX Microsoft's. Ich rolą jest generowanie dźwięku z cyfrowych próbek, oraz umiejscawianie ich w przestrzeni trójwymiarowej.

Direct Sound jest wykorzystywany przez wiele gier i programów multimedialnych (np. Winamp'a). Również system operacyjny Windows 9x/2000 do sprzętowej akceleracji dźwięku wykorzystują ten moduł w niektórych programach.

Moduł Direct-Sound 3D umożliwia (podobnie jak A3D Interactive) dynamiczną lokalizację źródeł dźwięku w wirtualnej przestrzeni. Początkowo przed pojawieniem się dopalaczy dźwiękowych, obliczenia wykorzystywane przez Direct-Sound 3D były wykonywane w CPU, przez co znacznie obniżały prędkość działania całego systemu. Obecnie jednak większość akceleratorów dźwięku 3D udostępnia sterowniki Direct-Sound 3D.

11.6. Chorus

Kolejnym efektem jest chorus. Efekt ten odkrył inżynier dźwięku Phil Spector, eksperymentując z odtwarzaniem tego samego nagrania jednocześnie z dwóch magnetofonów. Chorus wykorzystuje fakt, że dźwięk instrumentu, przechodzący przez linię opóźniającą o zmiennym opóźnieniu, ulega odstrojeniu od oryginalnej częstotliwości. Otrzymujemy jakby drugi głos - minimalnie przesunięty w czasie i o nieco innej wysokości. Jeżeli mamy nagraną ścieżkę audio z pojedynczą sekcją wokalną, to nałożenie tego efektu spowoduje, że utwór śpiewany będzie przez chór, a nie przez pojedynczego muzyka. Najczęściej do realizacji tego efektu wykorzystywany jest oscylator LFO (Low Frequency Oscillator), sterujący czasem opóźnienia linii. Jeszcze głębszy efekt możemy uzyskać łącząc wyjście generatora efektu z jego wejściu.

TOR DŹWIĘKOWY CHORUSA

X Y

Rys.16. Chorus.

12. Niezbędne urządzenia peryferyjne:

Sama karta muzyczna w komputerze do nas nie przemówi. Wzmacniacze, które są umieszczone w naszym cacku nie mają oszołamiającej mocy (około 5mW). Aby się więc dowiedzieć, co komputerowi „leży na duszy” musimy skorzystać ze wzmacniacza mocy i zestawu głośnikowego. Na rynku jest wiele różnych ofert między innymi są specjalne „głośniki komputerowe”. Nie rzadko zdarza się tak, że im wyższa cena tym lepsza jakość.

12.1.Głośniki komputerowe:

12.1.1. Komunikaty

Jeśli nasz komputer będzie służyć do prac biurowych, sterowania automatyką czy też lampkami na choince wtedy wystarczy nam jakiś słabo brzęczący „zestawik” - cena ok.30zł.

Jego zalety to: jest mały, ustawny i ekonomiczny.

12.1.2. Usłysz swoje MP3

Kolekcjonerom plików MP3 polecam zestaw satelitów z sub­wooferem - tzw. 2+1. Jest to para stereo­fonicznych głośników, odpowiedzialna za odtwarzanie średnich i wysokich czę­stotliwości, wspierana przez głośnik ba­sowy - subwoofer. Dzięki takiemu podziałowi możemy cieszyć się dobrym dźwię­kiem z niewielkich satelitów, które łatwo ustawimy na biurku, a także mocnym ba­sem z dodatkowego głośnika.

Subwoofer może być ustawiony w miej­scu niewidocznym (np. pod biurkiem), gdyż ucho ludzkie nie rozpoznaje kierunku dochodzenia niskich częstotliwości. Dodatkowo umieszczenie subwoofera w po­bliżu powierzchni odbijających dźwięk spowoduje wzmocnienie się basów. Z re­guły lepsze rezultaty uzyskamy z konstruk­cji drewnianych. Unikniemy brzęczenia przy niewielkiej głośności. Czasem zdąża­ją się jednak dobrze zaprojektowane subwoofery plastikowe, np. Philips'a, W przy­padku subwoofcra, największe znaczenie ma jego wielkość. Zwróćmy uwagą nie tyl­ko na fakt, iż w zestawie jest subwoofer, ale czy jest on solidnie wykonany. Zestawy z subwooferem mogą zaoferować bardzo do­bry dźwięk za niewygórowaną cenę. Na przykład zestaw Encore XP 500 za około 250 zł oferuje jakość dźwięku na poziomie mini wież.

12.1.3. Zestawy wielogłośnikowe

Kolejna grupa głośników to już nie postęp w dziedzinie jakości, a raczej ilości. Są to zestawy czterech, a nawet pięciu głośni­ków satelitarnych wspieranych subwoofe­rem. Głośniki te przeznaczone są dla posia­daczy wielokanałowych kart muzycznych. Czterokanałowe - przede wszystkim gra­czom z czterokanałowymi kartami 3D (np. z systemami dźwięku EAX, A3D). Dwa tyl­ne, niezależne kanały dźwięku dają sporo wrażeń, więc posiadacze odpowiednich kart nie powinni się wahać i zakupić zestaw z kompletem pięciu głośników. Oferta jest coraz bogatsza, a za 360 zł kupimy takie głośniki, jak Creative FPS1000 czy bardzo udane Encore XP4+1 A.

12.1.4. Miłośnicy kina komputerowego

Pięciokanałowe zestawy głośników to już propozycja dla fanów kina domowego, którzy chcą wykorzystać napęd DVD ROM i zamienić swojego peceta  w pro­jektor filmowy. Podstawową różnicą w stosunku do poprzednich jest piąty głośnik - centralny. Stawiany na lub pod mo­nitorem jest bardzo istotny podczas dialogów, które dobiegają na ogól ze „środka ekranu”. Te zestawy przewidziane są do odtwarzania dźwięku Dolby Digital. Jest to obecnie najpopularniejszy format zapi­su wielokanałowej ścieżki dźwiękowej. Zestaw głośników musi współpracować  z  odpowiednią kartą dźwiękową, która po­trafi zdekodować cyfrowy zapis Dolby Digital do sześciu kanałów: dla pięciu głośników surround i jednego z efektami niskotonowymi (subwoofera). Przykładem będą tu głośniki Creative DTT2200.

Najbardziej rozbudowane zestawy gło­śników komputerowych posiadają zewnętrzne moduły mieszczące dekoder Dolby Digitai i wzmacniacze. Są o wiele bardziej uniwersalne. Dzięki cyfrowym wejściom sygnału (S/PDiF, TOSlink), mogą  współpracować także z wolno stojącymi odtwa­rzaczami DVD. W zależności od modelu, możliwe jest też podłączenie dodatkowych urządzeń (magnetofony itp.), cena przekra­cza znacznie 1000 zł. Jakość dźwięku bę­dzie zależała od modelu, choć rozpiętość osiągów nie jest tutaj duża gdyż wszystko obraca się dalej wokół parametrów karty dźwiękowej.

12.1.5. Ile fabryka dała!

Jeżeli chodzi o moc to każdy dobiera ją według własnych upodobań. Ja lubię oglądając film na komputerze poczuć, choć trochę realizmu wybuchów tzn. efektów specjalnych. Powstaje wtedy jednak inny problem np. w bloku, sąsiedzi, którzy nie zawsze mają ochotę „oglądać” razem z nami film czy słuchać muzykę. Inwestując, więc w naprawdę „duże” wzmacniacze okażmy trochę litości współlokatorom. Nie zgodzę się również z tymi, co uważają, że tylko cisza uspokaja i relaksuje. Znam wiele osób, które w celu wyładowania napięcia nerwowego słuchają ciężkiego ROCKA czy METALU mam tu na myśli oczywiście rodzaje muzyki.

12.1.6. Alternatywne wyście, czyli wieża Hi - Fi

Zanim zdecydujemy się dołączyć głośniki do zestawu komputerowego, zastanówmy się, czy w tym samym pokoju nie będzie stał sprzęt audio wyposażony  w wejście sy­gnału, np. wieża Hi-Fi, do której można podłączyć odpowiednim kabelkiem sygnał z karty muzycznej. To rozwiązanie jest ko­rzystne finansowo, a przy okazji zyskamy na wyższej jakości dźwięku. Dopiero droż­sze „komputerowe" głośniki, kosztujące kilkaset złotych, osiągają poziom jakościo­wy mini wieży.

12.2. Mikrofon

Jest to urządzenie, które pozwala nam przetworzyć falę mechaniczną na analogiczny sygnał elektryczny, który dalej jest przetwarzany jak już wcześniej wspomniałem na sygnał cyfrowy, po czym zapisywany na twardym dysku.

Technika dąży jednak do tego, aby była możliwość sterownia komputera po przez mowę. Pozostaje jednak problem: ogromnej biblioteki sampli w formie Wave, bardzo dużej mocy obliczeniowej procesora i szybkiego dostępu do próbek głosu. Na razie przeprowadzane są badania nad tym sposobem komunikacji. Niewątpliwie był by to bardzo praktyczny, pozwalający na znaczną miniaturyzację i wygodny sposób „dogadania” się z naszym komputerem, czy nawet sterowanie nim za pomocą mowy. Wszystko przed nami.

12.3. Klawiatura muzyczna MIDI

Klawiatura taka pozwala na prosty pozbawiony klikania myszką sposób gry na instrumencie klawiszowym, oczywiście bogata biblioteka próbek instrumentów muzycznych (i nie tylko) pozwoli uzyskać nam przeróżne dźwięki o różnej wysokości. Jest to również przyszłość w dziedzinie nauki gry na instrumentach klawiszowych przez Internet. Możemy być jednak spokojni o przyszłość starych instrumentów gdyż nic nie jest wstanie zastąpić ich oryginalnego brzmienia. Pamiętajmy, że podczas próbkowania dochodzi do obcięcia pewnych części przebiegu analogowego a co za tym idzie ich brzmienie niewiele, ale zawsze odbiega od oryginału. Po odpowiednim zaprogramowaniu klawiatury MIDI można również sterować komputerem pisać itp. Ja jestem jednak zwolennikiem standardowej klawiatury (105 znaków) gdyż jest bardziej poręczna, jeśli chodzi o pisanie.

12.4. Joystick (kontroler do gier)

Kontrolery do gier służą nie tylko do gry na komputerze. Swoje praktyczne zastosowanie znalazły wśród osób niepełnosprawnych, którym ułatwiają obsługę komputera, w symulatorach pozwalając realnie odtworzyć np. kabinę samochodu, samolotu czy nawet w medycynie i technice podczas prowadzenia różnych operacji wymagających precyzji ruchu. Dzielimy je również na lepszej i gorszej jakości. Zasadnicze elementy, na które powinniśmy zwrócić uwagę przed zakupem kontrolera do gier to jego przeznaczenie i sposób kontroli ruchu, gdyż na rynku pojawiają się coraz to nowsze rozwiązania takie jak np. optyczny czujnik przemieszczenia (położenia) pozwalający na coraz bardziej precyzyjne określenie ruchu.

13. Wybieramy kartę dźwiękową

Wybór karty dźwiękowej zależy, od przewidywanych zastosowań. Dla uproszczenia załóżmy, że są dwie grupy użytkowników: gracze i muzycy amatorzy. Pomijamy karty przeznaczone dla użytkowników pro­fesjonalnych, którzy najczęściej nie korzystają z rozwiązań zintegrowa­nych, a wykorzystują karty realizują­ce ściśle określone zadanie.

Karty dla graczy nie muszą speł­niać bardzo wysokich wymagań dotyczących poziomu zniekształceń dźwięku. Zresztą parametry przecięt­nej karty są i tak lepsze niż podłączo­nych do niej głośników komputerowych.

Trzeba natomiast zwrócić uwagę na:

• Zgodność karty ze standardami dźwięku przestrzennego, najlepiej EAX ewentualnie A3D,

• Zgodność karty z interfejsem Direct-Sound i Direct-Sound 3D,

• Obsługę 4 głośników,

• Obecność cyfrowego wyjścia S/PDIF.

Tak wyposażona karta będzie mo­gła realizować wszystkie zadania, któ­re zleci jej wymagający gracz. Złącze S/PDIF pozwoli itp. wyprowadzić sy­gnał Dolby Digital z komputera do ze­wnętrznego wzmacniacza.

Komu zależy na dobrej jakości od­twarzania i nagrywania muzyki, powinien wziąć pod uwagę kilka dodatko­wych elementów. Przede wszystkim istotne będą zniekształcenia wprowadzane przez kartę do sygnału dźwię­kowego. W dobrej karcie odstęp sy­gnału od szumu wynosi ponad 80 dB, a zniekształcenia harmoniczne nie przekraczają 0,007 procent.

Taka kar­ta powinna przenosić dźwięki o często­tliwościach od 20 Hz do 20 kHz przy  niedokładności  nieprzekraczającej  -/+ 0,5 dB  -  oznacza to,  że  w  całym słyszalnym paśmie częstotliwości mu­si utrzymać niemal identyczne natęże­nie dźwięku. Tanie karty dźwiękowe rzadko to potrafią, zwykle efektywne pasmo przenoszenia bez zniekształceń wynosi od 50 Hz do 15-16 kHz.

Aby spełnić wysokie wymagania dotyczące poziomu zniekształceń, niemal na pewno trzeba będzie prze­nieść układy AC i CA poza obudowę komputera, do zewnętrznego modułu.

Warto wybrać kartę, w której wykorzystano rozbudowany mechanizm syntezy Wavetable, z dużą próbką brzmień (lub z możliwością rozbudowy pamięci i dodawania nowych próbek).

13.1. Krótka charakterystyka wybranych kart dźwiękowych.

Na polskim rynku jest duży wybór kart dźwiękowych. Warto czas, zatem bliżej przyjrzeć się ofercie.

Kart tanich, w cenie do 100 zł, jest mnóstwo. Jedynym powodem kupie­nia którejś z nich zamiast wykorzy­stania układu dźwiękowego wbudo­wanego w płytę główną może być obsługa czterech głośników i co za tym idzie, poprawna imitacja dźwięku przestrzennego. To już praktycznie standard, poniżej którego nie schodzi nawet kosztujący 47 zł MiNt 3D PCI. Jednak w tej grupie cenowej oprócz samej karty i płyty ze sterownikami nie dostaje się praktycznie nic.

Rys.17. MiNt 3D jedna z tańszych kart dźwiękowych obsługująca cztery głośniki.

Żeby się wyróżnić z tłumu konku­rentów, trzeba dziś zaproponować klientom nieco więcej. Rozbudowa­nym kartom uważniej przyjrzę się w dalszej części pracy.

Interesującą propozycję ma firma Abit, znana raczej z produkcji dobrej jakości płyt głównych. Abit Horne Theater AU10 to karta skierowana, jak sugeruje nazwa, do użytkowników chcących zamienić swój pecet w cen­tralny element systemu kina domowe­go. Oparta jest na dobrze znanym układzie ForteMedia 801. Na śledziu karty oprócz standardowego zestawu wyjść i wejść znajduje się wyprowa­dzenie wielościeżkowego sygnału dźwiękowego w formacie 5.1. Do gniazda podłącza się przejściówkę rozdzielającą sygnał na poszczególne składowe. Brak jednak dekodera Dol­by Digital i DTS, dlatego wielościeżkowy sygnał musi zostać zdekodowany programowo, co wymaga nowocze­snego, silnego komputera.

Rys.18. Dwie bardzo podobne karty z wbudowanym wyprowadzeniem sygnału w formacie 5+1.

Karta nie zainteresuje natomiast graczy - obsługuje tylko głośniki stereofoniczne i nie jest zgodna z popularnymi standardami EAX bądź A3D. Również dołączony pilot zdalnego sterowania, przysto­sowany do współ­pracy z programem WinDVD (w zestawie) potwierdza, że potencjalni nabywcy tej kar­ty to przede wszystkim miłośnicy kina domowego.

Niemal identyczne rozwiązanie ofe­ruje firma APAC w modelu Phantom 806. Wykorzystuje ten sarn układ dźwiękowy i taki sam zestaw wypro­wadzeń, łącznie  z przejściówką do dźwięku wielokanałowego. Różnice to inny program w zestawie (PowerDVD zamiast WinDVD) i brak pilota zdalne­go sterowania. O ile pierwsza różnie ma większego znaczenia, o tyle brak pilota może być dokuczliwy.

Rys.19. Sound Blaster Live! Player 1024 5.1 to stosunkowo tania karta dźwiękowa

z wbudowanym dekoderem Dolby Digital.

Skoro jesteśmy przy kartach zapro­jektowanych z myślą o kinie domowym, trzeba koniecznie wspomnieć o SB Live! Player 1024 5.1. W odróżnieniu od kart opisanych wcze­śniej ma nie tylko wyprowadzenie dźwięku wielokanałowego, ale także wbudowany sprzętowy dekoder Dol­by Digital 5.1. Oznacza to, że kom­puter może całą moc przeznaczyć na jak najlepsze dekodowanie wideo, a obsługę dźwięku całkowicie przejmuje karta.

Jeszcze jeden element odróżnia tę kartę od opisanych wcześniej. Ponieważ należy do serii SB Live!, jest faktycznie rynkowym standardem. Oparta na układzie EMU10K (jak wszystkie karty z tej rodziny) bezpro­blemowo obsługuje własny standard dźwięku przestrzennego EAX. Kłopo­tów nie sprawiają również A3D 1.0 i Direct-Sound 3D.

Rozwinięciem tej karty jest SB Live! Platinum 5.1, Konstrukcja zosta­ła utworzona na podstawie znanej wersji Platinum bez przyrostka 5.1. Jak łatwo się domyślić, 5.1 oznacza, że do karty dodano dekoder Dolby Di­gital. W zestawie znalazł się - obowiązkowy w ta­kich przypadkach - pilot zdalnego sterowania. Jed­nak wersja Platinum jest ciekawa nie tylko z tego powodu. Jej cecha cha­rakterystyczna to moduł

instalowany w kieszeni 5 1/4 cala, zawierający peł­ny zestaw wejść i wyjść: S/PDIF, TOSLink. MIDI. Dzięki takiemu- rozwią­zaniu do komputera moż­na wygodnie podłączyć in­ne urządzenia muzyczne- instrumenty zgodne z MIDI lub cy­frowe rejestratory dźwięku.

Rys.20. Sound Blaster Live! Platinum to rozbudowana wersja 5.1 wzbogacona o funkcjonalny przedni panel 5 ¼ umieszczany z przodu komputera.

Niewątpliwie jedną z najciekaw­szych na rynku jest karta Guillemot Maxi Studio ISIS, przeznaczona dla osób chcących wykorzystać kompu­ter do edycji  i montażu dźwięku. Wykorzystuje 20-bitowe przetworni­ki AC/CA, co teoretycznie pozwala osiągnąć odstęp sygnału od szumów na poziomie 120 dB. Nawet jeśli karta nie osiąga maksymalnej war­tości, to zastosowanie dołączonego do zestawu zewnętrznego modułu zawierającego komplet wejść i wyjść (w tym S/PDIF  i TOSLink), pozwala nagrać bardzo czysty, pozbawiony zniekształceń dźwięk. Co ciekawe, osiem wejść line in (lub cztery w trybie stereofonicznym) pracuje niezależnie od siebie, co oznacza, że można jednocześnie nagrywać do ośmiu ścieżek.

Rys.21. Karta Guillemot Maxi Studio może stanowić podstawę domowego studia nagraniowego. Uwagę zwraca slot pozwalający zainstalować dodatkowy moduł pamięci. Dzięki specjalnej przystawce wszystkie wejścia i wyjścia można wyprowadzić poza obudowę komputera.

Karta wyposażona jest w 4 MB pa­mięci, w której przechowuje próbki instrumentów zatwierdzone przez fir­mę Roland, Jeśli 4 MB to za mało, możliwościkarty można rozszerzyć, dokładając standardowy moduł pa­mięci o pojemności 32 MB. Mocny procesor DSP, zaprojektowany w ar­chitekturze RISC, pozwala nakładać na dźwięk dowolne efekty, nie obcią­żając komputera.

Z karty powinni być zadowoleni również gracze. Obsługiwane są najważniejsze standardy, w tym Direct-Sound i A3D 1.0. Do urządzenia można podłączyć cztery głośniki. Ważną zaletą jest bogaty pakiet dołączonego oprogramowania.

Inną ciekawą propozycją firmy Guillemot, tym razem skierowaną przede wszystkim do graczy, jest kar­ta Gamesurround Muse XL. Jako pod­stawę jej konstrukcji wykorzystano mało znany układ CMI-8738. Dla gracza ma to jednak drugorzędne zna­czenie, istotna jest kompatybilność z obowiązującymi standardami. A pod tym względem karta nie ma się czego wstydzić - jest zgodna z EAX 1.0 i 2.0, A3D 1.0. Direct-Sound oraz z systemem Sensaura. Można do niej, oczywiście, podłączyć cztery głośniki. Jak w przypadku wszystkich kart Guillemot, w pakiecie dostajemy bo­gaty zestaw oprogramowania.

Krótki przegląd ciekawszych kon­strukcji nie byłby pełny, gdyby zabrakło w nim kart wykorzystujących układ Vortex 2. Wprawdzie jego pro­ducent - firma Aureal - zbankrutowała i została przejęta przez Creative'a, ale karty z tym układem nie zniknęły jeszcze z rynku, l całe szczęście, gdyż tylko one pozwalają wykorzystać standard A3D 2.0 - najbardziej zaawansowane rozwiązanie do tworzenia dźwięku przestrzennego. Sztandaro­wym produktem jest w tym przypad­ku karta Diamond Monster Sound. Wykorzystuje typowy - biorąc pod uwagę grupę docelową - zestaw złączy: dwa wyjścia (głośniki przednie i tylne), wejście line in oraz mikrofo­nowe i złącze MIDl/dżojstik. Za dodat­kową opłatą można dokupić moduł rozszerzający o wyjście S/PDIF.

Rys.22. Karty z układami Vortex 2 nie mają sobie równych, jeśli chodzi o dźwięk przestrzenny. Niestety, niedługo zupełnie znikną z rynku - firma Aureal, producent układów Vortex 2, zbankrutowała.

Największą zaletą karty jest wyso­ka jakość dźwięku w grach potrafią­cych wykorzystać A3D 2.0, Technika śledzenia odbić fal dźwiękowych po­zwala bardzo realistycznie pozycjono­wać dźwięk w przestrzeni.

Rys.23. Zewnętrzna karta dźwiękowa firmy Creative Labs a do tego mocny procesor DSP EMU10K2 i przetworniki DAC pracujące w rozdzielczości 24bity/96 kHz.

Rys.24. Wieża Yamaha RP- U200 to w istocie pełnowartościowy amplituner z wbudowanymi końcówkami mocy i pełnym zestawem dekoderów cyfrowych, jedynym mankamentem jest cena, która waha się w okolicach ceny średniej klasy amplitunera Hi -Fi, który z pewnością można równie łatwo połączyć z naszym komputerem.

Rys.25. Najnowocześniejsza karta dźwiękowa Audigy 2 firmy Creative Labs to wśród kart dźwiękowych prawdziwy „kombajn multimedialny”.

Jako jedna z niewielu kart obsługuje siedmiokanałowy (6+1) dźwięk przestrzenny DOLBY DIGITAL EX. Niestety zaletami filmów z tego rodzaju standardem dźwiękowym będziemy się cieszyć dopiero po zainwestowaniu  w odpowiednie oprogramowanie. Główna zaleta to: 24-bitowa dokładność   i częstotliwość próbkowania 96 kHz.

14. Zestawienie “Power i Econo”

14.1. Zestawienie na opłacalność (tzw. Econo):

Rys.26. Wykres przedstawia najbardziej korzystny zakup, ze względu na stosunek ceny do możliwości.

14.2. Zestawienie “Power”:

Rys.27. Wykres przedstawia najbardziej korzystny zakup, ze względu na jakość, wyposażenie i możliwości karty dźwiękowej.

15. Wnioski

Dźwięk otacza nas wszędzie. Uczymy się słuchać wszystkiego: ludzi, maszyn. To on jest najpopularniejszym sposobem komunikowania. Dźwięk steruje naszym zachowaniem.

Z wyżej przedstawionych informacji wynika, że karta dźwiękowa to niezbędny element, który czyni nasz komputer urządzeniem o multimedialnym zastosowaniu. Dzięki niej możemy słuchać cyfrowo zapisanej muzyki, uczyć się języków. Ułatwia nam komunikowanie się przez Internet np. wideo konferencje. To właśnie karta dźwiękowa wprowadza nas w wirtualną rzeczywistość. Sam płaski szklany monitor nie jest nam w stanie odtworzyć przestrzeni, w której byśmy się chcieli znajdywać. Oglądając film, grając na grze, możemy łatwo zauważyć, że dźwięk jako pierwszy pobudza nasze emocje, wprowadza nas w inną rzeczywistość. Dźwięk jest wstanie z nami zrobić wszystko pobudzić, zrelaksować się, wprowadzić w stan niepewności.

Przed wyborem karty dźwiękowej do komputera powinniśmy się, więc zastanowić nad naszymi potrzebami i kryteriami, jakie powinna spełniać. Jeżeli mamy w planach słuchać jedynie muzyki w formacie Wave czy MP 3 to w zupełności nasze potrzeby zaspokoją karty stereo (dwu kanałowe) z niższej półki. Dla graczy i kinomanów, zdecydowanie polecałbym karty, wyposażone w procesor DSP i obsługujące większą ilość kanałów np. 5+1, ponieważ to one wprowadzą nas w zupełnie inny świat, wirtualny świat, gdzie wszystko jest możliwe i „żyje się dwa razy”. Jeżeli mamy w planach nagrywanie lub tworzenie muzyki powinniśmy zainwestować w sprzęt z tzw. górnej półki, który pozwoli nam bezpośrednio wpłynąć na budowę dźwięku nałożyć go na inny lub urozmaicić go drobnym pogłosem czy przesunięciem w fazie.

Na podstawie wyżej wymienionych argumentów uważam, że karta dźwiękowa jest niezbędnym elementem komputera XXI wieku.

16. Słowniczek:

• A3D - standard dźwięku przestrzennego opracowany przez nieistniejącą już firmę Aureal. Mimo upływu czasu jest to wciąż najbardziej zaawansowana technologia pozycjonowania dźwięku stosowana w popularnych kartach. Wykorzystuje m.in. algo­rytmy śledzenia odbić fal dźwiękowych.

• AC (ADC) - przetwornik analogowo-cyfrowy odpowiedzialny za przetwarzanie dźwięku z postaci analogowej na zerojedynkową. Jego dwie podstawowe charakterystyki to rozdzielczość i maksymalna częstotliwość próbkowania.

• APM - Accoustic  Physical Modefing,  najbardziej  zaawansowana  i najdoskonalsza metoda syntezy dźwięku wykorzystywana w profesjonalnych kartach dźwiękowych, polegająca na symulowaniu przebiegu dźwięku z uwzględnieniem fizycznej charak­terystyki instrumentu muzycznego. Ze względu na duże zapotrzebowanie na moc obliczeniową zwykle wykorzystuje się ją rów­nolegle do syntezy wavetable.

• CA (DAC) - przetwornik cyfrowo-analogowy; pełni funkcję odwrotną do przetwornika AG, czyli zamienia dane binarne na dźwięk.

• DSP - procesor sygnałowy odpowiedzialny za przetwarzanie dźwięku i dodawanie do mego efektów takich jak pogłos czy echo. Karty wyposażone w układ DSP odciążają główny procesor komputera.

• EAX - standard dźwięku przestrzennego opracowany i promowany przez firmę Creative. Mniej zaawansowany technologicz­nie niż A3D. ale daje podobne efekty dźwiękowe.

• Full  duplex  -  tryb,  w  którym  karta  dźwiękowa  jednocześnie  odtwarza  i nagrywa dźwięk. Niektóre stare karty dźwiękowe nie potrafią pracować w tym trybie.

• Linę in/out - analogowe wejście i wyjście sygnału dźwiękowego.

• MIDI - standard przyjęty przez producentów elektronicznych instrumentów muzycznych, pozwalający zapisać i w łatwy sposób przenosić utwory muzyczne. W najprostszej postaci zapis MIDI pozwala uwzględnić wysokość nuty, czas jej odtwarzania i głośność. Do odtwarzania plików MIDI karty muzyczne wykorzystują Jedną z kilku technik syntezy dźwięku, np, syntezę FM lub WaveTable.

• Mikser - program pozwalający miksować dźwięk pochodzący z kilku różnych źródeł, np. z mikrofonu, płyty CD i wejścia linę in. Polifonia - zdolność do odtwarzania wielu dźwięków jednocześnie. W nowoczesnych kartach są to, co najmniej 32 a często 64 dźwięki. Jeśli uwzględnić polifonię programową, a nie tylko sprzętowa., wartość ta wzrasta nawet do 1024 dźwięków.

• Próbkowanie - zamiana dźwięku z postaci analogowej na cyfrową, polegająca na rejestrowaniu kolejnych próbek z określo­ną częstotliwością i rozdzielczością.

• Rozdzielczość - określa, za pomocą ilu bitów zostanie opisana jedna próbka dźwięku. Standardowo wykorzystuje się w tym celu 16 bitów.

• S/PDIF - cyfrowe złącze, gniazdo typu RCA. coraz częściej stosowane w kartach dźwiękowych.

• Sensaura - standard dźwięku przestrzennego, wykorzystywany np. przez karty firmy TurtleBeach.

• SNR - Signa/Noise Ratio, współczynnik określający odstęp sygnału użytecznego od szumów. W sprzęcie Hi-Fi powinien wynosić 85 dB. Maksymalna teoretyczna wartość dla 16-bitowej karty to 97 dB.

• Synteza FM - najprostsza forma syntezy dźwięku, polegająca na nakładaniu się kilku fal dźwiękowych o określonych prostych obwiedniach. Fale te generowane są przez oscylatory.

• Synteza wavetable - metoda syntezy dźwięku dużo doskonalsza niż technika FM. Wykorzystuje próbki nagrań poszczególnych instrumentów, przechowywane w pamięci komputera lub karty. Próbki są przekształcane na odpowiednia, częstotliwość w te­ki sposób, aby odwzorować dźwięk zapisany w pliku MIDI.

• THD - Total Harmonie Distortion, współczynnik określający zawartość składowych harmonicznych w dźwięku. Im wyższy, tym dźwięk bardziej zniekształcony, w zasadzie nie powinien przekraczać 0.007 procent.

• TOSLink - optyczne złącze cyfrowe gwarantujące, że dźwięk zostanie przesłany pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem bez ja­kichkolwiek zniekształceń.

17. Parametry techniczne karty dźwiękowej zainstalowanej w pracy dyplomowej:

• Jednoczesne odtwarzanie i nagrywanie dźwięku

• Wejścia analogowe (zewnętrzne): jedno liniowe i jedno mikrofonowe

• Wyjścia analogowe (zewnętrzne): jedno głośnikowe stereo

• Interfejs MIDI: port gier i MIDI w jednym złączu DB-15

• Wejścia wewnętrzne na karcie: 2x wejście dla CD

• Dołączone sterowniki: Windows 98, ME, 2000, XP

18. Literatura:

• „PC World Komputer” Nr. 9/2001 str. 50 - 58 art. Marcin Lejman „Werble z komputera“,

• „PC World Komputer” Nr. 9/2002 str. 58 - 67 art. Marcin Lejman „Niech gra orkiestra“, art. Juliusz Kornaszewski „Wielokanałowo jednym kablem”

• „Komputer Świat“ Nr. 22/2002 str. 18 - 38

• „Chip” Nr. 12/2002 str. 84 art. Marek Budny „24-bitowe cacko“

• Zdzisław Kolan - „Urządzenia techniki komputerowej” wydanie ósme wydawnictwo Centrum Wdrożeń Komputerów SCREEN Wrocław 2001

• Strony internetowe:

• http://www.kartydzwiekowe.com.pl/

• http://www.chip.pl/

• http://www.pcworld.pl/

• http://www.komputerswiat.pl/

Zestaw komputerowy:

• Procesor: AMD Duron 1,3 GHz

• Płyta główna: ECS K7S6A

• Pamięć RAM: 256MB DDR RAM

• Karta graficzna: GeForce 2 MX 400

• Karta dźwiękowa: Zintegrowana na płycie zgodna z AC' 97

• Dysk Twardy: Maxtor 30GB

• Napęd CD: CD-ROM LG 52x, CD-RW LG 48/24/48 OEM

• Napęd 1,44 MB: Alpina 1,44 MB

PRACA DYPLOMOWA KARTY DŹWIĘKOWE

50

PRACA DYPLOMOWA KARTY DŹWIĘKOWE

OPERATOR 1

OPERATOR 2

oscylator

generator obwiedni

sterownik wzmocnienia

Miksery

cyfrowe

Korektor

10 - zakresowy

Silnik

A3D

Likwidacja Przesłuchu

Konwertery częstotliwości próbkowania

Port Wyjściowy S/PDIF

Kontroler PC

Port Kooprocesora

Kontroler Magistrali PCI

Syntezator Wavetable

Kontroler Portu Joystika

Kontroler

I2C

Interfejs Modemu ISA

Kontroler AC'97 v2.1

Emulator Trybu Legancy

+

ACD

DANE

RAM

ROM

Układ adresujący

Instrukcje

Sygnał analogowy

TECHNICZNE ZAKŁADY NAUKOWE

im. gen. Władysława Sikorskiego w Częstochowie

+

DELAY

SPEED

wyjście

Dekoder instrukcji

Bufor danych

Jednostka wykonawcza

Jednostka wykonawcza

Kolejka

Kolejka

r

Wykonał:

Lorenc Maciej

Specjalność:

Elektryczna i elektroniczna

automatyka przemysłowa

Promotor:

mgr inż. Sebastian Ślemp

32

OPERATOR 1

WYJŚCIE

OPERATOR 2

---