Zvuková karta

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 23. 9. 2017, 10:56

Zvuková karta Sound Blaster Live!

Zvuková karta nebo všeobecně zvukový adaptér je část počítače, která zabezpečuje zvukový vstup a výstup.

Je kombinací analógovo-digitálneho prevodníka, digitálno-analógového prevodníka, analogových obvodů (zesilovačů, filtrů, mixérů) a řídící elektroniky, která řídí analogovou část a zabezpečuje pravidelný přenos údajů z/do hlavní paměti počítače. Připojení k PC je realizováno:

• rozšiřující sběrnicí PC - dnes PCI, relativně dlouhou dobu ISA)
• zvláštním tzv. riserovým rozhraním
• externí rychlou sběrnicí (USB či FireWire)

Zvuk a zvuková karta

Creative Sound Blaster Audigy LS

Zvuková karta (také známa pod označením audiokarta) je počítačová rozšiřující karta, která zabezpečuje vstup a výstup audiosignálů z/do počítače pod kontrolou řídícího programu. Typickým použitím zvukové karty je zabezpečení zvukového doprovodu pro multimediální aplikace v počítači jako třeba komponování hudby, editovaní videa či audia, multimediální prezentace, výuku a samozřejmě zábavu. Většina dnešních počítačů má už integrovanou zvukovou výbavu, ale některé mají navíc samostatnou přídavnou zvukovou kartu.

Hlavní charakteristika

Typická zvuková karta obsahuje zvukový procesor – alebo tiež zvukový čip, s integrovaným DAC (digital to analog converter) digitálno analógovým prevodníkom, ktorého úlohou je konvertovať nahrané alebo generované digitálne dáta do analógového formátu. Výstupný signál je vyvedený pre pripojenie zosilovača, slúchadiel, alebo externého zariadenia používajúceho štandardné pripojenie cez JACK konektor (známy tiež ako TRS), alebo CINCH konektor (známy tiež ako RCA, alebo AV). Ak počet, alebo veľkosť konektorov neumožňuje ich umiestnenie na zadnej lište karty, sú tieto umiestňované do externého boxu prepojeného so zvukovou kartou, na prídavnej zadnej lište alebo sa používa rozširujúca „redukcia“.

Viacero pokročilejších kariet – mimo tejto základnej funkcie – poskytuje aj iné, nadštandardnejšie funkcie. Vtedy obsahuje viacero zvukových procesorov, resp. čipov pre zabezpečenie lepšej prenosovej rýchlosti, zabezpečenie simultánneho spracovania viacerých audio kanálov, syntézu resp. analýzu zvukov, generovanie hudby a zvukových efektov v reálnom čase s minimálnym zaťažením CPU (hlavného procesora).

Digitálna reprodukcia zvukov sa zvyčajne realizuje pomocou viackanálových DAC - digitálno – analógových prevodníkov, ktoré su schopné spracovať viacero vzoriek súčasne pri rôznych úrovniach výšky tónu a hlasitosti, alebo v reálnom čase použiť zvukové efekty napr. skreslenie alebo filtrovanie. Viackanálové zvukové prehrávanie môže byť tiež použité pre hudobnú syntézu s použitím digitalizovaných vzoriek reálnych zvukov resp. hudobných nástrojov. Tieto sú umiestnené v tzv. banke (digitized instrument bank), čo je vlastne malá ROM, resp flash pamäť obsahujúca vzorky reálnych, alebo vytvorených zvukov podobne ako je tomu u MIDI nástrojov – napr. syntetizátorov. Zvukové karty dokážu v reálnom čase používať audio kodeky – čiže softvérovú a hardvérovú kompresiu a dekompresiu v reálnom čase. Väčšina kariet je vybavená tzv. Line In konektorom, ktorý umožňuje priviesť externý analógový audiosignál do karty (napr. z magnetofónu, gramofónu, videa...). Zvuková karta digitalizuje tento signál pomocou ADC – analógovo – digitálneho prevodníka, a s pomocou prislúchajúceho softvéru umožní uložiť zdigitalizovaný zvuk do počítača, či už priamo (wav súbor), alebo pomocou softvérového kodeku s kompresiou (mp3, wma ..). Podobným externým konektorom je tzv. MIC konektor – mikrofónový vstup, ktorý umožňuje pripojenie mikrofónu, alebo podobného zdroja zvuku nízkej úrovne. Mikrofón umožňuje použitie zdigitalizovaného zvuku v reálnom čase, alebo je možné zvuk z neho nahrať v digitálnej forme pre jeho neskoršie spracovanie. Typickou aplikáciou je použitie hlasom ovládaného softvéru, telefonovania cez internet a pod.

Digitalizácia sa vykonáva pomocou vzorkovania. V každom časovom intervale sa zistí a zaznamená aktuálny stav signálu – vzorka. Čím je tento interval kratší, tým je je vyššia vzorkovacia frekvencia, tým viac vzoriek v danom čase bude zaznamenaných a tým vyššiu presnosť resp. kvalitu dosiahneme. Používané vzorkovacie frekvencie: 11025 Hz (telefónna kvalita), 22050 Hz (rádio kvalita) 44100 Hz (CD kvalita). Počet bitov na jednu vzorku je 8 – 128 bitov.

Niektoré zvukové karty v minulosti mali tiež MIDI, resp. kombinovaný MIDI a GAMEPORT konektor. Konektor MIDI slúžil na pripojenie hudobného nástroja – syntetizátora alebo iného zdroja digitálneho MIDI signálu. Pokiaľ nahrávame z MIDI tak nemusíme vykonávať vzorkovanie. Dáta sú už v digitálne podobe a obsahujú informáciu o tom, ktorý nástroj hrá, výška tónu, dĺžka tónu, dynamika úderu a pod. Konektor bol obvykle kombinovaný s tzv. GAME PORTom. Tento slúžil k pripojeniu analógového hracieho zariadenia – joysticku, alebo gamepadu. Tieto zariadenia obsahujú snímače polohy a tlačítka. Poloha páky joysticku alebo gamepadu sa prenáša do počítača a umožňuje plynulé ovládanie hier v závislosti od polohy páky.

MIDI a GAMEPORT sa už nepoužíva, hracie a midi zariadenia komunikujú teraz s PC pomocou USB portu.

Historie zvukových karet pro PC

Legendární 8-bitová zvuková karta Sound Blaster Pro (2014)

Zvukové karty pro počítače typu IBM PC se poprvé objevili okolo roku 1987, a nahradili interní PC reproduktor (PC speaker) který byl tehdy jediným zařizením produkujícím v počítači zvuk. Ten byl určen především na signalizaci stavu počítače pípáním. Řada firem přitom vyvinuli software umožňující přehrávání zvuků nebo jednoduché hudby přes tento interní reproduktor. Náročnost přehrávání zvuku přes interní reproduktor vyžadovala přerušení ostatních činností PC při přehrávání zvuku. Kromě toho byla hlasitost dost nízká. Hardwarová podpora přehrávání zvuků umožnila rychlý rozvoj multimediálních aplikací a her.

První návrhy grafických karet neuvaźovali o využívání zvukové karty pro hry. Byli navrženy pro komponování hudby nebo syntézu hlasu. Až v roce 1988 první firmy začali směrovat využití zvukových karet směrem ke hrám (Sierra). To znamenalo dramatický průlom ve využívání zvukových karet. Ze začátku se používala MIDI syntéza – standard (MPU401 či General midi), ale kolem roku 1992 bylo již možné přehrávání samplů – reálných zdigitalizovaných zvuků. S tím přišla firma Creative a tak definovala svůj široce respektovaný standard - Sound Blaster.

První 8-bitové zvukové karty byli postavené na standardní sběrnici ISA. Tyto karty měli tzv. half duplex, což v praxi znamená, že neumožňovali nahrávání a přehrávání zvuku současně. Později se pochopitelně objevili i první full-duplex karty, které ovšem pro současné přehrávání i nahrávání vyžadovali dvě IRQ a dva kanály DMA. Dnes se běžné zvukové karty integrují většinou přímo na základní desku počítače, což nutí výrobce samostatných zvukových karet nabízet výrazně vyšší výkon a další speciální funkce.

Barevné označení konektorů zvukové karty

Barevné označení vstupů a výstupů zvukových karet odpovídá u většiny karet standardu firmy Microsoft přijatého v roce 1999.

Niekedy je u lacných matičných dosiek pre ušetrenie miesta použitá prepínateľná sada (ružová, zelená, modrá), kedy sa dá v počítači – v obslužnom programe pre zvukovú kartu prepnúť režim zo stereo (zelená = line out, ružová = mic, modrá = line in) na 5.1 (zelená = front, modrá = rear, ružová = main). Nevýhodou je, že už nemôžme využívať mikrofón.

Zvukové kanály a polyfónie

Další důležitou charakteristikou zvukových karet je polyfónie umožňující přehrávat vícero hlasů či zvuků současně a přitom nezávisle na mnoha kanálech. Proto jsou některé karty vybavené mnoha audio výstupy, které korespondují s konfigurací reproduktorů (např. 2.0 stereo, 2.1 stereo se subwooferem, 5.1 dva přední, dva zadní reproduktory a střední reproduktor i subwoofer). Výrazy „hlasy“ a kanály“ indikují současně úroveň polyfónie i konfiguraci výstupních reproduktorů.

Mnoho starších zvukových čipů mělo tři nebo čtyři hlasy, ale jen jeden audio kanál (tzv. mono) pro výstup, a všechny hlasy byli proto mixovány dohromady do jednoho zvukového kanálu. Vyskytovali se i karty nabízející 9 hlasou polyfonii v jednom zvukovém kanálu. Mírně modernější zvukové karty měly vícehlasou FM syntézu (9 resp. 16 hlasů), která se používala pro MIDI hudbu. Tyto rozšířené vlastnosti se však často nevyužívali, a přehrávali se jen v mono či stereo kanálu. Moderní nízkonákladové audio karty (obvykle zabudované na základních deskách) podle standardu AC97 sice používají vícero zvukových kanálů (typicky 5.1), ale nemají hardwarovou polyfonii pro další zvukové efekty či MIDI reprodukci. Tyto nároky na sebe přebírají softwarové ovladače ovládající zvukovou kartu. Lepší samostatné zvukové karty mají integrovanou hardwarovou polyfónii a samozřejmě mnoho výstupních kanálů (typicky 7.1), ale hlavními prodejními "argumenty" jsou u nich další důležité doplňující vlastnosti (akcelerace zvuku bez zátěže CPU, 3D zvuk, poziční audio, DSP efekty v reálném čase).

Protože přehrávání digitálního zvuku je stále dostupnější, a poskytuje lepší výkon než syntéza, aktuální zvukové karty už pro hardwarovou polyfóniu nepoužívají D/A převodník, ale raději preferují mixování hlasů a efektů přímo uvnitř řídícího DSP čipu. Finální výstup je pak realizován externím DAC s mnoha kanály (7.1 i více) a velkým množstvím hlasů (64, 128 i více).

Další typy zvukových karet

Zvukový hardware integrovaný na základní desce

Od roku 1994 začalo mnoho výrobců základních desek integrovat zvukové karty přímo do svých výrobků. Ze začátku to byli kombinované AD/DA převodníky, často využívající standard AC97. Objevili se také pokusy s externí kartou pro specializované sloty – AMR, CNR, ACR, ale ty nenašli masové uplatnění.

Od roku 2005 s rastúcim výkonom počítačov vyvstala možnosť využiť hardvér počítača, kedy zvukovú syntézu vykonáva hlavný procesor – CPU, a zvukový čip obsahuje len DA prevodník ktorý spracuje už „namixovaný“ zvuk. V súčasnosti s neustále sa zvyšujúcimi nárokmi na zvuk – hlavne pri hrách, sa čoraz častejšie stretávame s „plnohodnotnými“ zvukovými čipmi na matičnej doske, ktoré odbremeňujú hlavný procesor PC a zároveň ušetria jeden slot PCI.

USB zvukové karty

USB zvukové karty představují externí boxy, které se připojují do počítače přes USB port. USB specifikace umožňuje samozřejmě i připojení audio zařízení. Aktuální USB 2.0 nabízí dostatečnou přenosovou kapacitu i pro nejnáročnější zvukové zařízení. Obvykle se tento typ zvukových karet používá v lacinější variantě pro notebooky nedisponující hardwarovou akcelerácí zvuku, nebo v drahší variantě pro profesionální hudebníky, protože zvukové zařízení může být příliš omezováno rozměry interních karet do PC. Používá se také, když potřebujeme vícero zvukových karet.

PCMCIA zvukové karty

PCMCIA karta

Tento typ karet byl donedávna oblíbený u majitelů notebooků, kteří neměli zabudovanou zvukovou kartu. Dnes, kdy je slušná zvuková karta samozřejmou součastí notebooku se tento typ karet využívá jen v případě, že výkon interní karty není dostatečný, nebo – s výhodou, když potřebujeme vícero audio karet: Například využití pro diskotéky – kdy notebook reprodukuje hudbu a zároveň na druhé kartě lze přehrávat jinou hudbu. I zde se však už uplatňují USB zařízení, které postupně vytlačují PCMCIA.

Externí odkazy

• Fi.Muni.cz - Zvuková karta
• A History of PC Sound Hardware (anglicky)
• Soundcards Museum (anglicky)