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

З цієї статті ви дізнаєтеся, як звукова карта дозволяє комп’ютеру створювати і відтворювати справжній, високоякісний звук.

Аналогові та цифрові сигнали

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

Звук складається з хвиль, які поширюються у середовищі, такому як повітря чи вода.

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

Звукова карта є перетворювачем між звуковими хвилями та двійковими кодами.

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

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

Звукова карта з інтерфейсом PCI

X-FI

Однією з останніх розробок у царині звукових карт є технологія X-FI (скорочення від "Xtreme Fidelity”, дослівно – "надзвичайна точність”), втілена у модельному ряді Sound Blaster X-Fi відомого виробника звукових карт Creative.

Головні особливості:

•   Архітектура активних режимів (Active Modal Architecture), яка дозволяє користувачу вибирати один з трьох режимів роботи карти: ігровий, відпочинковий чи створення музики, що оптимізовує її обчислювальну потужність для виконання конкретної задачі;

•   Новітній процесор цифрової обробки сигналів (англ. digital signal processor, DSP), що містить 51 мільйон транзисторів;

•   Кілька апаратно-програмних обробників, кожен з яких виконує певні операції зі звуком;

•   24-бітова технологія Crystallizer ("Кристалізатор”), яка покликана протидіяти певним втратам якості звуку, що виникають у процесі 16-бітового записування аудіодисків.

Докладніше про X-FI можна почитати у статтях з сайтів ExtremeTech та iXBT.

АЦП та ЦАП

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

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

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

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

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

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

МЕТОДИ СТВОРЕННЯ ЗВУКУ
Комп’ютери та звукові карти можуть використовувати кілька методів для створення звуків. Одним з них є синтез з використанням частотної модуляції, ЧМ-синтез (Frequency modulation synthesis, FM synthesis), в якому комп’ютер поєднує декілька звукових хвиль (накладає їх одна на одну), щоб одержати більш складні форми хвилі.
Інший – синтез за допомогою хвильових таблиць (wavetable synthesis), що використовує фрагменти запису звуків реальних інструментів (т. зв. «семпли») для відтворення музики. Цей синтез часто використовує кілька зразків гри одного і того ж інструмента з різною висотою тону, щоб досягти природнішого звучання. Загалом, синтез за допомогою хвильових таблиць відтворює звуки значно точніше за ЧМ-синтез.

Інші складові звукової карти

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

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

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

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

Звукова карта Creative SB Recon3D Fatal1ty Champion із зовнішнім блоком

СУЧАСНІ ЗВУКОВІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА API
Розробники ігор використовують технологію тривимірного звуку (3-D sound) для створення рухливого, динамічного звуку, який змінюється залежно від того, в якому місці гри перебуває гравець. Окрім використання кількох звукових джерел, ця технологія також дозволяє реалістично відтворювати звук, що обминає різні перешкоди чи проходить крізь них.
Технологія об’ємного звуку (Surround sound) теж застосовує кілька джерел звуку, але звук не змінюється залежно від дій слухача. Об’ємний звук здебільшого використовується у системах "домашній кінотеатр”.

Як і відеокарта, звукова карта використовує програмне забезпечення (ПЗ) для покращення її взаємодії з прикладними програмами та іншими складовими комп’ютера. Таке ПЗ містить як драйвери самої карти, що дозволяють їй взаємодіяти з операційною системою, так і прикладні програмні інтерфейси (Application Programming Interface, API), які є наборами стандартів чи правил виконання певних завдань, що полегшують роботу прикладних програм зі звуковою картою.

Найпоширеніші API:

•   Microsoft: DirectSound;

•   Creative: Environmental Audio Extensions (EAX) і Open AL;

•   Sensaura: MacroFX;

•   QSound Labs: QSound (QSo).

Інші способи керування звуком

Не кожен комп’ютер обладнаний звуковою картою. Більшість сучасних материнських плат мають вбудовану підсистему обробки аудіо. МП з власним ПЦОС може одночасно обробляти кілька потоків даних. Вбудований аудіо-кодек може навіть підтримувати тривимірний (позиційний) звук та об’ємний звук стандарту Dolby surround. Однак, не зважаючи на такі можливості, більшість оглядачів сходяться на думці, що окремі звукові карти забезпечують кращу якість звуку.

Ноутбуки, як звичайно, мають вбудовані у материнські плати аудіо-підсистеми чи невеликі звукові карти. Однак, з огляду на малий об’єм (у портативних пристроях бракує вільного місця) та потребу жорсткого температурного контролю (ефективне охолодження відіграє ключову роль у побудові портативної техніки) створення і виробництво високоякісних мініатюрних внутрішніх звукових карт є щонайменше недоцільним. Тож користувачі ноутбуків можуть придбавати зовнішні звукові контролери, що під’єднуються через USB або FireWire. Такі зовнішні модулі можуть значно поліпшити якість звуку, відтворюваного ноутбуками.

Зовнішній звуковий контролер

Вибір звукової карти

Існує багато чинників, які впливають на роботу звукової карти та її здатність відтворювати чистий та якісний звук. Перед купівлею звукової карти зверніть увагу на такі її характеристики:

Кожен, хто вкладає гроші у звукову карту високого класу, також повинен мати високоякісні динаміки. Навіть найкраща звукова карта не може компенсувати низьку якість динаміків.

Джерело статті: http://computer.howstuffworks.com/sound-card.htm