Karty dźwiękowe

Karty dźwiękowe są coraz powszechniej używane w multimedialnych komputerach osobistych typu IBM PC.

Karty dźwiękowe są coraz powszechniej używane w multimedialnych komputerach osobistych typu IBM PC.

Co ciekawe, urządzenia te wywodzą się w prostej linii z kart, które ongiś zapewniały efekty dźwiękowe w grach komputerowych, choć służą dziś przeważnie do odtwarzania zapisanych na dyskach CD-ROM ścieżek dźwiękowych lub też, przy użyciu syntezy dźwięków, do wręcz perfekcyjnej imitacji działania znanych instrumentów muzycznych.

Komputery, wyposażone w karty dźwiękowe, używają dwóch podstawowych technik do realizacji tych zadań - są to cyfrowy zapis dźwięku (digital audio) i synteza dźwięku (synthetised audio). Obie techniki są wymagane przez standard MPC (Multimedia PC), zaś efektem ich działania jest zamiana ciągłej (analogowej) reprezentacji dźwięku na cyfrową.

Dźwięk cyfrowy

Sygnał analogowy dźwięku przetwarzany jest na cyfrowy w specjalizowanym układzie elektronicznym ADC (Analog to Digital), który zamienia go w ciąg liczb. ADC w odstępach czasu zgodnych z tzw. częstotliwością próbkowania pobiera z sygnału akustycznego "próbki" jego amplitudy. Częstotliwość próbkowania 22 kHz oznacza, że 22 tys. wycinków sygnału analogowego zostało pobranych przez ADC w czasie 1 sek. Zapis wartości każdej z "próbek" przy użyciu 8 bitów może jej nadać jedną z 256 wartości, zapis używający 16 bitów udostępnia aż 65 536 wartości.

Odtwarzanie zapisanych w pamięci masowej liczb, reprezentujących dźwięk, wymaga z kolei użycia układu elektronicznego DAC (Analog to Digital), czyli urządzenia które na podstawie zapisanych wartości "próbek" fali akustycznej odtworzy jej prawdziwy, ciągły charakter.

Jakość dźwięku

Zapis lub odtwarzanie dźwięku próbkowanego przy 11 kHz i zapisanego 8 bitami oddaje jakość głosu jak w słuchawce telefonicznej, 22 kHz i 8 bitów odpowiada jakości muzyki emitowanej na falach długich (z modulacją amplitudy AM), 44,1 kHz i 16 bitów daje doskonałą jakość odpowiadającą tej, którą oferują laserowe płyty kompaktowe CD (Compact Disk).

Niestety, nie ma róży bez kolców - trzy minuty dżwięku stereo (a tyle czasu zajmuje przeciętna piosenka), próbkowana z częstotliwością 44,1 i zapisywana przy użyciu 16 bitów zajmuje ok. 31 MB miejsca na dysku twardym. Nic dziwnego, że na płycie CD, która dysponuje pojemnością ok. 680 MB można zapisać zaledwie godzinę muzyki Hi-Fi (High Fidelity).

Tyle na temat zapisu dźwięku o jakości w klasie CD (44,1 kHz, 16 bit, stereo). Są jednak i inne zastosowania, które nie wymagają aż takiej wierności zapisu. Dotyczy to w szczególności coraz popularniejszej na świecie tzw. poczty głosowej (voice-mail), dzięki której można zapisać w pamięci masowej komputera PC, wyposażonego w kartę dźwiękową (11 kHz, 8 bitów, mono), informację mówioną. 3 minuty takiego przekazu zajmuje obszar ok. 1,8 MB na dysku twardym. Pliki z rozszerzeniem WAV, zawierające ten typ informacji, można przesyłać przy użyciu połączeń sieciowych na duże odległości lub wbudowywać w tzw. dokumenty mieszane. Różni to zasadniczo tę technikę od tzw. automatycznych sekretarek.

Pliki o formacie .WAV wprowadzono w aplikacjach wspomagających pracę kart dźwiękowych w Windows 3.1.

Synteza dżwięków

Opracowana w latach 60. i 70. technika MIDI (Musical Instrumets Digital Interfejs) omija pamięciowe problemy zapisu cyfrowego. Sam standard MIDI powstał we wczesnych latach 80., opracowany przez organizacje: amerykańską MMA (MIDI Manufactures Association) i japońską JMSC (Japan MIDI Standard Committee). Podstawą MIDI jest składanie (synteza) dźwięku bezpośrednio w trakcie jego odtwarzania przy wykorzystaniu dźwięków-próbek, które mogą odpowiadać takim efektom, jak: brzmienie pianina czy klarnetu, szmer wody czy skrzypienie drzwi. Standard General MIDI określa paletę 128 różnych typów dźwięków (voice).

Zamiast, jak w technice cyfrowej, zapisywać wiernie cały dźwięk w formie cyfrowej na dysku, - synteza dźwięku MIDI zapisuje jedynie wydarzenia - które klawisze klawiatury MIDI (można ją dołączyć do We portu MIDI na karcie) zostały naciśnięte, z jaką mocą i jak często. Dzięki takiej technice jedna godzina muzyki zapisanej w pliku MIDI zajmuje obszar ok. 500 kB. Zapis MIDI można porównać do opisu muzyki - "należy użyć takiego brzmienia dźwięku o określonej sile głosu, tempie i wysokości". Na podstawie takiego krótkiej informacji specjalizowane układy syntezatorów niejako w locie składają właściwą melodię.

Cyfrowy zapis brzmienia rzeczywistych instrumentów, które można wykorzystywać w plikach MIDI do kompozycji utworów używając specjalnego software'u (tzw. sekwencerów, działających nierzadko pod Windows) jest przechowywany w tzw. Wave Table. Technologia MIDI umożliwia edycję i komponowanie melodii z użyciem złożonego, sekwencyjnego oprogramowania. Pozwala ono użytkownikowi wycinać części opracowanej ilustracji muzycznej, przenosić je do innych plików, konwertować dane muzyczne na zapis nutowy, dołączać do podkładu MIDI głos itp. Godna podkreślenia jest duża elastyczność komponowania z użyciem technik MIDI. Dla przykładu, jeżeli sekwencja wideo, którą chcemy ubarwić podkładem MIDI, trwa 53,4 s, zaś do dyspozycji jest 60- sekundowy zapis MIDI, to nic prostszego, jak zmienić takt melodii w takim stopniu, aby melodię bardzo precyzyjnie dopasowano.

Technika MIDI w wykonaniu dla kart dźwiękowych IBM PC opiera się na układach scalonych syntezatorów, które korzystają z modulacji częstotliwości FM (Frequency Modulation). Jest to tańsza alternatywa dla metod, stosujących Wave Table. Syntezatory FM składać się mogą np. z dwóch cyfrowych generatorów dźwięku. Jeden z nich moduluje częstotliwość nośną, wytwarzaną przez drugi generator. O ile modulacja FM korzysta z jednej nośnej to syntezatory FM korzystają z wielu nośnych i wielu modulacji. Para generatorów jest czasami określana mianem "operatora". Firmą, która przoduje na rynku produkcji tego typu układów to Yamaha. Jak wynika z dołączonego zestawienia (przedstawiającego dane techniczno-użytkowe dostępnych na rynku krajowym kart dźwiękowych) chip Yamaha OLP3 jest układem najczęściej stosowanym przez wielu producentów kart. Jest to ulepszony (w odniesieniu do swojego poprzednika - układu OPL2) syntetyzator. O ile OPL2 był układem 2-operatorowym to OPL3 jest 4-operatorowy.

Początkowo Yamaha słynęła z syntezatorów, które produkowały dźwięk nadający się do gier komputerowych. Pionierem, który rozpoczął w połowie lat 80. stosowanie w swych kartach układów Yamahy była firma Ad Lib Inc. Z kolei firma Creative Labs Inc. użyła chipów Yamaha w serii urządzeń Sound Blaster, które do dziś zajmują kilkadziesiąt procent całego rynku kart dźwiękowych.

Zgodność z kartami Ad Lib czy Sound Blaster jest de facto standardem dla aplikacji dźwiękowych, szczególnie dla gier komputerowych i zastosowań multimedialnych. Sterowniki dla tych kart dźwiękowych umieszczono także w środowisku Windows 3.1.

Dla rozszerzenia możliwości MIDI karty Sound Blaster 16 (lub zgodnych) firma Creative opracowała moduł Wave Blaster. Jest to dodatkowa karta, która pełni rolę profesjonalnego syntezatora - przenosi efekty dźwiękowe "udawane" z użyciem syntezatorów FM w prawdziwy, oparty na rzeczywistych wzorach świat dźwięków. Dzięki niej można uzyskać - zgodnie ze standardem General MIDI - 16 kanałów MIDI, polifonię 32-nutową, zaprogramowane fabrycznie brzmienie 128 instrumentów, 18 zestawów perkusyjnych i 50 efektów dźwiękowych.

Układy scalone dla kart dźwiękowych

Wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowych oraz w połączeniu ze wzrostem popularności kart dźwiękowych pojawiło się w ich konstrukcjach coraz więcej specjalizowanych układów scalonych. Poznaliśmy już niektóre z nich - jak przetworniki analogowo-cyfrowe ADC czy cyfrowo-analogowe DAC oraz syntezator FM. Zadaniem tego układu jest taka interpretacja poleceń MIDI aby w efekcie otrzymać muzykę.

Kolejny chip pomagający tym razem w programowaniu tego, co oczekujemy od komputera PC - i to zgodnie ze standardem MPC - to procesor DSP (Digital Signal Processor). Odciąża on CPU komputera od czynności związanych z obsługą kart dźwiękowych. Układ DSP może być tak programowany, że dla niektórych rozwiązań można go przystosować do obsługi rozpoznawania mowy (voice recognition), poczty mówionej (voice mail), telefonu, maszyny udzielającej odpowiedzi itp. Jak widać - jest to układ "do wszystkiego".

Na tym jeszcze nie koniec. Przykładem jest karta Sound Blaster 16 ASP, która obok wbudowanego układu DSP korzysta z obwodów ASP (Advanced Signal Processor). DSP jest tu procesorem poleceń, interpretacji, przetwarzania dźwięków - ASP przetwarza cyfrowe dane związane z dźwiękiem - w tym obsługuje także kompresję i dekompresję danych dźwiękowych.

Głównym producentem układów DSP jest Texas Instruments (TI), którego produkty zajmują ok. 60% rynku. Firma IBM użyła np. procesora TI DSP w komputerach Ultimedia.

Wymienione w opracowaniu firmy, oferujące karty dźwiękowe różnych typów, nie wyczerpują na pewno całej listy dystrybutorów tego typu sprzętu w kraju - stąd też prosimy o traktowanie prezentowanej oferty wyłącznie przykładowo.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200