1 Спеціальна частина

1.1 Загальний аналіз звукових карт

1.1.1 Загальна характеристика звукових карт

При рассмотрении архитектуры не нужно делать различий между программной и аппаратной частью адаптера и рассматривать их как одно целое. Блок-схема

Рассмотрим подробно каждый блок. Аналоговые порты В качестве примера приведена карта Turtle Beach Santa Cruz. Заметим, что порт является логическим понятием, а разъем – физическим, так как один разъем может совмещать несколько портов (это практикуется ввиду недостатка места на планке карты; переключение режимов производится через утилиту управления).

Наружные разъемы – выведенные на планку (кронштейн) карты или внешний край системной платы в случае интегрированного адаптера. Выполнены в формате стерео мини джек. Внутренние разъемы – располагающиеся на самой карте. Выполнены обычно в формате MPC. Существует спецификация AC'97, указывающая на опциональность или обязательность порта (которой обычно следуют). Окраска разъемов определяется спецификацией PC'99 (и ей строго следуют). Линейные входы Линейный стерео вход. Обязательный. Предназначен для проигрывания или записи аналогового сигнала (стерео или моно) с линейного выхода других, обычно внешних аналоговых устройств, например, аудио плеера, радиоприемника, видеомагнитофона и пр. Окрашен в голубой цвет. Помимо него на звуковой карте обязательны (а в случае интегрированного адаптера опциональны) еще два дополнительных внутренних линейных входа. Стерео вход CD Audio. Обязательный. Предназначен для подключения CD привода аудио кабелем. Позволяет проигрывать аудио CD. При этом используется внутренний ЦАП привода и микшер звуковой карты. Заметим, что на современных CD/DVD приводах с интерфейсом IDE под ОС Windows (начиная с версии 98) мозможно цифровое считывание аудио треков CD-DA, что предпочтительнее из-за отсутствия помех. Опция Digital CD audio включается в свойствах привода. Отключать аналоговый аудио кабель при этом не обязательно. Выполнен в формате MPC, 4-х контактный. Окрашен в белый цвет. Дополнительный линейный вход (AUX-In). Обязательный. На него передается аналоговый звук с карт FM- или TV-тюнера, или других внутренних устройств, например, второго CD-привода, DVD-привода или карты MPEG2 декодера. Окрашен в синий цвет. PC-Beep. Опциональный, монофонический. Подключается к системной плате и позволяет перенаправлять сигналы для системного динамика на внешние динамики через линейный выход. Разъем представляет собой два игольчатых контакта. Заметим, что на линейные входы сигналы можно подавать одновременно – аналоговый микшер их объединит. Не надо думать, что через входные порты осуществляется обязательно запись. Например, можно подать сигнал с кассетного плеера на линейный вход и тут же его слушать (причем без запуска софт плеера!). Звуковой поток не только не “пересечет” адаптер, но даже не дойдет до кодека, ограничившись микшером. Заметим, что если можно воспроизводить много потоков (звуковых файлов), то записывать – максимум два (обычно это стерео звук). Микрофонный вход Обязательный, наружный. Монофонический, с автоматической регулировкой усиления и с поддержкой как электретного, так и электродинамического микрофонов. Поддержка электродинамических микрофонов, для которых характерен слабый сигнал, осуществляется режимом включения дополнительного усиления (20 dB Boost). Используется, например, для вставки речевых комментариев в клип фотоальбома или разговора по Интернету. Окрашен в красный или розовый цвет. Вход низкого качества и пригоден только для записи речи. Дело в том, что нормальный микрофонный предусилитель стоит от $50, поэтому он резко поднял бы цену адаптера. Известный инженер по звуку Е. Петров рекомендует даже удалить встроенный усилитель (поработав паяльником), в результате чего остается только 2 режима: дополнительный линейный вход и усилитель в 20 дБ для электродинамического микрофона. Любителям караоке или увлекающимся записью вокала нужно приобрести микрофонный предусилитель, который подключается к линейному входу адаптера. Такие устройства имеют разное исполнение:

в виде внешней коробочки с батарейками; в виде внутренней платы на кронштейне, в задней части корпуса; в виде модуля портов, идущего в комплекте со звуковой картой.

Линейные выходы Такие выходы обязательно присутствуют, являются наружными и предназначены для вывода звука на активные акустические колонки, усилитель или линейный вход любого внешнего устройства (например, рекордера). Число выходных (аналоговых) каналов определяет канальность адаптера и может быть равным 2, 4, 6. Линейный стерео выход фронтальный. Обязательный. Предназначен для подключения фронтальных (т.е. расположенных впереди) акустических колонок. Выполнен в формате stereo mini-phone jack. Окрашен в зеленый цвет. Линейный стерео выход тыловой. Присутствует в 4- и 6-канальных адаптерах. Используется для подключения тыловых акустических колонок. Обычно выполнен в формате stereo mini-phone jack и тогда окрашен в черный цвет. Для экономии места может быть выведен в компактный комплексный разъем G9. Выход на центральную колонку и сабвуфер (“театральный порт”). Присутствует только в 6-канальных адаптерах. Двухканальный. Может быть выполнен в формате stereo mini-phone jack, но для экономии места может быть выведен в компактный комплексный разъем G9 (или совмещен, см. ниже). Малое число каналов может быть скомпенсировано цифровым выходным портом (по которому передается несколько каналов), однако это удораживает и сам адаптер, и особенно акустику, а, кроме того, дает эффект только на дорогой акустике. Современные адаптеры позволяют делать и более изощренный апмиксинг и даунмиксинг, например, раскладывать 6-канальный звук на 4 колонки и наоборот. Канальность адаптера 2-канальные адаптеры в виде звуковых карт сейчас представлены лишь небольшим числом моделей. Основная же их часть представлена интегрированными в системные платы адаптерами. Эти адаптеры работают с 2-3 компонентной акустической системой (третьей компонентой является сабвуфер). Такое решение адресовано тем, кто не хочет или не имеет возможности загромождать свое рабочее место множеством колонок и опутываться проводами. 4-канальные адаптеры предназначены для 4-5 компонентной акустической системой (пятым является сабвуфер) и уже дают полноценный звук в играх. 6-канальные адаптеры дают полноценный звук не только в играх, но и в домашнем кинотеатре (фильмы на DVD). Акустика 6-компонентная и отличается от 4-канальной добавлением одной только (центральной) колонки, а возможностей предоставляет намного больше. Поэтому предпочтение надо отдавать 6-канальным адаптерам перед 4-канальным, тем более что разница в цене между адаптерами также минимальна. Выход на наушники Обычно совмещен с линейным выходом на фронтальные колонки. Согласно AC'97 выход имеет импеданс 32 Ома, поэтому наушники надо также подбирать с таким же импедансом. Используется разъем stereo mini-phone jack. Телефонный порт Это опциональный двунаправленный внутренний порт (в формате MPC3), называемый TAD (Telephone Answering Device – телефонный автоответчик). Соединяется кабелем с внутренним голосовым модемом и дает возможность не переключать лишний раз микрофон от звуковой карты к модему), а также проигрывать звук с модема. Окрашен в красный цвет. Заметим, что в настоящее время, к большому сожалению, нет хардверных PCI модемов ценой до $100, адаптированных для отечественной телефонной сети. Расцветка разъемов Согласно спецификации PC'99 звуковые разъемы имеют следующие цвета.

Расцветка разъемов

Разъем	Цвет
Наружные на карте
Линейный вход	Голубой
Линейный выход фронтальный / наушники	Зеленый
Линейный выход тыловой	Черный
Микрофон	Красный
MIDI/Game	Золотистый
Внутренние на карте
CD Audio-In	Белый
AUX-In	Синий
TAD	Красный
Колонки
Колонки	Коричневый
Сабвуфер	Оранжевый

Аналоговый микшер Адаптер содержит аналоговые входной и выходной микшеры, регуляторы громкостей, дополненные полным выключением каждого канала (Mute). Изредка встречаются микшеры с регулировкой тембра. Поясняющая схема приведена для случая 2-канальной карты.

Возможности микшера входят составной частью стандартного приложения Volume Control – управление громкостью. Согласно AC'97 есть возможность закрывать любой канал и регулировать громкость не только аналоговых, но и цифровых источников.

Вместо раздельных регуляторов на стерео каналах в этом приложении используют общую громкость и баланс каналов. Здесь:

Volume Control – линейный выход. Расположен в микшере. Другое общепринятое название – Master Volume. Wave – цифровой канал для Wave файлов.

АЦП и ЦАП АЦП (Аналого-цифровой преобразователь, Analog to Digital Convertor, ADC) используется для оцифровки аналогового звука (обычно записи в файл). ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь, Digital to Analog Convertor, DAC) осуществляет обратное преобразование цифрового звука в аналоговый (децифровка). Основными параметрами АЦП являются частота дискретизации и разрядность квантования АЦП при оцифровке методом PCM (Pulse Code Modulation). Суть метода состоит в аппроксимации амплитуды сигнала как функции времени ступенчатой функцией. Частота дискретизации определяет частоту “столбиков”, а разрядность – максимальное число уровней в столбиках (в PCM это степень двойки). Чем больше эти характеристики, тем лучше. Аналогичные параметры имеет ЦАП. Понятно, что эти параметры должны быть не меньше, чем у воспроизводимого PCM файла. Заметим, что “изнутри” современные мэйнстрим АЦП и ЦАП являются так называемыми однобитовыми, но “снаружи” выглядят именно как PCM, и поэтому можно говорить о разрядности в привычном смысле. Подробности – в соответствующем приложении. Для ориентира: CD Audio – формат цифрового аудио на музыкальных компакт-дисках (КД), который является признанным эталоном качества Hi-Fi, использует 44.1 кГц и 16 бит. Мэйнстрим адаптеры записывают и воспроизводят не более чем 16 битные PCM файлы. Частота обычно равна 44.1, 48 кГц, но для звука непритязательного качества используются еще их более низкие кратные производные (22.5 кГц и др.). 48 кГц является стандартной для компьютерного аудио, цифровых интерфейсов, DVD аудио, и ей нужно отдавать предпочтение (если только файл не является копией аудио трека). При прохождении через цифровую часть адаптера звук может подвергаться некоторой обработке, и при этом результаты промежуточных вычислений выходят за 16-разрядную сетку. Поэтому ЦАП/АЦП крайне желательно иметь более высокую разрядность, чтобы действительно “донести” 16 разрядов. Поэтому практически во всех мэйнстрим звуковых адаптерах применяются 18- и 20-разрядные ЦАП/АЦП. Подавляющую часть времени звуковые адаптеры используется для воспроизведения, и лишь изредка и очень немногими юзерами – для оцифровки. Поэтому качество ЦАП обычно выше, чем у АЦП (примерно на 2-10 дБ), и разрядность ЦАП (воспроизведение) всегда не меньше, чем АЦП (запись). Например, часто АЦП 18 разрядный, а ЦАП 20-разрядный. В связи с этим заметим, что качество мэйнстрим адаптеров для записи невысоко. Поэтому для записи, например, старых виниловых пластинок рекомендуется использовать профессиональные так называемые 24/96-адаптеры, где 24 – это разрядность, а 96 – частота дискретизации в кГц. Еще заметим, что у одного и того же производителя бывают АЦП с одинаковой разрядностью, но разным качеством, так что высокая разрядность не является гарантией качества, а лишь необходимым условием. Есть более объективные параметры, как отношение сигнал/шум. Они рассматриваются ниже в разделе кодеков, так как ЦАП/АЦП сейчас выполняются интегрированными в кодек. Важно отметить, что именно ЦАП определяют в основном чистоту звучания адаптера. Вместе с тем относительная стоимость ЦАП/АЦП в адаптере невелика. Цифровой эквалайзер Присутствует не на всех адаптерах. Основное назначение – скомпенсировать недостатки акустики. Действует на все выходные потоки одинаково. В таких продвинутых софт плеерах как WinAmp, WMP, Apollo встроены цифровые эквалайзеры (нужен только достаточно производительный процессор). Однако аппаратный эквалайзер менее искажает звук. Эквалайзер характеризуется числом полос (обычно 10), числом предустановленных пресетов и возможностью запоминать установки юзера. Процессор потоков Как видно из схемы это центральный блок, услугами которого пользуются другие блоки. Поэтому во всех современных адаптерах (кроме, может быть интегрированных в чипсет) есть аппаратное ускорение для этого блока (другие же блоки могут быть при этом реализованы программно). Заметим для продвинутых юзеров, что так как речь идет исключительно о связке Windows + ActiveX, то это равносильно аппаратному ускорению для API MS DirectSound. Блок управляет цифровой обработкой звуковых потоков. В числе функций обработки: микширование/расщепление потоков, регулировка их громкости, баланс стерео, маршрутизация потоков, т.е. направление их в блоки дополнительной обработки и прием обработанных потоков. Заметим, что аппаратное цифровое микширование производится настолько быстро, что “зазоры” между блоками смешиваемых потоков на слух незаметны (в отличие от программного микширования). Примером маршрутизации является направление потока звука скрипки из MIDI на блок 3D. Выходной поток описывает скрипку, кружащую над головой. Параметром процессора потоков является число одновременно аппаратно ускоряемых потоков, однако само число не столь существенно для выбора, главное – сам факт такого ускорения. Заметим, что если приложению не хватает аппаратных потоков, то DirectSound предусматривает добавление неограниченного числа программно обрабатываемых потоков (хватило бы мощности центрального процессора). “Многопоточность” используется, например, в играх, а также при монтаже нескольких записей.

Аппаратный состав AC'97 звукового адаптера Посмотрим как реализуется архитектура звукового адаптера в спецификации Intel AC'97, где AC – сокращение от Audio Codec, 97 – год принятия первой версии “спеки” – 1997 г. Текущей является версия 2.2 от 2000 г. Крупным планом

На схеме звездочками (*) отмечены опциональные компоненты. Внутренние порты кодека помещены с левой стороны. Как видно, есть следующие аппаратные компоненты:

AC'97 аудио кодек (Analog codec). Это аналоговая часть адаптера. Содержит аналоговый микшер, АЦПы, ЦАПы, аналоговые порты. Аппаратно выполняется в виде одного или двух чипов. AC'97 контроллер (Digital controller). Выполняет цифровую обработку звуковых потоков, в том числе микширование, MIDI синтез, 3D, наложение эффектов. Выполняется в виде одного чипа. Тесты показывают, что контроллер может влиять на окраску звука. Шина AC-Link связывает кодек с контроллером. Ответвление шины к слоту типа CNR используется в интегрированных решениях.

В спецификации AC'97 особо оговаривается, что кодек и контроллер выполняются в виде отдельных чипов . Кодек размещают по возможности ближе к выходным разъемам, что уменьшает уровень шумов. Обвязка, операционный усилитель Между портами кодека и разъемами адаптера размещается “обвязка”. Это, во-первых, чип операционного усилителя (типа Philips TDA1308), защищающий фронтальный линейный выход от перегрузок. Это позволяет подключать к нему и наушники, имеющие гораздо меньший импеданс (по стандарту 32 Ома) по сравнению с импедансом 1 кОм для активных колонок. Заметим, что остальные выходы (тыловой, театральный) обычно не защищены и поэтому к ним не рекомендуется подключать наушники (только колонки). Входные порты также могут быть защищены (транзисторами, конденсаторами чипами и пр.). Важность этой обвязки не вызывает сомнений. Вредным анахронизмом является наличие в некоторых дешевых адаптерах усилителя мощности (чтобы использовать дешевые пассивные акустические колонки). Мало того, что такой усилитель имеет невысокое качество, он еще является дополнительным источником шума и нагрева. Поэтому его рекомендуют отключать (посредством джампера). AC'97 кодек и параметры его качества Блок схема

На схеме цифры показывают связь АЦП/ЦАП с соответствующими портами. Если названия внутренних портов заключены в скобки (CD Audio и т.д.), то это означает их опциональность. Однако все дополнительные входы и выходы, изображенные в верхней части, на кодеке присутствуют, и дело производителя устанавливать в адаптере соответствующие порты или нет. 3 линейных стерео входа предназначены для CD Audio, VIDEO и AUX. 2 линейных монофонических входа предназначены для TAD и PC BEEP (см. выше). Название чипа является акронимом (кодирование / декодирование; в англоязычной литературе – codec, coder / decoder), образованным от названия его главных компонент – АЦП/ЦАП. Последние выполняют преобразование звукового сигнала из аналоговой формы в цифровую (кодирование) и обратно (декодирование). Микрофонный вход имеет программируемое усиление (programmable gain), а также включаемый режим повышения чувствительности на 20 дБ (20 dB Boost). Последнее необходимо для микрофонов динамического типа (в отличие от электретных). Опциональный второй микрофонный вход позволяет одновременно использовать один микрофон в гарнитуре, применяемый для речи, и второй качественный, настольный. Выход на наушники имеет импеданс усилителя 32 Ома, соответственно такие же нужно выбирать и наушники. SPDIF выход. Спецификация предписывает передавать звуковые потоки, у которых частота равна 48 кГц, что гарантирует совместимость с бытовой техникой. Если по интерфейсу выводится PCM файл с отличной от 48 частотой дискретизации, то происходит его прозрачная конвертация в 48 кГц перед передачей по шине AC-link. Поддержка других частот (т.е. без конвертации, “bit exact”) является опциональной. Заметим, что кодеки с SPDIF портом пока редки. Микшер может иметь аналоговое управление тембром. Однако программный или аппаратный цифровой эквалайзер позволяет выполнить настройку более тонко. АЦП/ЦАП имеют разрядности 16, 18 или 20 (не выше), и ограничение связано с шиной AC-link, см. ниже. Однако запись (через интерфейс PCI) производится в не более чем 16-разрядные файлы PCM. Кодек является полнодуплексным, т.е. позволяет одновременно производить запись и воспроизведение, причем в разных режимах. Параметры качества кодека Под разрядностями кодека понимаются разрядности входящих в его состав АЦП и ЦАП. Как уже говорилось, разрядности кодеков являются далеко не полными параметрами их аудио качества. Так, кодеки Cirrus Logic CS-4294-KQ и CS-4294-JQ одной компании имеют одинаковые разрядности, но различное качество. Отметим такой примечательный факт, что параметры 2- и 4-канальных кодеков одного производителя и из одной линейки одинаковы. Так как ЦАП используется много чаще, чем АЦП, то ограничимся только параметрами ЦАП. Это соответствует параметрам тракта D-A кодека (из цифры в аналог). Рассмотрим основные аудио параметры качества (они относятся к любому аудио тракту; об определении трактов и их параметров см. подробнее в соответствующем приложении). Эти параметры приводятся производителями кодеков в спецификации, причем для максимальной частоты дискретизации – 48 кГц для AC'97 кодеков (так как в этом случае показатели наивысшие).

Интегрированный адаптер с контроллером в системном чипсете Аудио контроллер встраивается в Южный Мост системного чипсета (в случае классической двухмостовой архитектуры чипсета). Практически все современные чипсеты являются такими. Контроллер, правда, является HSP и может даже не иметь аппаратного цифрового микшера. Обычно кодек 2-канальный. В распространенном сейчас случае кодек находится на системной плате. Для апгрейда до 6 каналов предлагается докупить компактную карту для слота форм фактора AMR, CNR, ACR, на которой и размещаются дополнительные кодеки и порты. Такие карты только начинают получать распространение. Таким образом, производители системных плат предлагают следующие этапы апгрейда.

1. С самого начала вы получаете интегрированный 2-канальный звук, неплохого качества и за очень небольшие деньги.

2. Если нужен 6-канальный звук, то докупается CNR или ACR карта.

3. Если же нужны эффекты, аппаратная поддержка 3D и т.д., то вместо п. 2 приобретается отдельная PCI карта, а встроенный звук отключается.

1.1.2 Типы звукових карт

Если устройство правильно и без явных огрехов спроектировано, важнейшими элементами, отвечающими за качество воспроизведения и записи будут преобразователи. Дешевые ЦАПы обходятся с сигналом плохо: выходной поток богат на искажения, имеет слабый сигнал, шумит. Именно поэтому звук получается недетальным, нечетким, неестественным.

    Более серьезные преобразователи используют различные системы фильтрации, коррекции, сглаживания сигнала, интерполяции и прочего, что в результате благоприятно сказывается на качестве звука.