Karta dźwiękowa

Sound Blaster X-Fi XtremeGamer Fatal1ty Pro

8-kanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy Cirrus Logic CS4382 na karcie muzycznej Sound Blaster X-Fi Fatal1ty

Karta dźwiękowa (ang. sound card, audio card) – komputerowa karta rozszerzeń, umożliwiająca rejestrację, przetwarzanie oraz odtwarzanie dźwięku. Poprawnym jest też równie wielokrotnie stosowany termin karta muzyczna.

Najbardziej znaną grupą kart dźwiękowych jest seria Sound Blaster firmy Creative Labs.

Aktualnie układy dźwiękowe wystarczające do zastosowań amatorskich są zwykle wbudowywane w płytę główną komputera, a nie stanowią karty rozszerzenia. Pojawiły się także zewnętrzne karty dźwiękowe podłączane do komputera przez port USB.

Budowa karty dźwiękowej

Karty dźwiękowe w zależności od stopnia skomplikowania oraz zaawansowania potrafią posiadać następujące elementy:

• Generator dźwięku – występował w starszych kartach oraz był to zwykle generator drgań o zadanej częstotliwości połączony z generatorem obwiedni (amplitudy) oraz generator szumu, służył do sprzętowego generowania dźwięków za pomocą modulacji oraz łączenia fal oraz szumu,
• Przetworniki A/C oraz C/A – umożliwiające rejestrację oraz odtwarzanie dźwięku (umożliwiające zamianę sposobu reprezentacji sygnału z analogowego na cyfrowy oraz odwrotnie),
• Bufor – mała (często tylko parę kilobajtów) pamięć RAM, używana przez przetworniki A/C oraz C/A, do których cyfrowy dźwięk jest zapisywany oraz odczytywany przez procesor podstawowy komputera albo odtwarzany po uprzednim wgraniu tam danych,
• Mikser dźwięku – służy do łączenia sygnałów dźwięku z wielorakich źródeł, generatorów dźwięku, przetworników C/A w skrócie PCAA], wejść zewnętrznych, itp.,
• Wzmacniacz sygnałów wyjściowych - służy do wzmacniania sygnału wyjść przeznaczonych dla urządzeń pasywnych (np. wyjście słuchawkowe),
• Złączy wejściowych oraz wyjściowych dźwięku, zarówno analogowych oraz cyfrowych,
• Interfejs do komputera – służący do komunikacji oraz wymiany danych z kartą dźwiękową, zwykle ISA, PCI albo CD-ROM,
• Interfejs MIDI – służy do podłączania do komputera cyfrowych instrumentów muzycznych w standardzie MIDI.

Próbkowanie

Pojęciem próbkowania (sampling) wyznacza się digitalizację fragmentów dźwiękowych. Decydujący wpływ na jakość nagrania ma rozdzielczość digitalizacji. Starsze karty zapisują dźwięk w trybie 8-bitowym, co dopuszcza na rozróżnienie 256 wielorakich wartości dźwięku. Z uwagi na fakt, że taki zakres jest zbyt mały, by uzyskać dobrą jakość, nowsze karty pracują już z rozdzielczością 16 bitową. W przypadku nagrań stereofonicznych każdy pojedynczy dźwięk (sample) jest więc zapisywany na 4 bajtach. Takie rozwiązanie dopuszcza na rozróżnienie 65536 wielorakich wartości dla każdego kanału stereo, dzięki czemu generowany dźwięk ma już naturalne brzmienie o jakości hi-fi. Równie istotna jest szybkość próbkowania (samplingu), czyli częstotliwość z jaką generowane są kolejne 16-bitowe sekwencje. Im częściej jest próbkowany oryginalny dźwięk, tym wyższa jest górna częstotliwość uzyskiwanego nagrania. Częstotliwość samplingu rzędu 8 kHz odpowiada w przybliżeniu poziomowi jakości rozmowy telefonicznej natomiast do uzyskania jakości płyty CD potrzebna jest częstotliwość 44,1 kHz (pozwala to na rekonstrukcję dźwięku aż do częstowlitości 22 kHz, co jest powyżej górnej granicą słyszalności dźwięków przez człowieka, tj. około 20 kHz). W przypadku nagrań stereofonicznych objętość zapisywanych danych ulega podwojeniu. Jednominutowe nagranie klasy hi-fi bez kompresji danych zajmuje więc nieco ponad 10 MB (44100 × 4 bajty x 60 sekund). Jeszcze większą objętość posiadają dane uzyskane w wyniku miksowania (mieszania) próbek. Pewne gry oferują możliwość definiowania kilku wielorakich dźwięków. Dzięki temu da się dla przykładu słuchać podczas gry odgłosów pięciu przeciwników jednocześnie. Zadania tego zwykle nie wykonuje jednak karta dźwiękowa, lecz procesor komputera co negatywnie wpływa na płynność działania samej gry. Maksymalną liczbę dostępnych głosów warto więc wykorzystywać tylko na bardzo szybkich komputerach, albo profesjonalnych kartach ze sprzętowym miksowaniem (analogowym albo cyfrowym - odciąża to procesor od miksowania, ale wymaga przesłania większej ilości danych do karty dźwiękowej oraz większych buforów na niej).

Synteza FM

Karty muzyczne nie tylko nagrywają oraz odtwarzają gotowe dźwięki, lecz także składają się na je samodzielnie za pomocą syntezy FM (modulacji częstotliwości). Pierwszym chipem muzycznym wykorzystującym syntezę FM był układ OPL2 firmy Yamaha. Chip ten nie był przeznaczony dla komputerów, lecz analogicznie jak OPL1 stał się opracowany pod kątem organów elektronicznych. Gdy jednak model OPL2 odniósł ogromny sukces rynkowy, firma Yamaha skonstruowała specjalnie dla kart dźwiękowych kolejny układ – OPL3. Oryginalnie na rynku dostępne były tylko dwa chipy FM (OPL 2 oraz 3), ale w 1995 r. patent na syntezę modulacji częstotliwości uległ przedawnieniu. Od tego czasu na kartach dźwiękowych instaluje się zróżnicowane chipy, w większości kompatybilne z OPL3, a więc także ze standardem Sound Blaster. Wszystkie układy FM działają na tej samej zasadzie: za pomocą prostych funkcji matematycznych generują krzywe drgań, które tylko w przybliżeniu imitują działanie oryginalnych instrumentów muzycznych. W każdym przypadku dopuszczają jednak odtwarzanie plików MIDI. Pliki te – analogicznie jak tradycyjna partytura – zawierają bowiem tylko opisy dźwięków instrumentów oraz efektów, a nie autentyczne dźwięki.

Synteza WT (wavetable)

Z uwagi na sztuczne brzmienie generowanych dźwięków synteza FM nie nadaje się do zastosowań ogólnych, np. realistycznego naśladowania prawdziwych instrumentów. Z tego tez względu używa się techniki syntezy wavetable (WT), znanej też pod nazwą AWM (Advanced Wave Memory). Zasada działania syntezy WT jest bardzo prosta. W kwestii uzyskania dla przykładu brzmienia gitary chip muzyczny nie generuje sztucznego dźwięku, lecz odtwarza oryginalny dźwięk instrumentu, nagrany wcześniej w studiu. W praktyce nie ma jednak możliwości zapisania w pamięci wszystkich dźwięków generowanych przez 128 instrumentów MIDI. Chip muzyczny musi więc wielokrotnie obliczać wysokość oraz długość dźwięków na podstawie wzorcowych próbek. Z zadaniem tym poszczególne karty WT radzą sobie bardzo różnie. W pewnych modelach da się np. uzyskać lepsze brzmienie instrumentów smyczkowych w innych instrumentów dętych. Naprawdę dobre brzmienie dla wszystkich odmian muzyki oferują jak dotąd tylko drogie karty profesjonalne. Pewne karty dopuszczają użycie dla każdej częstotliwości oddzielnych próbek, jednak zwiększa to zużycie pamięci (dlatego profesjonalne karty potrafią posiadać nawet setki megabajtów pamięci RAM, którą da się rozszerzać), oraz wymaga czasochłonnego procesu rejestracji próbek w studiu.

MIDI

Koncepcja cyfrowego złącza instrumentów muzycznych (MIDI), wprowadzona we wczesnych latach 80., zrewolucjonizowała rynek, przerastając z czasem oczekiwania swych twórców. MIDI dopuszcza na wymianę informacji oraz synchronizację sprzętu muzycznego za pomocą standardowych komunikatów, tworząc spójny system sterowania zestawem muzycznym. Komunikaty MIDI bywają proste (np. włącz dźwięk pianina na 5 sekund), albo złożone (np. zwiększyć napięcie wzmacniacza VCA w generatorze 6, aby dopasować częstotliwość do generatora nr 1).

Należy tutaj pamiętać, że MIDI nie przesyła dźwięku, lecz informacje o nim (i nie tylko). Dla przykładu muzyk w czasie koncertu naciśnięciem klawisza może wydobyć nie tylko dźwięk, ale także może synchronicznie sterować błyskami światła, sekwenserami, modułami brzmieniowymi itp. – bez wątpienia pod warunkiem, że wymienione urządzenia będą zgodne ze standardem MIDI. Posiadając w komputerze kartę dźwiękową FM czy też WT, mamy, praktycznie rzecz biorąc, do czynienia z modułem brzmieniowym syntezatora muzycznego. Komunikację z owym modułem zapewnia port MIDI oraz programy zwane sekwencerami. Sekwencery dopuszczają też edycję zapisu cyfrowego MIDI w postaci standardowych plików (z rozszerzeniem MID).

Specyfikacja MIDI dopuszcza sterowanie 16 urządzeniami MIDI jednocześnie. Sekwencer łączy funkcję magnetofonu wielośladowego oraz pulpitu mikserskiego. Poszczególne partie instrumentów nagrywa się na ścieżkach (może ich być 128 oraz więcej). Niezaprzeczalną zaletą MIDI jest oszczędność pamięci – skoro przesyłane są tylko dane dotyczące dźwięku, minuta muzyki wymaga zaledwie około 20 KB danych. MIDI ma pod tym względem ogromną przewagę nad cyfrową techniką zapisu dźwięku, przetworzonego przez konwertery analogowo-cyfrowe na twardym dysku.

Pierwszą implementacją standardu MIDI na platformie PC był interfejs MPU-401 firmy Roland, później ukazała się specyfikacja MT32, wreszcie General MIDI, wprowadzający jednolity rozkład brzmień.

Kolejność kanałów na wtyku Jack:
1. masa
2. prawy kanał
3. lewy kanał
4. izolator

Kolory gniazd oraz wtyków

Sprawdź też

Sprawdź hasło karta dźwiękowa w Wikisłowniku

  Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Karta dźwiękowa

• 3D Sound
• A3D
• Dolby Surround Pro Logic
• Environmental Audio Extensions (EAX)