Звуковая карта

К счастью, времена, когда работа за компьютером сопровождалась писком встроенного динамика, давно закончились. Современные звуковые карты могут предоставить солидные возможности для обработки звукового сигнала и превратить даже обычный домашний компьютер в весьма неплохой и функциональный аудиокомплекс. Также нельзя не отметить и тот факт, что прогресс в этой области позволил существенно снизить цены на звуковые платы — то, что раньше считалось прерогативой студии и стоило тысячи долларов, теперь можно приобрести в любом магазине за довольно умеренную цену.

На типичной звуковой карте могут находиться следующие разъемы:

• Внешние:
• Игровой, или MIDI-порт. Самый большой и заметный 15-контактный разъем-гнездо, предназначен для подключения джойстика, MIDI-клавиатуры или чего-либо иного, работающего через MIDI-интерфейс, напрмер синтезатор (о MIDI смотрите ниже). В последнее время Microsoft c Intel и некоторыми другими компаниями активно нападают на этот порт и говорят, что в современном компьютере ему не место, но он, очевидно, умирать пока не собирается
• Линейный вход
• Микрофонный вход
• Линейный выход для подключения активных колонок или усилителя. Он может быть не один, если плата рассчитана на подключение более двух колонок
• Аудиовыход, на который подается прошедший через встроенный в карту маломощный (2-4 ватта на канал) усилитель сигнал. Так как качество этого усилителя даже на дорогих платах оставляет желать лучшего, то годится только для подключения небольших наушников. Часто этот выход не присутствует отдельно, а выбирается путем изменения режима работы линейного выхода путем соответствующего джампера на плате. В этом случае, если вы ничего не меняли, выходному разъему по умолчанию обычно уже соответствует режим линейного выхода. Более подробно об этом должно быть рассказано в документации на плату
• Цифровой выход. Предназначен для подключения внешних цифровых устройств, например цифрового ресивера. Встречается только на достаточно дорогих картах
• Цифровой вход. Встречается еще реже, чем цифровой выход.
• Внутренние:
• Внутренний вход, обычно используется для подключения CD-ROM
• Внутренний выход
• Цифровой вход SPDIF. Обычно используется для цифрового подключения CD-ROM’а. Если такой разъем есть, то для подключения CD (DVD) нужно использовать только его, так как ЦАП привода обычно имеет самое невысокое качество и звуковая карта справится с воспроизведением звука гораздо лучше. Правда, такой разъем есть только на хороших платах
• Дополнительные разъемы для внутреннего подключения таких устройств, как модем, плата видеомонтажа или TV-тюнер и прочего

Если вы хотите получить приличное качество воспроизведения CD на компьютере то необходима звуковая карта с цифровым входом для подключения устройства чтения CD/DVD, который и следует использовать, так как качество звуковой части приводов CD- и DVD-ROM довольно невысоко. Обычно (хотя совсем не обязательно) в комплект поставки звуковой карты входит шнурок для подключения CD-ROM’а. К сожалению, практически всегда он аналоговый, так что вам (если карта, конечно же, имеет разъем SPDIF) придется покупать цифровой кабель отдельно. Впрочем, в принципе можно обойтись и без кабеля и соответствующего входа: можно воспользоваться возможностью некоторых CD-проигрывателей читать аудио по шине. Плохое качество звука дисководов CD/DVD хорошо подтверждается тем, что даже достаточно недорогие и ширпотребные карты декодируют цифровой звук заметно лучше, чем сами дисководы. Но при таком способе немного грузится процессор и сама шина, что по сравнению с полностью самостоятельным чтением выглядит не совсем хорошо, так что лучше все же купить более продвинутую карту c необходимым разъемом, которая сама по себе также будет звучать лучше, хоть она и будет стоить заметно дороже.

Любая звуковая плата представляет собой в конечном счете плату ЦАП/АЦП. В простейшем аналоговом электрическом виде звук выглядит как переменный сигнал (синусоида). Основное отличие реального звука состоит лишь в том, что он получается в результате наложения и взаимодействия большого числа колебаний разной частоты, фазы и амплитуды. Так возникают обертона, характеризующие, например, тембр голоса. При цифровом представлении аналогового сигнала изменение его амплитуды происходит дискретно и как бы заморожено на длительность фиксированных моментов времени, в течение которых осуществляются измерения. То есть измеренные значения описывают аналоговый (непрерывный) процесс, определяя его состояние в фиксированные моменты последовательностью чисел.

В аналого-цифровом преобразователе — АЦП — после нормирования по амплитуде аналоговый сигнал квантуется по уровню и кодируется. (Воспроизведение выполняется точно так же, только в обратном направлении, поэтому то, что относится к записи, имеет смысл и при цифро-аналоговом преобразовании). То есть каждому моменту измерения по временной шкале ставится в соответствие цифровое значение мгновенной амплитуды сигнала. Таким образом, звук теперь представляется последовательностью цифровых кодов. Очевидно, что чем короче временные промежутки между отдельными измерениями, то есть чем выше частота дискретизации (Sampling Rate), тем точнее описывается и затем воспроизводится звуковой сигнал. Не менее очевидно, что необходимая частота измерений (выборки) зависит от частотного диапазона преобразуемого сигнала. В самом деле, незачем использовать частоту дискретизации, скажем, 1 MHz, если сигнал изменяется не чаще 5000 раз в секунду, и наоборот, при слишком низкой частоте оцифровки часть звуковых частот будет безвозвратно потеряна. Теоретически по теореме Котельникова-Найквиста частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше верхнего предела частоты звуковых колебаний. Обычно применяется частота 44.1 KHz, что соответствует стандарту Audio CD и обеспечивает воспроизведение частот приблизительно до 22.05 KHz. Напомню, что человек слышит звуки в диапазоне примерно от 20 до 20000 Hz, хотя эти данные не очень корректны. Например, младенец может слышать и 16 Hz, и даже 21 KHz, а уже поближе к совершеннолетию он будет с трудом различать звуки с частотой выше 18 KHz. В преклонном возрасте верхний порог чувствительности нередко снижается до 14 KHz, правда, ухудшение слуха с возрастом более заметно у мужчин.

Следует отметить, что у некоторых дешевых звуковых карт частота дискретизации при воспроизведению и при записи может быть различной: как правило, в таком случае она соответственно равна 44.1 и 22.05 KHz. Хотя если вы не собираетесь ничего записывать, то это не столь важно. Тем более что качество записывающего тракта у таких простеньких китайских поделок настолько неважно, что кроме шумов записать все равно ничего не удастся.

Понятно, что преобразование аналогового сигнала в цифровой код можно произвести только с какой-либо определенной степенью точности. Под точностью, или разрешающей способностью, понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового кода. Это определяется разрядностью (битностью) АЦП (или ЦАП, если речь идет о воспроизведении). Так, 8-битный преобразователь может квантовать амплитуду сигнала на 256 (2⁸) уровней, а 16-разрядный на 65536 (2¹⁶) уровней, что приводит к очень заметному повышению качества. С увеличением разрядности АЦП (ЦАП) растет его динамический диапазон. Каждый бит соответствует примерно 6 Db. Звуковые карты погут иметь разрядность 8, 12, 16, а иногда и 20 бит (хотя последнее уже практически не приводит к тому, чтобы качество заметно улучшилось). Тогда 8-разрядное преобразование может обеспечить динамический диапазон 48 Db, 12-разрядное 72 Db, 16-разрядное 96 Db (соответствует CD) и 20-разрядное 120 Db. Все современные карты являются 16-битными. Однако это, конечно же, вовсе не означает, что все звуковые карты имеют «CD Quality», так как качество зависит и от многих других параметров.

В настоящее время широкое распространение получили приложения (прежде всего игры), использующие методы создания пространственного звука. Эти методы помимо простого разделения каналов и панорамирования включают в себя такие вещи, как, например, учет отражения звука от поверхностей, его поглощение различными предметами, прохождение сквозь препятствия и прочие эффекты. Как и в случае с трехмерной графикой, были созданы различные программные интерфейсы (API). Наиболее популярными являются A3D и созданный Creative EAX. В принципе, все необходимые расчеты могут выполнятся силами центрального процессора с помощью программной эмуляции, но гораздо лучше, если звуковая плата поддерживает аппаратное ускорение. Правда, сейчас карт, не совместимых с 3D-звуком, практически не осталось. Все вычисления производит расположенный на плате звуковой процессор, называемый DSP (Digital Surround Processor). От его возможностей и производительности напрямую зависит качество и точность звуковых эффектов.

Иногда можно встретить звуковые платы с многообещающими надписями на упаковке типа «Dolby Digital 5.1», «АС-3» и т. д. В доказательство справедливости этого плата имеет шесть выходов, а также прилагаемый к ней программный DVD-плеер, воспроизводящий звук на шесть колонок. И хотя нигде не сказано, что декодирование АС-3 будет осуществляться аппаратно самой картой, у покупателя вполне законно складывается именно такое впечатление. В самом деле: мощный DSP, шесть выходов, красивые надписи, да и цена таких железяк, как правило, не менее красивая… Уже можно при всем при этом рассчитывать на аппаратный декодер пространственного звука. На самом же деле таких карт не существует (а если где-то их и можно найти, то это окажется профессиональная техника с нереальной ценой), а декодирование АС-3 осуществляется поставляемым в комплекте полностью программным плеером. Также некоторые производители обещают снижение нагрузки на CPU во время воспроизведения MP3. Это тоже мало похоже на реальность, тем более что при производительности современных процессоров декодировать MP3 аппаратно не имеет абсолютно никакого смысла.

Звуковая карта может применяться не только для обработки звуков, но и для их генерации. Необходимость этого зародилась во времена первых игр с музыкальным сопровождением. Так как производительность компьютеров и объем носителей тогда не позволяли использовать готовые сэмплы, пришлось возлагать задачу на воспроизведение музыки целиком на звуковую плату. Так был создан стандарт MIDI (Musical Instrument Digital Interface), который довольно популярен и по сей день. Команды MIDI содержат не запись музыки как таковой, а ссылки на ноты, точнее их электронный аналог. Когда карта принимает MIDI-команду, она интерпретируется ее синтезатором, и в результате мы слышим ноту. По сути звуковая карта, поддерживающая MIDI, является обычным музыкальным синтезатором. Существует множество софта как для проигрывания, так и для создания MIDI-фалов. В последнем случае обычно используется MIDI-клавиатура, по внешнему виду очень похожая на клавиатуру синтезатора.

Хорошие клавиатуры чувствительны к силе и скорости нажатия на клавиши, что позволяет использовать компьютер как нормальный синтезатор. Конечно, без качественной звуковой платы в этом случае не обойтись.

FM-синтез

Простейший способ генерировать звук заключается в способе частотной модуляции (Frequency Modulation, FM). При этом синтез осуществляется с помощью специальных генераторов сигналов, также называемых операторами. В операторе можно выделить два основных элемента: фазовый модулятор и генератор огибающей. Фазовый модулятор определяет частоту (высоту) звука, а генератор огибающей — его амплитуду (громкость). Чтобы воспроизвести голос одного инструмента, достаточно двух операторов: первый генерирует несущую, то есть основной тон, а второй — модулирующую частоту, или обертона. Первые звуковые карты с поддержкой MIDI имели как раз такие двухоператорные синтезаторы. Более совершенные алгоритмы FM-синтеза подразумевают использование большего числа операторов. При этом операторы, например, могут суммировать свои сигналы или использовать другие способы повышения качества. Но как бы то ни было, при частотном синтезе звук получается очень неестественным — ведь на самом деле звук музыкальных инструментов содержит множество обертонов, а не несколько.

WT-синтез

WT-синтез (Wave Table) — это синтез звука на основе таблицы волн. Используя соответствующие алгоритмы, по одному звуку инструмента, хранящегося в таблице, можно воспроизвести и все остальные. Образцы звучания инструментов находятся в ROM платы, загружаются в ее оперативную память или хранятся в ОЗУ компьютера. Обычно используется последний вариант, так как он наиболее гибкий и универсальный, хотя раньше, когда компьютеры сами имели мало памяти, сэмплы хранились ПЗУ либо ОЗУ звуковой платы. Как показывают мои наблюдения, более-менее приличного звучания невозможно добиться при размере таблицы меньшем, чем 4 Mb, так как качество звука напрямую зависит от того, насколько достоверные описания инструментов находятся в таблице. Хорошие карточки позволяют использовать сэмплы величиной 32 мегабайта и более. В более дешевых их размер может быть ограничен, например, 8-ю мегабайтами. WT-синтез обеспечивает куда более реалистичное по сравнению с FM-синтезом качество звучания, поэтому во всех сегодняшних картах используется только этот способ.

Когда дело касается MIDI, то часто встречаются такие понятия, как каналы (channels), инструменты (instruments) и голоса (voices). Чтобы лучше понять смысл этих терминов, проведем такую аналогию. Для каждого инструмента в оркестре необходим свой канал. Но в канале может воспроизводиться более одного голоса. Допустим, оркестр поделен на несколько секций, пусть будет 8. А в каждом канале могут одновременно играть 16 музыкантов. В результате мы имеем 8 каналов и 16 голосов, а всего одновременно могут воспроизводиться 128 (8*16) инструментов. При недостаточном количестве инструментов сложные музыкальные фрагменты воспроизводятся неправильно. Современные карты поддерживают до тысячи и более одновременно звучащих инструментов.

Воспроизведение MIDI во многом зависит от применяемых в карте синтезаторов, а не только от таблиц волнового синтеза, хотя последние тоже могут сильно изменить звук как в лучшую, так и в худшую сторону. К сожалению, лишь сравнительно небольшое количество звуковых плат (обычно производства Creative Labs или Yamaha), причем достаточно дорогих, могут обеспечить хорошее качества синтеза. У большинства ширпотребных изделий оно такое, что после нескольких минут прослушивания аж тошнить начинает. Часто производители вообще уделяют внимание MIDI только для того, чтобы была хоть какая-нибудь поддержка этого формата, потому что так или иначе для звуковой карты она обязательна.

Кстати, многих владельцев таких карточек в неописуемый восторг приводит программный синтезатор фирмы Yamaha. Они говорят, что «звучит ну прям как эмпэтри». Но только ни один, кто слушал хоть сколько-нибудь нормальное MIDI, такого не скажет. На самом деле из программных синтезаторов Yamaha действительно самый лучший, но по сравнению с аппаратным воспроизведением хорошей звуковой карты никогда не сравниться. Даже моя простенькая SB Creative 128 PCI звучит куда естественней всякого там софта. Тем более что программные синтезаторы неслабо грузят процессор. Это был гнилой помидор в сторону всякого рода недоделанных программных решений, которые якобы призваны делать то, что всегда было и оставалось уделом железа.

Если же вам необходимо хорошее воспроизведение MIDI, то придется раскошелиться на приличную звуковую карту. Хотя далеко не всем это нужно. В основном применение MIDI ограничивается тремя областями: некоторые старые игры (которые сегодня мало кому интересны), создание музыки и прослушивание MIDI-файлов. Таким образом, если у вас не возникает желания слушать музыку в формате MIDI, если вы не композитор или хотя бы не увлекаетесь музыкой, то качественное воспроизведение MIDI не так уж и желательно.

Что касается качества звучания звуковых карт, то тут можно сказать, что оно может быть самым разным. Звучание в решающей степени определяется не столько типом микросхем и даже не стоимостью (хотя за 10 USD ничего хорошего тоже не купишь), сколько старанием производителя, которое он уделил аналоговой части своего устройства. Многое о качестве может сказать имя фирмы, выпустившей карту. Заслуженным доверием пользуются изделия фирм Creative Labs, Yamaha, Voyetra Turtle Beach. Из плохих марок можно отметить Genius, а также все то, где есть хоть какое-нибудь упоминание об Essolo. В целом звучание хороших звуковых карт сопоставимо со звучанием музыкальных центров среднего класса. Не следует ждать от маленькой платы внутри системного блока того же, что сможет дать полноценный Hi-Fi комплекс, составленный и дорогих компонентов. Качество звучания будет хуже хотя бы потому, что в корпусе компьютера схемы звуковой карты испытывают сильные помехи со стороны множества устройств, и их влияния практически невозможно избежать даже с помощью самых лучших фильтров. Хотя у приличных карточек звук все равно на уровне, и, купив серьезные колонки, можно использовать компьютер как музыкальный центр. Если же хочется одновременно получить качество, то — покупайте карту с цифровым выходом и подключайте к ней внешний ресивер с настоящими Hi-Fi колонками. Причем получится, пожалуй, даже лучше, чем при составлении системы из обычных компонентов, а если еще учесть возможности… В самом деле, какая, пусть даже самая дорогая Hi-Fi система может похвастаться записью и декодированием MP3, воспроизведением MIDI, записью звука на диск, оцифровкой и микшированием звуковых сигналов из самых разных источников — платы видеомонтажа, модема, радиотюнера? И все это за довольно небольшие деньги, если, правда, у вас уже есть РС соответствующего уровня. Я, конечно же, не призываю всех взять и выбросить всю всю бытовую электронику и пользоваться исключительно компьютером, а только напоминаю, что он вполне может претендовать на роль очень хорошего домашнего аудиовидеокомлекса.

Примечание: на качество звучания звуковой платы заметное действие оказывают установки уровня сигнала. Не следует выставлять регуляторы уровней громкости на значения, большие 70%-80% от максимальных, так как из-за перегрузки звуковых схем появляются различные искажения. Другая крайность тоже плоха: если поставить очень маленькие значения, то громкость будет достигаться целиком усилителем колонок, а он тоже, как и всякий усилитель, имеет собственные искажения и кроме всего прочего одаривает звуковой тракт помехами. Лучше всего выставить все регуляторы где-то на половину или чуть больше. То же относится и к регуляторам тембра. Также целесообразно отключить те звуковые схемы, которые вами не используются. Например, если у вас нет модема с голосовыми возможностями или вы не используете линейный или микрофонный входы, то лучше поставьте в соответствующих местах галочку напротив надписи «выключить».