Zvočni digitalni vmesniki ali “zvočne kartice” Avtor: Nenad Patkovič

Zvočna karta slikovni primer PCI - interna Za profesionalno uporabo Za domačo uporabo

Zvočna karta nekoč - enostvani shematski primer

Zvočna karta in njena namembnost Zvočna karta ali zvočni vmesnik v osnovi skrbi za: Predvajanje zvoka (stereo in/ ali večkanalno – Dolby Digital, DTS...: glasba, filmi, igre,...) Zajemanje zvoka (stereo in/ ali večkanalno; analogno in/ ali digitalno) Povezovanje in prevezovanje različnih zvočnih kanalov in naprav med seboj (analognih in/ali digitalnih), ter prenašanju teh podatkov v in iz računalnika.

Zvočna karta in njeni glavni elementi PCM (Pulse Code Modulation) ADC in DAC konverterji Delta-Sigma tip Analogno-Digitalni konverter skrbi za pretvorbo analognega zvočnega signala v digitalnega; s spreminjanjem napetosti analognega signala na vhodu konverterja, se spreminjajo v konverterju ti signali v digitalne numerične vrednosti. To je potrebno zato, ker računalnik razume le-te vrste podatkov – 0 in 1. Digitalno-Analogni procesorji delujejo v principu podobno kot A/D konverterji, le v obratni smeri.

Zvočna karta in njeni glavni elementi Glavni parametri pri ADC in DAC konverterjih THD (Total Harmonic Distortion) – harmonično popačenje S(N+D) (Signal (Noise+Distortion)) DR (Dynamic Range) - razmerje med najmočnejšim nepopačenim predvajanim zvokom in najtišjim (- nivo šuma). SNR (Signal to Noise Ratio) – razmerje nivoja šuma in možnega signala na kanalu (ne nujno najmočnejšega mogočega) Sampling Rate – hitrost vzorčenja Bit depth – bitni nivo vzorčenja Upsampling – 64, 128X Latenca – zakasnitev povratnega signala (milisec. ali sampli) Full duplex – zmogljivost prenosa podatkov v obe smeri istočasno Moč potrebna za napajanje in zagrevanje konverterja...

Zvočna karta in njeni glavni elementi Glavni parametri pri ADC in DAC konverterjih DR (Dynamic Range) - teoretično se dinamčni obseg digitalne naprave, medija ali digitalnega zapisa izračuna: n X 6 n – število bitov Torej je teoretični dinamični razpon CD ploščka, ki je posnet 16 bitno 16 X 6 = 96dB, ter DVD - ja, ki je posnet 24bitno 24 X 6 = 144dB. Bit Depth: Dejanska razlika med 16 in 24biti je tudi koliko različnih nivojev glasnosti lahko računalnik natančno predvaja: 2^n 2^16 = 65.536 različnih nivojev in 2^24 = 16.777.216 nivojev V računalniških audio editorjih je to ponazorjeno na vertikalni osi.

Zvočna karta in njeni glavni elementi Glavni parametri pri ADC in DAC konverterjih Sampling rate Večje, hitrejše oziroma natančnejše je vzorčenje, bolj kvaliteten je zvok. CD ima 44.100Hz vzorčenje, izhodišče za takšno zahtevo sta podala teoretika Nyquist in Shannon, ki sta menila, da bi naj bili zvok ki ga hočemo zajeti, vzorčeni vsaj z 2X natančnostjo. To sta vedela, ko še ni bilo digitalnih naprav (leta 1928). Povprečen človek namreč sliši do približno 20kHz, Philips&Sony pa sta vzela tudi malo rezerve (ne 40kHz temveč 44.1kHz). Do dandanes se je izkazalo, da človek sliši višje tone nad 20kHz tudi z lobanjo, te frekvence pa pomembno vplivajo na 3D doživetje zvoka. Zato se danes že uporablja vzorčenje tudi do 192kHz (DVD-A), izredno redko pa tudi 352.8kHz, 384kHz (DXD). V računalniških audio editorjih je to ponazorjeno na horizontalni osi.

Sampling rate (- hitrost vzorčenja) je grafično simboliziran na horizontalni osi. Bit depth (- nivoji glasnosti) pa na vertikalni osi.

Zvočna karta in njeni glavni elementi Glavni parametri pri ADC in DAC konverterjih Od cele arhitekture zvočne kartice pa je odvisen tudi njen “jitter”, oz. napake, ki nastajajo pri pretvorbi signalov iz ene oblike v drugo. Tukaj je pomembna tudi dobra konstrukcija ure oz. s“clock” tehnologije. Enako se lahko jitter kaže tudi pri predvajanju CD-ja ali DVD-ja. Interne kartice so bolj izpostavljene sistemskemu šumu in elektromagnetnim sevanjem računalnika kakor eksterne, ki imajo konverterje v zunanjem “breakout box-u”.

Zvočna karta in njeni ostali elementi DSP ali FPGA procesorji Po namebnosti služijo podobno kot GPU-ji vendar so optimizirani npr. v našem primeru za procesiranje zvoka. DSP (Digital Signal Processor) v osnovi računa vse hkratne konverzije signalov A/D in D/A ter s tem razbremeni glavni procesor - CPU. FPGA (Field Programmable Gate Array) imajo lahko enak namen kot DSP-ji, so zmoglivejši, vendar so izredno občutljivi pri procesu programiranja in ne dopuščajo napak. Ti procesorji lahko služijo tudi za virtualne mešalne mize in prevezave ter zvočne efekte.

Zvočna karta in njeni ostali elementi (DSP ali FPGA virtualne mešalne mize in zvočni efekti) Mnoge zvočne karte nimajo teh procesorjev, zato so CPU enote lahko pri velikem številu kanalov zelo obremenjeni in ne zmorejo opravil, zato se lahko pojavljajo različne napake pri zajemanju in predvajanju.

Zvočna karta in njeni ostali elementi Op-amp – operacijski ojačevalci Stabilnost “clock-a”/ ure zvočne kartice (jitter) Izhodi in vhodi: analogni in digitalni (simetrični/bal in asimetrični/unbal), micpreampi, DI vhodi... MIDI podpora Sintetizatorji zvoka Driverji oz. gonilniki, njihova stabilnost in kompatibilnost s sistemom Dodatna programska oprema...

Različni tipi zvočnih kartic glede na povezavo z računalnikom PCI in PCIe – interne z eksternimi konverterji Hitrosti do 132MBps Prednost je izjemno majhna latenca. Pomanjkljivosti pa mobilnost. Pravi profesionalni sistemi so še zmeraj PCI/ PCI express orientirani.

Različni tipi zvočnih kartic glede na povezavo z računalnikom USB 1.1 in 2.0 – eksterne Prednost je velika mobilnost in možnost napajanja preko USB porta. Pomanjkljivost: ni priporočljiva uporaba (pre)večih kanalov naenkrat ter visoka latenca. Nezanesljivost/USB protokol. USB 2.0 protokol omogoča do 480Mbps pretok podatkov (60MBps), medtem ko USB 1.1 omogoča do 12Mbps. V praksi temu žal ni tako.

Različni tipi zvočnih kartic glede na povezavo z računalnikom Firewire 400 in 800 - eksterne Prednost je velika mobilnost in možnost napajanja preko FW porta. Pomanjkljivost: latenca. Zaenkrat poznamo uveljavljeni FW400 (400Mbps – 50MBps) in manj prisotni FW800. Čeprav na papirju FW400 izgleda počasnejši od USB 2.0, temu v praksi ni tako.

Različni tipi zvočnih kartic glede na povezavo z računalnikom Cardbus PCMCIA eksterne in interne Prednost je velika mobilnost in možnost napajanja preko prenosnikovega cardbus porta. Latenca je podobna PCI karticam. Po hitrostih prenašanja podatkov -132MBps – cardbus naprave prekašajo FW in USB naprave.

Hibridni tipi zvočnih kart So eksterne. Prednost je velika mobilnost in možnost napajanja preko računalnikovega (ponavadi) FW porta. Pomanjkljivost je latenca. Klasičnim audio karticam konkurirajo z uporabnostjo mešalke - kontrola, micpreampi...

Primerjava pretoka podatkov surovega zvočnega zapisa pri različnih formatih PCM - 44.1kHz 16bit stereo = 1411 kbps (cca. 1.38MBps) (CD kvaliteta) PCM - 48kHz 16bit stereo = 1536 kbps (1.5MBps) PCM - 48kHz 24bit stereo = 2304 kbps (cca. 2.2MBps) (DVD kvaliteta) PCM - 96kHz 24bit stereo = 4608 kbps (4.5MBps) (DVD kvaliteta) PCM - 192kHz 24bit stereo = 9216 kbps (9MBps) (DVD - A kvaliteta) Bit rate = (bit depth) x (sampling rate) x (number of channels) Prihodnost ali sedanjost? DSD (Direct Stream Digital)- 2.8442MHz 1 bit stereo = 2 X 2.8 Mbps (SACD kvaliteta ). SACD format lahko zato sprejme le stereo zvok dolžine do 80 minut , podobno kot “pežrešen” DVD – A format. DXD – v bistvu visokoresolucijski PCM format - 352,8kHz/24bit (16934.4 kbps oz. 16.5375MBps). Novi mediji: Blu-Ray (HD-DVD - ga več ni)... http://www.smr-home-theatre.org/surround2002/technology/page_07.shtml

Hvala za pozornost!