1. Zvuková karta

2. Čo je to zvuková karta?
Zvuková karta (sound card) je zariadenie, ktoré slúži na počítačové spracovanie zvuku.
V závislosti na svojej kvalite zaisťuje kvalitný zvukový výstup z počítača vhodný i pre profesionálne účely.

3. Čo môžme pripojiť k zvukovej karte?
slúchadlá
reproduktory
zosilňovač
mikrofón
externé zdroje (rádio, magnetofón, gramofón)
ak je karta vybavená rozhraním MIDI (Musical Instrument Digital Interface), je možné k nej pripojiť i elektronické hudobné nástroje vybavené rovnakým rozhraním (napr. elektronické varhany, syntetizátory apod.)

4. Schéma pripojenia zvukovej karty

5. Reproduktory pripojiteľné ku zvukovým kartám

6. Záznam zvuku pomocou zvukovej karty
Pri zázname zvuku pomocou zvukovej karty je nutné rozlíšiť dva základné prípady:
analogový signál - záznam je vykonávaný zo zdroja jako je mikrofón, rádio, magnetofón, audio CD. Takýto signál sa skladá z vĺn (kmitov), ktoré sú vytvárané vo vzduchu hlasivkami, hudobnými nástrojmi alebo prírodnými silami.
digitálny signál - záznam sa vykonáva zo zdroja napr. elektronické varhany pripojené cez MIDI rozhranie. V tomto prípade sa priamo zaznamenávajú jednotlivé bajty odosielané týmto rozhraním.

7. Analógový signál
Pôvodný signál
V prípade príjmu analógového signálu je potrebné tento signál previesť na signál digitálny.
Prevod sa uskutočňuje pomocou vzorkovania (sampling). To znamená, že v každom časovom intervale je zistený a zaznamenaný aktuálny stav signálu (vzorka).
Je zrejmé, že čím kratší je tento interval, tým vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým viac vzoriek bude zaznamenaných a tým bude výsledný záznam kvalitnejší.
Kvalitu je možné tiež ovplyvniť počtom rozlíšiteľných úrovní (kvantových hladín) v každej vzorke.
Vzorkovanie 20 Hz
Po rekonštrukcii

8. Kvalita zvuku
Pri zázname zvuku sa využíva Shannonov teorém vzorkovania, ktorý hovorí :
Signál spojitý v čase je úplne určený postupnosťou vzorkov, odoberaných v rovnakých intervaloch, ak je ich frekvencia väčšia než je dvojnásobok najvyššej frekvencie, nachádzajúcej sa v signále.
Kvalita digitálneho záznamu
Vzorkovacia frekvencia
Rozlíšenie, kanály
Telefónna kvalita
11 025Hz
8 bit - mono
Rozhlasová kvalita
22 050Hz
CD-audio kvalita
44 100Hz
16 bit - stereo
DVD-audio kvalita Hz
24 bit surround sound

9. Kvalita zvuku
Ak si uvedomíme, že ľudské ucho vníma zvuky od frekvencií 16 Hz - 20 Hz až do frekvencií 16 kHz - 20 kHz, je zrejmé, že frekvencia 44 kHz použitá pro CD kvalitu je dostačujúca.
Kvalita digitálneho záznamu
Vzorkovacia frekvencia
Rozlíšenie, kanály
Telefónna kvalita
11 025Hz
8 bit - mono
Rozhlasová kvalita
22 050Hz
CD-audio kvalita
44 100Hz
16 bit - stereo
DVD-audio kvalita Hz
24 bit surround sound
Prevod analógovej hodnoty na digitálnu a naopak zabezpečujú A/D, resp. D/A prevodníky 12-bit, 16-bit, 20-bitové

10. Zvukové cykly
Pri tvorbe zvuku pomocou zvukovej karty sa vychádza zo skutočnosti, že pri každom hudobnom nástroji má jeho zvuk podobu cyklu, tzv. obálky.
Obálka hudobného nástroja ( zafarbenie jeho tónu) je charakterizovaná niekoľkými časťami :
Nástup (Attack)
Pokles (Decay)
Trvanie (Sustain)
Doznievanie (Release)

11. Časti cyklu hudobných zvukov
Konkrétne hodnoty jednotlivých fáz cyklu sú charakteristické pre každý hudobný nástroj
Zvuková karta tieto hodnoty čo možno najpresnejšie dodržiava. V opačnom prípade by zafarbenie tónov konkrétneho nástroja strácalo na vernosti.

12. Zvukové cykly
Zvukový signál a jeho obálka, vyznačená červenou farbou

13. Kvalita zvuku
Z toho vyplýva, že ak dôjde ku zníženiu vzorkovacej frekvencie, budú vo výslednom zázname chýbať vyššie frekvencie, čo sa pri prehrávaní záznamu prejaví ako strata výšok.
Ak je teda vzorkovacia frekvencia dostatočná, tak pri vysokej kvalite záznamu vznikajú veľmi veľké súbory.
Preto existujú algoritmy, ktoré dovoľujú urobiť stratovú kompresiu, ktorá kvalitu výsledného záznamu podstatne neovplyvní.

14. Kompresia zvuku
Kompresia zvuku využíva nedokonalosť ľudského sluchu, čo dovoľuje vypustiť niektoré zložky frekvencií zvukového signálu bez počuteľného zníženia kvality
Táto kompresia sa môže vykonávať buď po vytvorení záznamu alebo v reálnom čase priamo pri zázname. ( MP3 )
Záznam v reálnom čase umožňujú kvalitnejšie karty, vybavené špeciálnymi procesormi, tzv. signálovými procesormi (DSP – Digital Signal Processor)

15. Kompresia zvuku WAV (waveform – audio formát - nekomprimovaný)
WAV bol vytvorený v spolupráci firiem Microsoft a IBM. Súbor WAV (waveform – audio formát) je najjednoduchší z formátov pre ukladanie audia.
WAV ukladá vzorkovaný zvuk v nezmenenej podobe, t.j. uchovává kompletnú zvukovú informáciu.
  Vlastnosti :
Dá sa prehrať na ktoromkoľvek počítači so zvukovou kartou (PC XT a lepšie).
Ponúka iba nekomprimovaný zvuk.
Vytvára príliš veľké súbory.
Tento formát je pre Web nevhodný.

16. Kompresia zvuku
MP3 (Mpeg1 – Layer3) Formát MP3 je špecializovaný na spracovanie zvukových souborov. Je založený na kompresnom algoritme odvodenom z algoritmu MPEG pre kompresiu videa. MP3 vzniklo skrátením MPEG1-Layer 3, čo je označenie kompresného algoritmu.
MP3 skladba môže obsahovať tzv. ID3 TAG ( etiketa, visačka), čo je blok dát pripojený na koniec súboru. Do nehosa ukladá plný názov skladby, meno interpréta alebo názov albumu, z ktorého skladba pochádza. Prehrávače vedia s týmito TAG-mi pracovať, čo uľahčuje orientáciu v rozsiahlych zvukových knižniciach.
Základná veličina, ktorá ovplyvňuje kvalitu mp3 súboru je tzv. bitrate - rýchlosť dátového toku (kbps). Čím je bitrate vyšší, tým je lepšia kvalita. U AUDIO-CD je bitrate 1,4Mb/s, súbor mp3 s kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate 128kbps.

17. Ďalšie zvukové formáty
.AU je starčekom Internetu. Navrhla ho firma Sun Microsystems pre svoje pracovné stanice. Vzhľadom k jej významu pri vytváraní a rozvoji Internetu se formát .au velmi rozšíril.
.OGG Vorbis - dokáže pri 96 kbps dosiahnúť kvalitu 128 kbps MP3. Výhodou je, že je voľný a postupne ho začínajú podporovať všetky programy. Je to "systémový" codec, čiže sa dá rovnako ako MP3 Fraunhofer Codec použiť v akomkoľvek programe či filme
.WMA - Windows Media Audio formát - ponúka dvojnásobné množstvo hudby než MP3 bez zníženia kvality. Podpora pre streamovanie hudby vďaka technológii Fast Streaming.

18. Digitálny signál – rozhranie MIDI
Takýto signál možno získať napr. z elektronických varhan, pripojených pomocou MIDI rozhrania. V takomto prípade sa už nevykonáva vzorkovanie, ale sa zaznamenávajú priamo bajty dát, zasielané cez dané rozhranie.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) je komunikačný protokol definovaný konzorciom Audio Engineering Society v r (verzia 1.0). Jeho úlohou je prenášať informácie o hraných tónoch (nie hudbu samotnú) z jedného zariadenia do druhého.
Komunikácia rozhraním MIDI prebieha prostredníctvom krátkych správ (informácií ) v podobe posielaných bajtov. Rýchlosť protokolu je bitov za sekundu

19. Digitálny signál – rozhranie MIDI
Rozhranie ponúka 128 nástrojov („programov“) a 16 kanálov, 128 rôznych tónov a 128 úrovní hlasitostí.
V r vznikol štandard General MIDI (GM), ktorý priradil číselnú škálu pre konkrétne nástroje :
(1 – akustický klavír, 14 – xylofón, 72 – klarinet, – výstrel z revolvera)
Navyše, GM špecifikoval minimálne množstvo tónov, ktoré zariadenie muselo byť schopné naraz hrať (polyfónia) – 24 nástrojov
Komunikácia rozhraním MIDI je dátovo nenáročná, jedná sa o textové súbory, veľkosť súborov je teda extrémne malá (mnohominútové skladby môžu mať niekoľko desiatok kB)

20. Digitálny signál – rozhranie MIDI
Tabuľka druhov nástrojov a ich číselné označenie podľa General MIDI Level 1

21. Digitálny signál – rozhranie MIDI
Tieto bajty obsahujú informácie ako sú napr :
druh nástroja (piano, husle, varhany, flauta ...)
výška tónu ( podľa stupnice )
dĺžka tónu ( celá, pólová, štvrťová, osminová nota )
dynamika úderu na klávesu
hlasitosť
úpravy na kanáloch
perkusie
časový kód na synchronizáciu
Pre prehratie takého záznamu je nevyhnutné, aby zvuková karta bola schopná podľa týchto informácií sama vytvárať jednotlivé potrebné tóny.

22. Digitálny signál – rozhranie MIDI
MIDI súbor – textový zápis jednotlivých taktov melódie
Príklad príkazu :
HRAJ [ I24 T80 L8 02 d c 2c. P ef# g# a h 03 c 02h ]
kde I24 - akustická gitara ( označenie nástroja )
T80 – tempo 80 ¼ nôt/min
L8 – osminová dĺžka noty
... atď.
1 min skladba MIDI kB
1 min skladba Wav MB

23. Zvukové karty
Sound Blaster AWE32

24. Zvukové karty
Sound Blaster AWE64

25. Zvukové karty
Gravis ultrasound

26. Vytváranie zvuku Existujú dve metódy : FM syntéza:
realizovaná tzv. FM syntetizátorom (obvod OPL 2, OPL 3 nebo OPL 4). Táto metóda vychádza zo skutočnosti, že každé vlnenie je možno zostaviť zložením vybranej série sínusových frekvencií o vhodnej frekvencii a amplitúde.
Wave Table syntéza:
používaná u drahších zvukových kariet. Táto metóda používá priamo navzorkovaný signál skutočného nástroja, uložený vo svojej vlastnej pamäti (ROM ). Pretože nie je možné, aby v pamäti boli uchované vzorky všetkých výšok tónov od všetkých nástrojov, je v pamäti vždy uložený jeden tón od každého nástroja. Rôzne výšky tohto tónu sa dosahujú rôznou rýchlosťou prehrania tohto vzorku ( interpolácia )

27. Novinky medzi zvukovými kartami
Sound Blaster Audigy 2
Sound Blaster Live
Creative Sound Blaster X- Fi Elite Pro
Creative USB Sound Blaster X-Fi Surround Sound 5.1
nová generácia zvukových kariet od firmy Creative Technology názvem Sound Blaster Audigy.
Srdcom karty je rovnomenný signálový procesor so vstavanou efektovou jednotkou. Algoritmy DSP sú prispôsobené pre komplexné výpočty audio efektov a priestorového ozvučenia.
Medzi SW vybavenie, ktoré naplno využíva Audigy, patrí EAX Advanced HD ( Environmental Audio eXtensions )

28. Creative Sound Blaster X-Fi Elite Pro

29. Creative USB Sound Blaster X-Fi Surround Sound 5.1

30. 3-D Sound vs. Surround Sound
3-D sound – 3D zvuk
poskytuje rýchlo sa meniaci dynamický zvuk, prichádzajúci z rôznych strán, ktorý sa mení na základe pozície poslucháča v priestore ( 3D hry )
Umožňuje realisticky stvárnený postup zvukových vĺn okolo alebo cez prekážky
Surround sound - obklopujúci zvuk
Využíva takisto zvuk prichádzajúci z rôznych strán, ale zvuk sa nemení pri zmene polohy poslucháča v priestore. Toto sa využíva napr. v domácich kinách
Reproduktorový systém domáceho kina

31. Audio efekty pre ozvučenie počítačových hier:
EAX Advanced HD Audio Effects - prednastavené efekty a charakteristiky rozmanitých akustických prostredí.
Multi-Environment - možnosť súčasnej simulácie štyroch akustických prostredí v reálnom čase
Environment Morphing - pre prirodzený prechod medzi jednotlivými prostrediami s plynulým prelínaním ich akustických charakteristík v reálnom čase.
Environment Panning - plne priestorová simulácia vzdialeného prostredia
Environment Reflections - simulácia odrazov zvukov známych z reálneho prostredia
Environment Filtering - využíva high-pass filtre pre presnú simuláciu zvuku v interiéri a exteriéri

32. Zvukové efekty hudobných nahrávok
Audio Clean-Up - odstraňuje nežiadúci šum a praskanie z nahrávok vo formáte MP3
Time Scaling - zmena rýchlosti nahrávky bezo zmeny výšky tónu a kvality
Dream - patentovaný algoritmus pre vytvorenie priestorovej Surround nahrávky z ľubovolného stereo audio souboru

33. Ďalšie komponenty zvukovej karty
Digital Signal Processor (DSP) – digitálny signálový procesor
je to špecializovaný procesor pre spracovanie zvukových signálov. Jeho úlohou je odľahčiť hlavný CPU uskutočňovaním výpočtov pre digitálnu a analógovú konverziu.
DSP vie súčasne spracovávať viackanálové zvuky v reálnom čase, čo súvisí s prehrávaním videa v reálnom čase
Pamäť – Podobne ako grafická
karta aj zvuková karta používa
vlastnú pamäť na zrýchlenie
spracovania dát

34. Ďalšie komponenty zvukovej karty
Vstupné a výstupné konektory
slúžia na pripojenie mikrofónu, slúchadiel, MIDI zariadení, joysticku, reproduktorov, zosilňovačov výst.signálu, audio vstup z CD-ROM
viacnásobné konektory pre 3D-zvuk a surround
zvuk
Sony/Philips Digital Interface (S/PDIF)
využíva prenosový súborový protokol pre audio dáta
používa buď koaxiálne alebo optické pripojenie vstupu a výstupu zvuk. karty
Musical Instrument Digital Interface (MIDI)
slúži k pripojeniu syntezátorov alebo iných
hudobných elektronických nástrojov
k počítaču
FireWire a USB konektor
pripája digitálny audio alebo videorekordér
ku zvuk. karte

35. Spolupráca zvukovky s aplikáciami
Jednotlivé aplikácie ovládajú zvukovú kartu pomocou driverov, ktoré uľahčujú operačnému systému prístup ku samotnému hardwéru zvukovej karty.
APIs - Application Program Interfaces – je to sada pravidiel alebo štandardov, ktoré tieto drivery zvukovej karty musia spĺňať
Najčastejšie tieto API zahrňajú produkty od firiem :
- Microsoft : DirectSound
- Creative : Environmental Audio Extensions (EAX) a Open AL (Audio Language )
- Sensaura : MacroFX
- QSound Labs : QSound