Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Встроенный звук

Архив
автор : Андрей Волов   21.05.2002

Особенности качества встроенных звуковых карт

Ну-ка, все вместе, уши развесьте!
Лучше по-хорошему хлопайте в ладоши вы!
Из «Бременских музыкантов»


Сегодня что ни материнская плата, то пожалуйста: звук на борту уже имеется. И не какой попало, а четырехканальный (а на каждой пятой модели - уже 5.1), да еще с выходом по цифре S/PDIF (как правило, опционально). И у преобразователей из цифры в аналог (ЦАП) и обратно (АЦП) вроде как с запасом битов (якобы 18-20), что должно обеспечивать отношение сигнал/шум около 90 дБ. И максимальная частота дискретизации стабильно 48 кГц. Не за горами 24 бита, 96 дБ и 192 кГц. Короче, все в полном соответствии с развивающимся стандартом АС97 (на данный момент в ходу ревизия 2.3). Ну и зачем покупать отдельную звуковую карту, спрашивается?

Надо отдать должное производителям материнских плат: буквально за последний год качество встроенных звуковых карт («бортовух») значительно улучшилось. Как правило, сведения о звуке на борту, приводимые в описаниях материнских плат, сухи, как воздух в Сахаре. Чаще всего удается отыскать лишь одинокие отписки «AC97 Audio Support» или «AC97 2.1 Compliant 2D Audio». Гораздо реже производитель радует хоть какой-то конкретикой, тем паче в адрес интегральных микросхем стандарта АС97. Кругом их называют кодеками (от английского audio codec). Шибко не наврешь, если чипом обзовешь. Помнится, один популярный производитель охарактеризовал старенький чип CMedia 8738 следующим образом (наглую рекламу опускаю):

  • advanced 64 voice wavetable synthesizer (качественный MIDI никогда не помешает!);

  • supports HRTF 3D positional audio with MSDS, DS3D, DirectMusic, Aureal A3D and Creative EAX, C3DX APIs (чудесно для геймеров во всех отношениях, хотя обещание поддержки еще не означает, что все будет без сучка без задоринки);

  • supports fiber optic module (радости подключения по оптике, скорее всего за отдельные деньги);

  • embedded 32 Ohm 0.5 W earphone amplifier (затаривайтесь наушниками с входным сопротивлением 32 Ом).

Замечу, что на более свежем кодеке 9738 добавилась поддержка воспроизведения четырехканального звука для любого типа южного моста материнской платы. Фи… даешь шесть каналов! Разъем line in может быть совмещен с тыловым выходом. Однако цифровой выход S/PDIF имеется только на модифицированной модели 9738-Р.

Не подумайте, что чипы CMedia самые крутые, просто случайно попались под руку первыми. «Мамостроители» используют кодеки как от Wolfson (более известного в качестве поставщика для hi-fi-аудио), так и от приближенных к компьютерному миру SigmaTel, Analog Devices, Crystal и других.

Модельный ряд АС97-кодеков довольно широк почти у каждой фирмы (например, [3]) и стремительно обновляется. Одни чипы предназначены как для самостоятельных звуковых карт, так и для бортовых применений, другие - только для тех или иных по отдельности.

Не могу не упомянуть о расхожем заблуждении: мол, раз используются одинаковые кодеки для «звуковух» и «бортовух», то и качество звука одинаковое. Прошу заметить, что помимо чипа кодека на грамотно спроектированной звуковой карте установлено множество конденсаторов и резисторов. Оказывается, чип нужно не только хорошо запитывать, но и не менее хорошо подавать и снимать (согласовывать по нагрузке) разномастные электрические сигналы. Редкие «бортовухи» могут похвастать подобным окружением. Сказывается и вынужденная компактность разводки, и близость «шумных» соседей. Отсюда неизбежны ухудшение звучания и потеря качества записи. Впрочем, щедрая россыпь RC-элементов на дешевенькой подделке под именитую звуковую плату еще ни о чем не говорит. Элементная база из с критичным разбросом параметров способна изгадить звук не на шутку.

Остатки совести не позволяют умолчать о лотерее: какой именно АС97-кодек окажется на вашей системной плате - предсказать трудно. Причем в «коробочном» описании и на сайте речь может идти об одном, а на самом деле втихаря впаян совсем иной чип. Иногда в описании указывают сразу пару вероятных чипов, типа «optional Creative СТ5880». На прилагаемом к системной плате сидюке с софтом можно обнаружить кучу драйверов чуть ли не на все случаи жизни. Так что первым делом, вооружившись лупой, надо разглядеть на системной плате, какой фирмы и модели кодек впаян, а затем устанавливать соответствующие драйверы.

Лихие производители дешевых материнских плат порой лепят такую «горбуху», что диву даешься! То, что впаивается залежалый чип, и то, что драйверы встают с третьего раза, - еще полбеды, гораздо неприятнее получить сюрприз-головоломку. Например, драйверы встали без желтых восклицательных знаков, чип не убитый и даже записывает звук (воспроизведенный в дуплексе самим же кодеком), а вот на выходе карты (выход единственный, универсальный line out) - гробовая тишина. И попробуйте доказать продавцу или сборщику, что это не вы самолично спалили выход бортовухи. А слабо с трех раз догадаться, в чем причина? В секретном (в описании ни намека) переключателе на материнской плате? В хитроумно спрятанной «галочке» драйвера? В элементарном браке распайки гнезда?

Сами по себе (то бишь на испытательном стенде фирмы) микросхемы демонстрируют впечатляющие характеристики. Например, отношение сигнал/ шум - аж -94 дБ(А). Но после конвейерного монтажа на серийной материнской плате и под влиянием разношерстного окружения их характер неизбежно портится. Массовый продукт на поверку выдает весьма скромные -75…-85 дБ(А).

Два фрагмента интегрированных аудиорешений. Слева - AC97-схема с простым кодеком. Справа - один из наиболее развитых вариантов с PCI-контроллером C-Media CMI8738/PCI-6CH-MX, установленный на плате ASUS P4B266-E: шесть каналов (кодеки интегрированны в чип), S/PDIF In/Out, HRTF-обработка звука. Сравните число элементов обвязки с обычным для отдельных звуковых карт.

Признаюсь, есть у меня страсть время от времени собирать-апгрейдить персоналки, руководствуясь девизом «лучше меньше, да лучше». К тому же по долгу службы приходится иметь дело с различными готовыми компами, включая забугорные брэнды. Так что я не упускаю шанса ознакомиться с новыми представителями звуковых карт. Благо сравнить есть с чем: на рабочем месте бессменная восьмиканальная 24 бит/96 кГц старушка от Terratec, а дома прижился тот самый Live! с желтеньким выходом digital out.

Не буду утомлять вас перечислением моделей железяк из внутренностей прошедших через меня персоналок. Также не буду «возить мордой по столу» нерадивых производителей. Поскольку, например, интегрированный аудиочип, блеснувший в попавшейся мне маме, может облажаться у вас, и наоборот. Мораль сей басни такова: охватить все многообразие железа (производитель мамы такой-то, чип такой-то, а конденсатор такой-то и т. д.) невозможно. Ну разложишь все по полочкам. А в это время бац - и кондерчик уже другой впаивают… Таблицы результатов сравнительных измерений устаревают быстрее, чем в них разберутся читатели. Так что бессмысленно пытаться родить совет на все случаи жизни. Единственное, что в моих силах, - дать вам ключ к познанию.

Итак, настал черед информировать о выявленных подводных камнях «бортовух». Буду предельно лаконичен.

Сигнал/шум

Сегодняшние «бортовухи», не испорченные средой обитания, показывают -67…-72 дБ. В качестве примера созерцайте рис. 1. При измерениях по облагораживающей методике А-взвешивания следует ожидать под -80 дБ(А). Терпимо. Преодоление этого барьера проблематично из-за удорожания системной платы. Слишком много электрических паразитов и слишком близко к «бортовухе» они бродят. Для сравнения: оригинальный Creative SB Live дает -82 дБ, а 24-битный Terratec -105 дБ.

Амплитудно-частотная характеристика

Здесь ждите сюрпризов. Неравномерность АЧХ на некоторых экземплярах достигает 10 дБ. Завал на высоких такого порядка приведет к глуховатым записям. При воспроизведении придется компенсировать подстройкой тембра высоких частот. Правда, подправить завал на верхах, типичный для большинства представителей компьютерной акустики, зачастую не удается, поскольку тембр и так уже вывернут до упора. Тем паче в микшере «бортовух» тембр, как правило, отсутствует. Остается уповать на удачу или на «бормашину» софтовых эквалайзеров.

Коэффициент гармонических искажений (THD)

Разброс от 0,01 до 0,002%. Не high-end, конечно. Ориентация исключительно на компьютерное воспроизведение очевидна. Принимая во внимание, что большинство встроенных усилителей мощности врут на 0,5% (КНИ), а акустические системы на 5% и больше, добавить нечего.

Интермодуляционные искажения (IMD)

Выражаясь проще - насколько одна частотная компонента искажает другую. На рис. 2 представлена спектрограмма: по вертикали - время, по горизонтали влево и вправо - частота для левого и правого каналов соответственно, цветовая раскраска - величина магнитуды сигнала. Сначала присутствовал чистый тон 1 кГц, потом чистый тон 10 кГц. Каждый чистый тон оставлял за собой одинокую полосу, будто катер кильватерную струю в полный штиль. Но стоило зазвучать двум тонам одновременно (см. нижнюю часть спектрограммы), как сразу появились дополнительные гармоники.

Обычно величина дополнительных гармоник сравнительно мала, порядка -60 дБ и меньше. Их кратность по частоте довольно велика и зависит от соотношения частот чистых тонов. На суперутонченный слух - чем больше IMD, тем больше призвуков. Особенно они заметны в органной музыке, звуках фортепиано и одиночных струнных - если акустика вытягивает мощность, конечно. Кстати, при стечении определенных обстоятельств наличие своеобразной гармонической окраски звука не портит восприятие. Гитарная рок-музыка сама по себе искаженная, и качественные дисторшн-эффекты всегда в цене. То есть для воспроизведения умеренно высокий IMD не критичен. Но для записи, когда требуется насколько возможно избежать непредсказуемых эффектов искажения звука, следует выбирать карты с предельно низким IMD.

Сдвиг постоянной составляющей (DC shifting) в записываемом сигнале

Этим фокусом раньше грешили многие звуковые карты. Однако Creative навела порядок в своих рядах: сдвиг не выходит за пределы ±2 единиц квантования. Среди «бортовух» болезнь распространена и поныне. Попадаются экземпляры с очень неприятным сдвигом: +2000 с гаком по одному каналу и -4000 по другому. В режиме записи сдвиг зависит от положения ползунка в микшере! Реальная динамика сигнала при этом усыхает фактически до 12-14 бит. Будьте начеку.

Микрофонный вход

Прогресс налицо. Змеиное шипение уходит в прошлое. Правда, хорошие микрофоны нынче очень дороги. В программном обеспечении микшера у некоторых «бортовух» можно найти полезный сервис (см. рис. 3). Если прут пачками импульсные помехи, смело активизируйте «Alternate microphone». В большинстве случаев здорово помогает, но что за этим стоит - не знаю, врать не буду.

Влияние (проникновение) каналов

В некоторых случаях имеет место быть, причем влияние довольно гадкое. На рис. 4 представлены сигналы, записанные при подаче на левый канал АЦП прямоугольных импульсов частотой 1 кГц. Позже, чтобы облегчить сравнение, амплитуда сигнала правого канала была увеличена вчетверо. Видно, что при переходе сигнала левого канала через ноль, в правом канале появляются взбрыки типа щелчков. Вряд ли кому-то потребуется записывать дома импульсные сигналы с крутыми фронтами. Однако, если на одном канале вылезает нечто, чего быть не должно, имейте в виду возможную чехарду со взаимным влиянием каналов.

Качество аппаратных 3D-эффектов

Тут кто во что горазд. Задирать ползунок эффектов выше 25% опасно для психики. Тактика производителя называется «главное, забить место под солнцем, а там видно будет». Естественно, «бортовухам» тяжело тягаться со «звуковухами», имеющими свой навороченный аудиопроцессор.

Качество табличного синтеза MIDI

До SB Live! - как до Луны. Но уже не электронная «фанера». Слушать можно.

Выход на наушники

Он совмещен с линейным выходом (line out), используемым для подключения активной акустики. В редких случаях совмещают еще и с цифровым выходом, который вступает в свои права после активации в «драйверном» микшере. За все приходится платить, в том числе - за полватта мощности, вкачиваемой в низкоомные наушники. А за дополнительно-бесплатное усиление мощности для пассивной акустики приходится расплачиваться качеством звука. На некоторых системных платах имеются переключатели line out/speaker out. В целом звук в согласованных по сопротивлению наушниках гораздо лучше, чем ожидалось. Забив «виндовые» звуковые примочки и добавив громкости, на некоторых «бортовухах» можно без проблем послушать, какие электрические шумы издает при работе тот или иной элемент персоналки.

Прочие странности

Не исключена весьма заметная чувствительность к вибрациям и толчкам. Не долбите во время записи по корпусу или клавиатуре (если она и корпус располагаются на одном столе).

Вместо заключения

  • Народный звук в 24 бита сегодня - это маркетинговая уловка чистой воды. 24 бита полностью оправдывают себя только для записи (а вот этого-то новые продукты Creative, к великому сожалению, и не умеют - специально проверял), когда трудно предугадать, насколько сильно прыгнет уровень сигнала в тот или иной момент. Предлагается не бежать впереди паровоза, а подождать снижения цен и желанной экспансии истинно 24-битных носителей звука.

  • Значимость SNR -100 дБ сильно преувеличена. Чуть сдвиньте ползунок в микшере - и получите -90 дБ на той же звуковой карте. Реальный сигнал шум -80…-90 дБ в конкретном компьютере предпочтительнее рекламируемого стерильно-стендового -100 дБ.

  • Частота сэмплирования 96 кГц может быть полезна - поэкспериментировать, для тренировки слуха. Опять-таки, при воспроизведении на скромной бюджетной акустике это не актуально.

Встроенные звуковые карты (на кодеках АС97)

  • «кот в мешке» по качеству звучания и обещанным наворотам. Без проверки на вшивость однозначно не рекомендуются для путной записи из-за (того или иного, или всего вместе) излишне курчавой АЧХ, неприличных искажений и высоковатых шумов.

  • более чувствительны к паразитным шумам и наводкам от «засланных казачков». Требуется поэлементная верификация перед сборкой или проверка «новичков» на уживчивость при апгрейде.

  • на удивление неплохой микрофонный вход. Остается лишь разориться на адекватный микрофон.

  • склонны к смещению нуля (причем вразнобой с левым и правым каналами), особенно на выходе Stereo MIX.

  • задействование аппаратных 3D-эффектов на полную катушку чревато жуткими призвуками.

Сухой остаток

  • Не хотите со всем этим возиться? Берите обычный SB Live! от Creative, благо цена на него упала до 35 долларов.

  • Нравится решать трудные задачки? Что ж, попробуйте найти материнскую плату с нормальным интегрированным звуком (наиболее грамотно обходится со встроенным звуком в своих платах компания Intel, но они не пользуются большим спросом по другим причинам).

P. S. Тему цифровых выходов оставим до лучших времен.


Источники

  1. Steven Harris & Clif Sanchez «Personal Computer Audio Quality Measurements».

  2. Bob Katz «How to make better recordings in the 21st century. An integrated approach to metering, monitoring snd leveling practices».

  3. www.sigmatel.com/audio/audio-codec-br.htm.

Производителям звуковых карт распространение интегрированного звука явно не по душе. Чем заманить покупателей? Нам, например, хорошо известны шаги компании Creative: новый звуковой процессор Audigy, дополнительный контроллер IEEE1394, декодирование Dolby Digital как стандартная возможность, кодеки 24 бит/96 кГц. Однако новейшими игровыми эффектами и дорогим DSP ныне много внимания не привлечешь - разработчики компьютерных игр неповоротливы, и EAX Advanced HD продвигается на рынок очень медленно.

По-настоящему потребитель клюнул только на магию чисел «24 бит/96 кГц». Впечатляют всех и вся - раз, придают солидности владельцу - два, звука шибко не ухудшают - три… А главное - поди проверь эти параметры. Ни ухом, ни чем другим (что под рукой у массового юзера) их не оценишь. Чтобы у въедливой публики не возникло желания что-либо проверять-тестировать, лепим под лихой надписью «24 бит» бирочку «непревзойденное отношение сигнал/шум 100 дБ» - и дело в шляпе.

В материалах «Ваудижи» (см. «КТ» #35[412] или www.ferra.ru/online/multimedia/12675) и «Приятная наружность» («КТ» #10[437] или …/16796 там же) мы уже довольно подробно разбирались, что стоит за лого «24 бит/96 кГц» в реальных продуктах под управлением конкретных драйверов. Здесь же давайте коснемся некоторых теоретических положений.

При регистрации сигнала в цифре ключевую роль играет такой параметр, как частота дискретизации. Верхний предел рабочего диапазона частот теоретически равен половине частоты дискретизации. Соответственно, чем она больше, тем шире диапазон записываемых/воспроизводимых частот. Например, при частоте дискретизации 96 кГц рабочий диапазон будет простираться до 48 кГц.

Еще один ключевой параметр - динамический диапазон, который свидетельствует о потенциально достижимой амплитуде сигнала. Величину динамического диапазона можно оценить числом битов или выразить в относительных единицах измерения - децибелах (дБ). Децибел штука коварная, поскольку привязана к логарифмической шкале, а значит - нелинейная. Если измерять по линейной шкале, то для 16-битного сигнала амплитуда может изменяться (целочисленно) в пределах от -32768 до +32767. В децибелах это - 20log((32767-(-32768))/1), то есть около 96. На единицу делим формально, чтобы подчеркнуть, что опорный уровень равен круглой единице. Меньше быть не может в принципе, ведь обычный цифровой сигнал имеет формат целых чисел. Для 24-битного представления сигнала динамический диапазон теоретически составляет 144 дБ. На практике ни одно устройство, в том числе и аналоговое, своего теоретического диапазона не достигает. Очень хороший усилитель мощности перешагивает за 90 дБ. Лучшие микрофоны обладают динамическим диапазоном до 140 дБ. Необходимо отметить, что разница в громкости между комариным писком и ревом взлетающего авиалайнера составляет около 120-140 дБ. Фактически 24-битный сигнал обеспечивает предельный для человеческого слуха размах амплитуды звука. Однако чтобы зарегистрировать такой цифровой сигнал, необходимо использовать полноценный 24-разрядный АЦП. Сейчас широко используются недорогие так называемые дельта-сигма-АЦП, принцип действия которых основан на хитром эффекте. Не углубляясь в подробности, скажу, что динамический диапазон у таких псевдо 24-разрядных АЦП и ЦАП при самых лучших раскладах еле-еле переваливает за 100 дБ.

Что такое отношение сигнал/шум (signal to noise ratio, SNR) и с чем его едят? И что за загадочная буква «А» маячит после «дБ»? Начну с последнего. Надпись «дБ(А)» означает, что при измерении сигналы обрабатывались взвешивающим фильтром [1], которому умышленно придали ну очень негладкую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Такая обработка точнее отражает восприятие звука человеком и дает заметно более высокое (этак на червончик децибел) значение отношения сигнал/шум. А об оценке SNR в звуковых картах подробно читайте в полной версии статьи на сайте Ferra.ru.

Уменьшение амплитуды в два раза в децибелах выражается скромным значением -6 дБ. Самый громкий оцифрованный в 16 бит полярный сигнал будет иметь пиковую амплитуду 216-1=32768 в абсолютном значении. Текущую амплитуду можно измерять относительно (в материальном мире все относительно) опорного уровня, равного максимально достижимой амплитуде, или другими словами, полной шкале. Тогда самая большая пиковая амплитуда будет 20log(32768/32786)=0 дБ (FS). Здесь FS означает full scale - полная шкала. В отличие от аналоговой, в цифровой технике «плюсовых» дБ (FS) не бывает по определению. Теперь возьмем сигнал чистого тона с большой амплитудой (в пике под 0 дБ FS) и с помощью саунд-редактора уменьшим амплитуду вдвое, получив в пике -6 дБ. Очень заметно на слух! - скажете вы и будете совершенно правы. Чудесно, а теперь возьмем ослабленный сигнальчик этого же тона, не более -60 дБ в пиковой амплитуде, и тоже уменьшим вдвое, соответственно получив -66 дБ. Ё-моё! Что-то вообще ничего ни слыхать: ни того сигнала, ни другого! Не беда, выкрутим громкость до упора… Ага, сигнальчики прорезались, но только почему-то на слух разница неубедительная: то ли есть, то ли нету. Отсюда следует важный вывод. Разница в 1-6 дБ сама по себе ни о чем не говорит! Для мощных сигналов она будет заметна, а для очень тихих - нет. Эх, жаль, сравнение на слух двух звуковых сигналов с разницей несколько децибел в значениях отношения сигнал/шум не корректно в принципе (у каждой звуковой карты проявятся персональные искажения иной природы), а то было бы очень кстати убедиться, что снижение величины сигнал/шум, например, с -85 до -90 дБ представляет интерес исключительно для самих разработчиков.

И напоследок еще два замечания по поводу бирки «24/96». Во-первых, абсолютное большинство непрофессиональной музыки по-прежнему записывается в режиме 16 бит/44,1 кГц. На DVD-Video по умолчанию звуковая дорожка в формате Dolby Digital дискретизирована с частотой 48 кГц, а вот по битам - «война в Крыму, все в дыму». Чувствуется, что динамический диапазон расширяется в основном за счет LFE-канала. Да, декомпрессия из Digital Dolby 5.1 позволяет воспроизводить как очень тихие, так и очень громкие звуки. Но какие при этом возникают динамические искажения - большой вопрос. Во-вторых, чтоб вкусить всю прелесть натуральных «24 бит/96 кГц», понадобятся акустические системы и усилительная аппаратура подороже среднестатистического персонального компьютера.

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.