Звуковые карты: от внутренних к внешним. Часть I: Немного истории и теории

Краткий экскурс в историю звуковых контроллеров, а также некоторые технические моменты, поясняющие работу современного мультимедийного оборудования.

Невозможно представить себе современный компьютер, не умеющий воспроизводить звук, однако всего пятнадцать лет назад единственным "голосом" машины был писк системного динамика-"пищалки". А ведь именно компьютерный звук породил такое явление как мультимедиа, объединившее в себе все виды подачи компьютерной информации - от текстов и статичной графики до цифрового видео с многоканальным звуковым сопровождением.

Удивительно, но даже само понятие "мультимедиа" в его нынешнем значении появилось лишь в начале девяностых годов XX века, а в семидесятые годы так называли музыкальные программы с красочным световым представлением, которые проводились в западных ночных клубах. Первый стандарт на мультимедийный компьютер (MPC-1) был опубликован в 1990 году, а последним таким стандартом стал MPC-3, представленный в 1995 году. Он, в частности, предусматривал наличие в мультимедийной машине привода CD-ROM и звуковой карты с 16-разрядным представлением звукового сигнала.

Первые компьютерные "звуковушки" появились в конце восьмидесятых годов прошлого века, причем в ряды разработчиков этих устройств входили как фирмы, специализирующихся на электронных музыкальных инструментах (например, Roland и Yamaha), так и компании, занимающиеся выпуском компьютерных комплектующих, среди которых была и сингапурская Creative Labs. Именно этой компании было суждено в корне перевернуть представление о звуке на персональном компьютере, а начало этой мультимедийной революции было положено в 1988 году, когда на рынке появилась стереофоническая звуковая карта Game Blaster, рассчитанная на использование с компьютерными играми. Однако эта карта была слишком дорогой и звучала не слишком хорошо. Гораздо большим спросом пользовалась карта канадской фирмы Ad Lib, в которой использовался FM-синтезатор Yamaha YM3812, применявшийся ранее в детских музыкальных игрушках. Дело кончилось тем, что Creative купила лицензию на этот чип, который и стал основой легендарного Sound Blaster. Помимо прочего, эта карта была снабжена интерфейсом MIDI, и в таком виде она была включена в стандарт MPC-1.

Тогда же встал вопрос об аппаратной совместимости звуковых контроллеров различных производителей, поскольку карты разных фирм использовали разные прерывания и адреса портов ввода-вывода. Фактическим стандартом из-за широкого распространения карт все той же фирмы Creative стал Sound Blaster. Более того, при переходе с шины ISA на шину PCI для обеспечения обратной совместимости потребовалось организовать эмуляцию DMA, поскольку Sound Blaster, как и другие старые карты, передавал звуковые данные по каналу DMA. На программном уровне совместимость звуковых карт впоследствии обеспечил API (программный интерфейс) DirectX вездесущей компании Microsoft, через который различные мультимедийные приложения обращаются к аппаратному обеспечению.

Для понимания дальнейшего изложения необходимо кратко остановиться на том, что представляет собой цифровой звук, с которым работает персональный компьютер. Как известно, звук - это механические колебания определенной частоты, передающиеся через воздух и некоторые другие среды, а также тела. Для того чтобы звук был услышан человеком, эти колебания должны иметь определенную частоту, а именно от 16 до 20000 Гц. Длительное время считалось, что человек не слышит звук частотой выше 20 кГц, однако последние исследования показали, что организм воспринимает звуки и более высокой частоты, которые формально относятся к ультразвуку. Именно поэтому новейшие форматы звукозаписи DVD-Audio и SACD предусматривают запись сигнала с частотой до 100000 Гц.

Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний: чем больше амплитуда, тем выше громкость или динамический диапазон, измеряемый в децибелах (дБ). Болевой диапазон для человека составляет порядка 120-140 дБ, а звук с громкостью не более 20 дБ воспринимается как еле слышный. Оцифровка аналогового звука как раз и имеет дело с частотой колебаний и их амплитудой; на выходе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) мы получаем двоичный код, описывающий динамический диапазон и частоту колебаний в конкретный момент времени. Согласно теореме Котельникова, для точной передачи звука частота оцифровки (дискретизации или сэмплирования) должна не менее чем вдвое превышать высшую частоту аналогового сигнала. За динамический диапазон отвечает разрядность: восьмибитная запись "порадует" нас всего 48 дБ, зато 16-битная - уже 96 дБ, чего более чем достаточно для записи электронной и рок-музыки и даже для весьма качественной оцифровки симфонических произведений. Именно поэтому в свое время для записи на компакт-дисках были выбраны частота дискретизации 44100 Гц, с запасом обеспечивающая воспроизведение частот до 20000 Гц, и разрядность 16 бит. Эти же значения являются минимально допустимыми для современных компьютерных звуковых карт. Теоретически, чем выше частота дискретизации и разрядность, тем выше качество звуковой карты.

Впрочем, есть целая масса нюансов. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что заявленная разрядность 16 бит охватывает динамический диапазон 96 дБ лишь в теории, поскольку ошибки, возникающие по причинам технологического характера как при записи, так и при воспроизведении звука, в действительности способны сузить этот диапазон до 75-80 дБ. В нашем случае многое зависит от класса используемых в карте аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также от качества разводки аналоговых цепей, поэтому при равных заявленных параметрах дорогие профессиональные карты звучат значительно лучше, чем массовые мультимедийные модели. Интересующиеся могут прочитать об этом в многочисленных тестах звуковых карт.

Помимо оцифровки аналогового сигнала и воспроизведения цифровых звукозаписей звуковые карты осуществляют еще одну важную функцию, а именно синтез звука. Еще можно найти устаревшие карты, в которых синтез звука осуществлялся исключительно FM-генераторами. Качество звучания таких карт чрезвычайно посредственно, поэтому их полностью вытеснили модели на основе таблично-волнового синтеза (WT-синтеза), воспроизводящие заранее записанные образцы ("сэмплы") звучания тех или иных инструментов. Ранее из-за низкой пропускной способности шины ISA производители устанавливали микросхемы памяти с наборами ("банками") сэмплов непосредственно на карты, однако после перехода на более быструю шину PCI появилась возможность хранить эти наборы звуков в системной памяти компьютера. Это дало возможность увеличить размеры сэмплов, их количество и качество, что позволило существенно повысить качество звучания.

Схожее воспроизведение одинаковых музыкальных фрагментов на разных картах при помощи WT-синтеза обеспечивает стандарт General MIDI, который первоначально разрабатывался для электронных музыкальных инструментов и студийного профессионального оборудования. По 16 MIDI-каналам передается управляющая информация (или MIDI-сообщения), в число которой, помимо прочего, входят команды воспроизвести ту или иную ноту с той или иной громкостью тем или иным инструментом. Позднее появились расширения этого стандарта - GS MIDI (разработчик - компания Roland) и XG MIDI (разработчик - Yamaha), обратно совместимые с General MIDI. Реализация стандарта MIDI в звуковых картах как раз и позволила превратить персональный компьютер в домашнюю студию звукозаписи. В мультимедийных звуковых картах, как правило, отсутствуют стандартные пятиштырьковые MIDI-разъемы типа DIN (если помните, именно такие разъемы применялись в аудиоаппаратуре производства СССР и некоторых стран "социалистического лагеря"), и для подключения, скажем, клавиатуры, используются переходники MIDI-игровой порт. В полупрофессиональных картах MIDI-порты обычно выносятся на внешний коммутационный блок, а в профессиональных звуковых картах их может и не быть вовсе, как, впрочем, и WT-синтезатора, поскольку в компьютерных студиях этого класса применяются отдельные MIDI-интерфейсы и внешние синтезаторные блоки.

Обязательным компонентом современной звуковой карты является DSP - цифровой сигнальный процессор или, как его часто называют, "процессор эффектов". Формальное предназначение этой микросхемы - управление обменом данных между компонентами карты, а также обеспечение подключения к шине PCI. Фактически же DSP является центром мультимедийного звукового адаптера и отвечает, помимо упомянутого выше, и за всевозможные звуковые эффекты в компьютерных играх и в записываемой и воспроизводимой музыке. Самой распространенной технологией эффектов, используемой в DSP, является EAX, применяемая в процессорах семейства Audigy. Если в первых микросхемах Audigy поддерживалась EAX версии 2, то в картах Audigy 2 ZS заявлена совместимость с EAX4.

Сегодня мы на этом остановимся, а в следующей части речь пойдет о том, каких высот совершенства достигли современные звуковые карты, а также о новейших полнофункциональных внешних "звуковушках", позволяющих реализовать самые различные мультимедийные возможности даже в легких субноутбуках.