Zvukové Karty

Zvuková karta je rozšiřující karta počítače pro vstup a výstup zvukového signálu, ovládaná softwarově. Typická zvuková karta obsahuje zvukový čip, který provádí digitálně-analogový převod nahraného nebo vygenerovaného digitálního záznamu. Tento signál je přiveden na výstup zvukové karty (většinou 3,5mm jack-sluchátkový). Zvuková karta také má „line in“ konektor, do kterého je možné připojit kazetový přehrávač nebo podobný zdroj zvukového signálu. Zvuková karta tento signál digitalizuje a uloží (pomocí příslušného počítačového programu) na úložiště dat. Digitalizace se provádí pomocí vzorkování. V každém časovém intervalu se zjistí a zaznamená aktuální stav signálu neboli vzorek. Čím kratší je interval mezi vzorkováním, tím vyšší je vzorkovací frekvence, tím více vzorků bude pořízeno a tím bude výsledný záznam kvalitnější. Druhý faktor, který určuje kvalitu digitálního signálu, je počet použitých úrovní v každém ze vzorků. Nejčastěji používané vzorkovací frekvence: 11025 Hz (telefonní kvalita), 22050 Hz (rádio kvalita), 44100 Hz (CD kvalita), 48000 Hz, 96000 Hz. Počet bitů na jeden vzorek je většinou 8, 16 nebo 24. Třetí konektor, který většina zvukových karet má, se používá k přímému připojení mikrofonu. Signál z něj je možné také nahrávat na úložiště dat nebo ho jinak zpracovat (např. software na rozpoznávání hlasu nebo VoIP). Většina zvukových karet má také MIDI a GamePort konektor. Konektor MIDI slouží k připojení např. elektronického klávesového nástroje nebo jiného zdroje digitálního MIDI signálu. Pokud nahráváme z MIDI, tak nemusíme provádět vzorkování. Do počítače se uloží informace o tom, který nástroj hraje, výška tónu, délka tónu, dynamika úhozu na klávesu, atd. Rozhraní GamePort slouží k připojení joysticku nebo jiného herního zařízení. Starší zvukové karty také měly IDE rozhraní. To sloužilo k připojení CD-ROM mechaniky, ale v dnešní době již nemá opodstatnění, protože moderní počítače jsou vybaveny EIDE, SATA nebo SCSI rozhraním, které umožňuje připojit více zařízení. Pokud je v počítači zvuková karta i CD-ROM mechanika, mohou se propojit pomocí tzv. audio kabelu, ten je však v dnešní době již zbytečný, jelikož většina zvukových přehrávačů se obejde bez něj. Toto spojení umožňuje přenášet analogový nebo digitální zvukový signál z CD-ROM mechaniky do zvukové karty a tak je možné poslouchat hudební CD ze stejných reproduktorů jako zvuk z počítače.

Zvuková karta 5.1

Zvuková karta 4.1

Historie

V době, kdy vznikaly první osobní počítače, nikoho ani nenapadlo nějak je spojovat se zvukem nebo hudbou. Tyto počítače primárně sloužily k zrychlení a ulehčení práce člověka a ne k zábavě. Mnozí se na počítač dívali pouze jako na "počítací stroj". První pokusy o zvukový výstup z počítače byly realizovány většinou pomocí telefonního sluchátka nebo podobného zařízení s příslušným jednoduchým obvodem. Příkladem je počítač Sinclair ZX Spectrum nebo tzv. PC speaker PC-kompatibilních počítačů. Následovalo období, kdy součástí desky uvnitř počítače byl speciální čip, který se staral výhradně o zvuk a jehož výstup byl veden do televizoru, monitoru nebo externího zesilovače. Příkladem jsou počítače Sinclair ZX Spectrum 128, Commodore 64 nebo Commodore Amiga. O zvukové kartě se mluví od chvíle, kdy se obvody a čipy, které se starají o zvuk, začaly umisťovat na samostatný plošný spoj, tzv. kartu, která se zasouvá do základní desky (motherboardu) počítače. Jeden z prvních výrobců zvukových karet pro IBM PC byl AdLib, který vyráběl zvukové karty založené na zvukovém čipu Yamaha YM3812, neboli OPL2. Toto byl v podstatě standard, až do doby než Creative Labs vyrobila zvukovou kartu Sound Blaster, která měla čip YM3812 a zvukový koprocesor (pravděpodobně Intel mikrokontrolér), který Creative nazýval „DSP“, což byl první procesor na digitální signál. Několik roků uplynulo, než Creative vytvořil kartu, která uměla zároveň nahrávat a také přehrávat zvuk. Díky Sound Blasteru, první levné CD-ROM mechanice a vývoji video technologie začala nová éra počítačových multimédií. Uživatel si mohl spustit hudební CD, nahrávat dialogy do počítačových her nebo přehrávat filmy (zatím pouze krátké klipy a ve velmi špatné kvalitě, nesrovnatelné s moderním digitálním videem). Starší zvukové karty neuměly nahrávat a přehrávat současně. Většina dnešních zvukových karet je plně duplexní. Určitým "protimluvem" jsou tzv. integrované zvukové karty, které jsou např. z důvodu úspory místa nebo peněz přímo součástí základní desky. První karty tohoto typu se objevily koncem 90. let 20. století. Jedná se většinou o čip Intel AC97. Někteří výrobci využili levný ACR slot.

Barevné označení vstupů a výstupů zvukové karty

Barevné označení vstupů a výstupů zvukové karty u většiny zvukových karet vyrobených po roce 1999 odpovídá standardu PC 99 firmy Microsoft pro barevné označení externích konektorů.

Vývoj zvukových zařízení u PC

Na začátku éry IBM PC moc důvodů k radování se ze zvukového projevu nebylo, protože dlouhou dobu kraloval pouze PC Speaker, tedy jednoduchý reproduktorek, jenž stačil leda tak na občasné pokusy o jednoduchou hudbu. Ten je totiž schopen přehrát pouze jeden tón v jeden čas, čímž si vysloužil přezdívky jako PC Squeaker. I tak však schopní lidé dokázali z jednoduchého reproduktorku vyloudit zajímavý přednes, především s použitím rychle se měnících not (arpeggio), které se díky lidskému vnímání zvuku téměř slévají dohromady a výsledek se dokonce i dá poslouchat. Další techniky, jako PCM (Pulse-code modulation), dokázaly z PC Speakeru dostat maximum. Nyní můžeme nostalgicky vzpomenout na adventury od Lucasarts, nebo řadu Pinball Dreams, Fantasies, etc. Některé hry dokonce pomocí této techniky nabídly i reprodukci hlasu. Po nástupu prvních zvukových karet, které se objevily v pozdních 80. letech, se z PC Speakeru, do té doby jediného možného zvukového zařízení, jemuž se majitelé počítačů Amiga nebo Commodore mohli ze srdce vysmát, rázem stal směšný nástroj minulosti a dnes, pokud jej někdo vůbec má zapojený, slouží toliko k reprodukování signálů o případných chybách při POSTu. Na některých deskách se s ním můžeme také setkat v podobě integrovaného piezo reproduktoru. Než se ale objevily první zvukové karty, byly tu i jiné pokusy s cílem získat z tehdejších možností osobních počítačů IBM maximum, k čemuž mohl pomoci paralelní port a jeho schopnost přenášet osm bitů najednou. Firma Covox tedy přišla se svým zařízením, které využívalo tohoto portu a pomocí jednoduchého plošného spoje jste si mohli za $70 užívat lepšího zvuku, pokud to ovšem vaše hra podporovala. O něco lepší zařízení s vestavěným zesilovačem představila i firma Disney a nazvala je Disney Sound Source.

IBM Music Feature Card

Do vývoje zvukových karet se také vrhla firma IBM, tedy samotný výrobce počítače PC. Ta spolu s Yamahou založila podnik, který vyvinul kartu s názvem IBM Music Feature Card. Ta obsahovala čip Yamaha FB-01, jehož vlastnosti také plně využívala. Bylo to osm FM stereo hlasů a rozsáhlá knihovna tří stovek kvalitních elektronických nástrojů. Úspěchu této karty u široké veřejnosti však bránily dvě podstatné záležitosti. První z nich je fakt, že neexistovalo moc herních titulů, které by ji podporovaly a existovalo velice málo firem, jež se rozhodly pro ni tvořit. Mezi ně sice patřily společnosti Sierra a Microprose, což nebylo k zahození, ale pokud vezmeme v úvahu i druhou nevýhodu, tedy prodejní cenu kolem 600USD, pak se není čemu divit, že karta se téměř ani nedostala do podvědomí uživatelů a dnes si na ni vzpomene málokdo. Společnost IBM se však nevzdávala a stále hledala cestu, jak by mohla lépe konkurovat zabydleným domácím počítačům, jako Commodore C64, jejichž obrazových a zvukových kvalit v té době základní PC ještě nedosahovala. Zrodilo se PC Junior (PCJr) s procesorem Intel 8088, 64kB paměti na desce a CGA Plus grafikou, jehož kvality byly sporné, ale přesto tento počítač měl podstatně lepší zvukovou výbavu, než jakou se klasická PC mohla pochlubit. IBM využilo čipu od výrobce Texas Instruments – modelu SN76489. Tento čtyřkanálový čip obsahoval tři programovatelné generátory tónů a také programovatelný generátor bílého šumu (můžete si poslechnout ukázku ze serveru Wikipedia /ogg/). Tento šum se využívá k syntéze nástrojů, především bicích. Dále zde byla možnost programovatelného zeslabení signálu a co se týče samotného výstupu, pak ten byl mono. PCJr byl však firmou IBM stáhnut z důvodu špatné rozšiřitelnosti, protože tento počítač neznal přídavné karty, ale přídavné moduly, které se instalovaly do přední části počítače.

Srovnávací test zvukových karet

V dnešní době je na zvukovou kartu kladeno množství požadavků, konkretizovat je lze pouze dle předpokládaného použití zvukové karty. Například pro hráče počítačových her není až tak podstatná věrnost přednesu a odstup signálu od šumu, jako spíše zatížení procesoru při generování efektů ve více než dvoukanálovém režimu. Zcela jinak je to u uživatelů, kteří si na kvalitní poslech potrpí. Těm jsou všemožné druhy efektů k ničemu, zajímat by je měla hlavně kvalita použitých D/A (digitálně analogových) převodníků a analogových obvodů karty. Vytížení procesoru při přehrávání zde vzhledem k výkonům dnešních počítačů na rozdíl od předchozího případu také nehraje podstatnou roli. Další skupinou (mnohem menší než předchozí) jsou hudebníci a nahrávací studia. Tato skupina lidí má nejvyšší nároky na kvalitu nejen D/A, ale i A/D (analogově digitálních) převodníků a příslušných analogových obvodů. Potřebují totiž zaznamenat přesně to, co nástroj vyloudí a mikrofon zachytí. Karta toho musí i co nejméně přidat. Tím myslím hlavně šum a zkreslení. Dalším specifickým požadavkem této skupiny je velký počet nahrávacích vstupů, což je důležité, aby se každý nástroj dal zaznamenávat odděleně a pak teprve mixovat například do sterea.

Frekvenční charakteristika Říká nám, v jakém kmitočtovém pásmu je zvuková karta schopná přenášet signál. Konec a začátek této charakteristiky určují body s poklesem úrovně o 3dB (to je polovina původní hodnoty). S tímto parametrem nemají dnešní karty téměř bez výjimky problém. Pro běžný poslech lze uznat i zvlnění charakteristiky o 2dB, poslechová místnost a samotné reprosoustavy totiž nikdy nemají rovnou kmitočtovou charakteristiku; nejsou neobvyklé rozdíly 6-10dB. Teď se samozřejmě nejedná o speciálně akusticky upravené místnosti. Pro hudebníky a studiové použití je potřeba charakteristika pokud možno dokonale rovná.

Dynamický rozsah Uvádí se v dB a říká nám, jaký rozdíl mezi nejnižší a nejvyšší výstupní (vstupní) hodnotou dokáže karta zpracovat. Zespodu je tato hodnota omezená šumem a zeshora maximálním možným napěťovým rozkmitem výstupních (vstupních) obvodů a samozřejmě i převodníků. Podstatnou roli hre i počet bitů převodníku, u 24Bit převodníků tato hodnota může teoreticky dosáhnout až cca 145dB, ovšem jsme omezení právě tím šumem.

Zkreslení U zkreslení se uvádí několik druhů. Jako první uvedu harmonické zkreslení (THD), definovat se dá tak, že při přivedení nějakého sinusového signálu dostaneme na výstupu tentýž signál, ovšem nějak deformovaný. U dnešních zařízení se dá toto zkreslení zanedbat, dosahuje totiž velmi nízkých hodnot v desetinách, avšak spíše setinách a tisícinách procent. Dokonce se uvádí, že ucho není schopno postřehnout toto zkreslení nižší než asi 0,5%. Zcela jiná situace ovšem nastává u intermodulačního zkreslení (IMD), které vzniká při přivedení dvou signálů. Tyto signály se smíchají, sečtou a odečtou, čímž vznikají kmitočty nové, v původním vzorku neobsažené. Toto zkreslení je vnímáno lidským uchem velmi citlivě, zde je dobré se zaměřit na pokud možno co nejnižší hodnotu. Druhů zkreslení je povícero, ovšem zde se jimi zabývat nebudu, bylo by to na samostatný a dost dlouhý článek.