TC NOVA GORICA Vija strokovna ola olsko leto 2012/2013

Seminarska naloga

ZVONA KARTICA

AVTOR: Matja Batisti PROGRAM: Informatika PREDMET: Osnove zgradbe in delovanje raunalnikih sistemov RAZRED: 1. ciklus PREDAVATELJ: Simon Abolnar univ.dipl.in Nova Gorica, April, 2013

POVZETEKDandanes je e povsem samoumevno, da na raunalnik vsebuje tudi zvono kartico. Vse bolj se uveljavlja standard, da je zvona kartica e integrirana na matini ploi, saj tako kupcu predstavlja eno skrb manj. Tako je izbira zvone kartice prepuena izdelovalcu matine ploe. Kdor se pa odloa za nakup zvone kartice mora poznati vsaj nekaj znailnosti zvonih kartic.

KLJUNE BESEDEZvona kartica, Sound card Integrirana kartica, notranja kartica, zunanja kartica Nain priklopa (PCI, USB, FW, PCI-E, ExpressCard) Konektorji (TRS, Cinch, XLR, ADAT, MADI, MIDI, SPDIF) DSP (Digital Sound Processor), AD/DA (Analog-Digital / Digital-Analog) ASIO, CoreAudio, GSIF, WDM, DirectSound

2

KAZALO:1. 2. 3. 4. 5. UVOD ................................................................................................................................. 4 KAJ JE ZVONA KARTICA ............................................................................................ 5 ZGODOVINA ZVONIH KARTIC .................................................................................. 6 ZASNOVA ......................................................................................................................... 9 INTEGRIRANA, NOTRANJA IN ZUNANJA ZVONA KARTICA ........................... 10 5.1 5.2 5.3 6. INTEGRIRANA ZVONA KARTICA ................................................................... 10 NOTRANJA ZVONA KARTICA .......................................................................... 11 ZUNANJA ZVONA KARTICA ............................................................................ 12 PRIKLOP NOTRANJE ZVONE KARTICE ......................................................... 13 PRIKLOP ZUNANJE ZVONE KARTICE ............................................................ 13

VRSTE PRIKLOPA ......................................................................................................... 13 6.1 6.2

7.

VHODNO-IZHODNI KONEKTORJI ............................................................................. 14 7.1 7.2 ANALOGNI KONEKTORJI .................................................................................... 14 DIGITALNI KONEKTORJI ..................................................................................... 14

8. 9.

DSP ZA AD/DA ............................................................................................................... 16 ZNAILNOSTI ................................................................................................................ 16 9.1 9.2 PROTOKOL ZA DELOVANJE ZVONIH KARTIC ............................................ 16 NAPAJANJE ............................................................................................................. 17 ZAKLJUEK ................................................................................................................ 18 VIRI ............................................................................................................................... 19

10. 11.

3

1.

UVOD

V svetu multimedije se zvona kartica smatra kot eden izmed najpomembnejih sestavnih delov raunalnika. Tako ob dandananji poplavi tehnologije nimamo skrbi, da ne bi nali tudi primerne zvone enote za nae potrebe. Zvona kartica ostaja povsem samosvoja izbira raunalnike komponente, katera se odraa na nae potrebe, zahteve ter seveda premoenje. Kljub temu, da digitalna audio tehnologija ni verajnji pojav, saj se na trgu pojavlja od prve zvone kartice, ki se jo lahko tako poimenuje v letu 1987, pa kasneje v prvem digitalnem zapisovalniku ADAT, po katerem je e danes poimenovan en izmed najbolj pomembnejih audio prenosnem protokolu iz leta 1991 pa ostaja izredno audio tehnologija izredno drag hobi. S tem imamo na triu zvone kartice za povsem navadnega uporabnika, katerega zahteve so minimalne (ponavadi stereo predvajanje glasbe), do igriarskih kartic z Dolby Surround podporo. Kdor se pa z audiem ukvarja resneje, posega po bolj zmogljivejih, predvsem pa kvalitetnejih kartah. Najpogosteje so to glasbeni studiji katerih proraun glede na potrebe ni majhen, tega pa se drijo tudi proizvajalci zvonih kartic. Najveji problem ostaja v softverskem okolju, predvsem zaradi routinga kanalov ter latence. Latenca pa postaja tudi hardverski problem, katero se zmanjuje z izredno dragimi AD/DA (analog to digital / digital to analog) pretvorniki, katerim se cena za nekaj mikrosekund zvia tudi za nekaj tiso eurov. V zadnjem asu postajajo vse bolj priljubljene zunanje zvone karte, ki se lahko tudi glede hitrosti in prenosa podatkov e primerjajo z notranjimi, hkrati pa z njmi ni teav pri prenosnih raunalnikih. Zaradi neomejene velikosti omogoajo veje tevilo konektorjev, ena najvejih prednosti pa je precej manji Noise ratio, kateri doloa mero uma, ki ga elektronsko vezje povzroa. Glede uma so zagotovo na najslabem mestu integrirane zvone, katerim se preko matine dovaja praktino ves brum raunalnika. Njihova najveja prednost je obiajno majhna latenca, s katero se ponaajo tudi PCI zvone. PCI zvone postajajo neka vmesna mera za dobro zvono kartico. Imajo majhnen zakasnilni as, hkrati pa so nekoliko odmaknjene od glavnega mosta, torej niso toliko izpostavljene umu. Vse bolj so v navadi kombinacija notranje zvone z zunanjim modulom, kar omogoa majhno latenco zaradi PCI priklopa ter minimalen um zaradi zunanje enote. Izbira prave zvone kartice pa na koncu ostaja v rokah operacijskega sistema. Najve protokolov imajo MS Windowsi, pomemben podatek pa je, e smo lastniki Applovega raunalnika, kateri podpira le svoj CoreAudio protokol in nobenega drugega.

4

2.

KAJ JE ZVONA KARTICA

Zvona kartica je raziritvena kartica, ki se veinoma uporablja v osebnih raunalnikih ali v raunalnikih sistemih za zvono produkcijo. Dandanes jo sicer dobimo e vgrajeno na nai matini ploi, a za ljubitelje glasbe slednja ne bo dovolj. Njen namen je predvajanje zvoka, za kar pa potrebujemo e izhodno napravo. V zvono kartico lahko prikljuimo zvonike, slualke ali pa celo ojaevalec oziroma HI-FI sistem. Sodobne zvone kartice imajo tudi vhod za mikrofon, kar pomeni, da so omogoajo tudi zajemanja zvoka.

Slika 1: Zvona kartica z monimi priklopi

5

3.

ZGODOVINA ZVONIH KARTIC

Torej vse skupaj se je zaelo nekje med letoma 1981 in 1982, ko so na triu pojavili prvi osebni raunalniki podjetja IBM. Ti raunalniki sistemi, so imeli vgrajen sistemski zvonik in integrirano vezje, ki sta omogoala iztisniti le en pisk na enkrat, je pa ta lahko pisknil na razlinih frekvencah. Leta 1983 je podjetje IBM predstavil dva nova modela PC Junior, z okrajavo PCjr, in Tandy 1000, ki je bil praktino njegov klon. Izboljava na podroju zvoka je bil troglasni zvoni ip, ki je lahko piskal s tremi razlinimi frekvencami naenkrat, imel je e kontrolo glasnosti in generator uma. Z novo pridobitvijo, so lahko uporabniki iztisnili priblino dober zvok, saj ip ni dobro deloval na nizkih frekvencah. Z letom 1984 so na trie prili novi raunalniki in z njimi tudi Music Construction Set, program s katerim so lahko uporabniki sami sestavljali glasbo oziroma akorde v tako imenovanem primi spusti nainu. Nekateri raunalniki so dobili tudi tiriglasne zvokovne ipe.

Slika 2: Music Construction Set Po letu 1984 je na podroju raunalnikega zvoka nastalo kraje zatije, ki je trajalo vse do leta 1986. Tistega leta je podjetje Mindscape predstavilo svoj novi program imenovan Bank Street Music Writer. Program je bil namenjen IBM-ovim raunalnikom in sicer PCjr-u ali njegovim naslednikom. Sicer pa so ga lahko uporabljali tudi ostali uporabniki, ki so za to morali kupiti e temu namenjeno raziritveno kartico, ki so jo poimenovali Mindscape Music Board. Ta kartica je bila novost na tem podroju, saj je znala predvajati est frekvenc istoasno. Novost je bila tudi ta, da je bila sposobna generirati sinusni signal, ki ga prejnje kartice niso znale. Namre, generirale so digitalni oziroma kvadraten signal. Toda vsaka dobra stvar ima tudi kakno slabo lastnost. In tako je bilo tudi tukaj. In sicer, cena, ki je 6

dosegala vrtoglavih 110 dolarjev. Istega leta je nastal tudi produkt imenovan Speech Thing, podjetja Covox. Govore stvor, kot so jo poimenovali razvijalci, je bil ni drugega kot zunanji digitalno-analogni pretvornik, ki je bil z raunalnikom povezan preko paralelnega porta. Pisalo se je leto 1987, leto ko je na trie prila prva prava zvona kartica Adlib. Ta zvona kartica, ki jo ljubitelji glasbe in raunalnitva e danes obudujejo, je za svoje delovanje uporabljala Yamahin frekvenno modularni ip OPL2, ki imela dva oscilatorja. ip je bil zmoen iz sebe iztisniti do devetih melodinih zvokov ali est melodinih zvokov in pet ritminih zvokov naenkrat. S to zvono kartico je bilo mono predvajati zelo kakovosten zvok.

Slika 3: AdLib zvona kartica V naslednjem letu, je na trie prila prva zvona kartica Game Blaster, podjetja Creative Labs, takrat imenovanega e Creative Music Systems. Njene specifikacije niso bile tako slabe kot njena sama kvaliteta, ki je bila oitno slaba od AdLibove zvone kartice. Game Blaster je ponujala bila zmona predvajati dvanajst razlinih frekvenc istoasno, in to v sinusni obliki. Napredek je bil tudi v tem, da je imela monost stereo predvajanja. Okoli tega leta, se je v raunalnitvu prvi pojavila tudi digitalizacija zvoka. Digitalni zvok so nekatere zvone kartice takrat e bile sposobne predvajati. Seveda pa so se na triu znale tudi prve igre, ki so uporabljale digitalni zvok.

7

Konkurenca na trgu zvonih kartic je bila vse moneja. Leta 1989, pa jo je e monejo naredila zvona kartica podjetja Roland, z oznako LAPC-I. Toda ni bila edina. Na trie je prila povsem nova kartica podjetja Creative Labs. To je bil prvi Sound Blaster, danes najverjetneje naj prepoznavneja zvona kartica po vsem svetu. Sound Blaster je bil pravzaprav klon AdLibove zvone kartice, saj sta imeli enake skoraj vse komponente. Toda Roland, je bila razred zase. e samo na pogled je veliastna. Ta velikanka je se je lahko pobahala z devetimi MIDI kanali, 32 polifoninimi notami in 256 pred nastavljenimi intrumenti, ki so bili preprogramirljivi.

Slika 4: Roland LAPC-I V devetdesetih letih se je stanje na trgu zvonih kartic nekoliko umirilo, a razvoj e vedno ni zamrlo. Teava je nastala, ko so vsa veja podjetja in korporacije, ki so se tako ali drugae ukvarjale z zvokom, zaele izdelovati izdelke, ki so bili kompatibilni le z Sound Blasterjevimi zvonimi karticami. Tako se je zael monopol Creative Labsa. Kakorkoli, kot sem e omenil, so se zvone kartice vseeno razvijale in tako smo v letu 1991 dobili prvo 16 bitno zvono kartico, Sound Blaster Pro, CT1330. Pred tem namre 16 bitnih kartic ni bilo, temve so bile na triu zgolj 8 bitne. Do leta 1998 so bile raziritve zvonih kartic mone preko ISA ali MCA prikljuka. Slednjega so ukinili okrog leta 1992. Od leta 1998, pa zvone kartice uporabljajo PCI prikljuek. Nekje proti koncu devetdesetih let, so se na triu pojavile tudi prve zvone kartice, ki so podpirale sistemski prostorski zvok, danes poznan kot 2.1, 5.1, 7.1. Enaindvajseto stoletje se na podroju zvoka zaenkrat nima e kaj dosti pohvaliti, razen s tem, da smo v veini preli na 24 bitne zvone kartice in, da je kakovost zvoka dan danes lahko e zelo visoka, saj so FLAC glasbene datoteke skoraj brez izgube. Lahko bi dejali, da smo na podroju raunalnike glasbene industrije dosegli e vse, a potrebujemo nadgradnje in izboljave.

8

4.

ZASNOVA

Zvone kartice v osnovi sestavlja ve mikro ipov, kateri skrbijo za pretvorbo analognega signala v digitalni in obratno ter konektorji. Prve zvone kartice so bile precej veje ter manj zmogljive od dananjih.

Slika 5: IBM Music Feature

9

5. INTEGRIRANA, NOTRANJA IN ZUNANJA ZVONA KARTICAZvone kartice v osnovi delimo na 3 veje, ki se najpogosteje odraajo na zahteve uporabnika. Ob tem se giblje tudi zmogljivost kartice, kvaliteta ter cena.

5.1

INTEGRIRANA ZVONA KARTICA

Integrirano zvono kartico dandanes najdemo na skoraj vsaki matini ploi ter v prenosnih raunalnikih. Sestavlja jo ip (Slika 6), priklop za MIDI port (obiajno kot dodatna komponenta ali na matini ploi) ter audio konektorji na zadnji strani matine ploe.

Slika 6: ip integrirane kartice ALC650 Integrirana zvona kartica je namenjena domaim uporabnikom raunalnikov in njihovim osnovnim zahtevam, zato nima velike zmogljivosti procesiranja. Prednosti in slabosti Najveja prednost je majhna latenca (odzivni as) ter to, da jo dobimo e pri nakupu matine ploe. Glavna slabost je najvekrat um, ki ga proizvaja raunalnik in se mu zaradi integriranosti ni mogoe izogniti. Druga slabost je e slabe ter poasneje DSP procesiranje in nekvalititeni AD/DA konverter.

10

5.2

NOTRANJA ZVONA KARTICA

Za notranjo zvono katico se obiajno odloajo zahtevneji uporabniki. Najpogosteje se jih prikloplja na PCI ree, draje kartice pa tudi na PCI-E (x16). Sestavlja jo vrsta loenih mikroipov ter vrsta konektorjev.

Slika 7: Notranja zvona kartica s priklopom na PCI ter monostjo zunanjega modula

Prednosti in slabosti Najveja prednost notranje zvone kartice je majhna latenca, veje tevilo konektorjev, kvalitetneje procesiranje in precej manji um. Slabost se pozna pri omejenem tevilu konektorjev (glede na irino PCI ree) ter s tem, da je obiajno fiksno pritrjena v raunalnik.

11

5.3

ZUNANJA ZVONA KARTICA

Zunanjo zvono kartico se uporablja za resneje studijske namene. Zaradi prostorske neomejitve velja za najzmoglivejo razliico zvonih kart. Zunanje zvone karte se najpogosteje priklaplja na USB, Firewire400, Firewire800, Ethernet (JR45) ali kot raziritev na notranjo PCI karto.

Slika 8: Zunanja zvona kartica Prednosti in slabosti Najveja prednost zunanje zvone kartice je neomejen prostor in tevilo konektorjev, minimalni um zaradi dislociranja od raunalnika, neomejena velikost in kvalitetni AD/DA konverterji. Slabost se kae v veji latenci (odvisno od priklopa), pri teavah z driverji ter adapterji pri lastnem napajanju. Pomemben podatek je tudi visoka cena.

12

6.

VRSTE PRIKLOPA

Zvone kartice so skozi zgodovino pridobile vrsto priklopov na raunalnike. Najstareje so imele priklop na na ISA vodilo, dandanes pa se najve uporablja PCI in njegove nadgradnje (PCI-E). V zadnjem letu se razvija tudi priklop preko Etherneta (JR45), kar naj bi omogoalo izredno hiter in velik pretok podatkov (cat6 ima pretok 10GBit), hkrati pa se preprosto prikljui na mreno kartico, ki jo ima vsak raunalnik.

6.1 PRIKLOP NOTRANJE ZVONE KARTICE Najpogosteji priklop je na PCI reo, kar omogoa hitro delovanje, zadosten pretok in je uveljavljen kot najbolj razirjen standard. Notranje kartice, ki se jih uporablja le kot umesnik iz zunanje enote uporabljajo zaradi velikanskega pretoka tudi PCI-Express.

6.2 PRIKLOP ZUNANJE ZVONE KARTICE Zunanje zvone kartice najpogosteje priklapljamo preko USB, Firewire, vse bolj pa se uveljavlja tudi Ethernet. Nekatere zunanje zvone kartice imajo na voljo tudi notranji PCI-E vmesnik, predvsem zaradi zmanjanja teav z driverji.

13

7.

VHODNO-IZHODNI KONEKTORJI

Zvone kartice imajo ve vrst konektorjev, ki se v osnovi delijo na analogne in digitalne.

7.1 ANALOGNI KONEKTORJI TRS poznam tudi kot audio jack. Uporablja se ga za izhode (stereo izhode) ter vhode (Line-In, Mic In). Nanj se priklaplja slualke, glasbene stolpe (z aux vhodi) in ampliferje za izhode ter mikrofone (mono vhod) ter ostale audio naprave (stereo LineIn), RCA (poznan tudi kot AV). Nahaja se na starejih in manj zmogljivejih notranjih ter nekaterih zunanjih karticah, za stereo obliko potrebuje 2 konektorja, zato ga raje nadomea TRS, XLR se ga uporablja za mikrofonske vhode ter master izhode, zaradi velikosti ga nadomea TRS.

tevilo analognih konektorjev je prilagojeno na tevilo vhodov in izhodov. Integrirane zvone kartice potrebujejo za 7.1 izhod 4 izhodne TRS konektorje (stereo po 2) ter dva vhodna TRS (mikrofon mono in Line-In - stereo). Notranje zvone kartice imajo zaradi omejenega prostora podobno sestavo, vasih e 2x RCA. Zunanje kartice imajo neomejeno tevilo analognih vhodov in izhodov, v skladu z zmogljivostjo DSP procesiranja.

7.2

DIGITALNI KONEKTORJI

SPDIF (Sony Philips Digital Interface) Ima ga skoraj vsaka kartica, namenjen je povezovanju na digitalne ampliferje, ADAT (Alesis Digital Audio Tape) Ena prvih oblik digitalnega prenosa zvoka za digitalno zapisovanje, MADI (Multichannel Audio Digital Interface) Vekanalen nain prenosa zvoka, le pri zunanjih zvonih karticah, MIDI (Musical Instrument Digital Interface) Razvit je bil za prenaanje podatkov med raunalniki, sekvencerji ter podobnimi elektronskimi napravami. Vsebuje ga vsaka zvona kartica, pri integriranih se ga priklaplja na GAME-PORT (joystick). Konektor za prenos MIDI podatkov vse bolj nadomeajo USB in Firewire konektorji, Koaksialni, 14

Optini, Word clock se uporablja se ga za sinhronizacijo digitalnih naprav.

Obiajno tevilo digitalnih vhodov in izhodov je 1 na vhod ali izhod. Pri integriranih karticah najpogosteje sreamo en SPDIF in en optini izhod. Pri notranjih karticah je sestava podobna integrirani zaradi omejenega prostora. Zunanje kartice imajo obiajno do en vhodni in en izhodni digitalni konektor.

Slika 9: Prikaz konektorjev zvone kartice

Slika 10: Prikaz konektotjev naprednjee zvone kartice

15

8.

DSP ZA AD/DA

DSP (Digital Signal Processor) je poseben mikroprocesor, posebej zasnovan za procesiranje digitalnega signala v realnem asu. Obiajno ga uporabljajo AD/DA pretvorniki.

Slika : Prikaz AD/DA postopka procesiranja AD/DA (analog to digital / digital to analog) pretvorniki omogoajo konverzijo iz digitalnega signala v analogni in obratno.

9.

ZNAILNOSTI

Na konno ceno zvone kartice pomembno vplivajo lastnosti zmogljivosti, ki jih kartica premore. Cena je v prvi vrsti odvisna od kvalitete AD/DA pretvornikov, zmogljivosti po obdelavi ter tevila audio kanalov ter naina priklopa na raunalnik. Po hitrosti glede na koliino prenosa podatkov se naini priklopa delijo na: PCI-E > PCI > ExpressCard > PCMCIA > Ethernet > FireWire > USB Za prenosnike se vse bolj uveljavlja tudi priklop prek PCMCIA ali novejega ExpressCard slota z monostjo raziritve v dodatno zunanjo enoto.

9.1

PROTOKOL ZA DELOVANJE ZVONIH KARTIC

Pri izbiri zvone kartice je potrebno poznati tudi audio protokole, kateri delujejo na doloenih operacijskih sistemih. ASIO (Audio Stream Input/Output) ASIOII (Audio Stream Input/Output ver.2) DirectSound (Microsoftov privzeti gonilnik) WDM (Windows Driver Model) 16

GSIF (Tascamov gonilnik) CORE Audio (je edini gonilnik, ki deluje le za Mac OSX)

9.2

NAPAJANJE

PCI zvone kartice za svoje delovanje uporabljajo 3.3V napajanje. Nekatere USB zvone kartice se lahko napajajo kar preko USBja ali preko zunanjega napajanja (obiajno 12V) FireWire kartice se prav tako napajajo preko zunanjega napajanja, obiajno 12V PCMCIA ter ExpressCard napaja 3.3V

17

10. ZAKLJUEKZvone kartice predstavljajo velik potencial predvsem velikim in e uveljavljenim zmankam, ki z vse vejimi tenjami po kompatibilnosti le z svojimi izdelki izpodrinjajo manje proizvajalce, s tem pa upoasnjujejo hitreji razvoj. S tem je problem tudi konkurenca, katera zvonim karticam dri izredno visoke cene, ki tudi z ve leti ne padejo. To pomeni, da teoretino nima nobenega pomena akati na upad cene doloene zvone karte, ker bo kljub novim tehnologijam, ki se sicer razmeroma poasi razvijajo, cena ostala ista. V nakup draje zvone kartice obiajno odloajo ljudje, ki se s tem preivljajo ter morda najbolj zagreti audiofili. Velik porast internetne skupnosti v zadnjih nekaj letih daje vse veim nadobudnim glasbenikom vse vejo monost samopromocije. S tem pa raste tudi povpraevanje po audio izdelkih, med katerimi je obiajno najprej zvona kartica. Katera zvona kartica je primerna za nas in za katero se bomo odloili je v velikim meri odvisno od potreb in elja, vsekakor pa v skladu z financami, ki so nam na razpolago. Na voljo imamo vedno ve monosti priklopa, ne glede na to ali imamo namizni ali prenosni raunalnik.

18

11. VIRI1. PlanetAudio Forum (http://www.planetaudio.si/) 2. Wikipedia Sound Card (http://en.wikipedia.org/wiki/Sound_card) 3. Wikipedia Analog to Digital Converter (http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter) 4. Wikipedia Digital to Analog Converter (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-to-analog_converter) 5. Wikipedia Audio Stream Input / Output (http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_Stream_Input/Output) 6. Wikipedia Digital Signal Processing (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_signal_processing) 7. Wikipedia Digital Signal Processor (http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_signal_processor) 8. Wikipedia Direct Sound (http://en.wikipedia.org/wiki/DirectSound) 9. Wikipedia WDM (http://en.wikipedia.org/wiki/WDM) 10. Wikipedia ExpressCard (http://en.wikipedia.org/wiki/ExpressCard) 11. Wikipedia ADAT (http://en.wikipedia.org/wiki/ADAT) 12. Thomann Cyberstore (http://www.thomann.de/) 13. Mimovrste (http://www.mimovrste.com/) 14. Sound Blaster (http://www.soundblaster.com/) 15. HowStuffWorks - How Sound Cards Work (http://computer.howstuffworks.com/sound-card.htm) 16. yvan256 - Soundcards Museum (http://www.yvan256.net/soundcards/)

19