Zvuková karta

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.

Čo môžme pripojiť k zvukovej karte? slúchadláslúchadlá reproduktory reproduktory zosilňovač zosilňovač mikrofónmikrofón externé zdroje (rádio, magnetofón, gramofón) externé zdroje (rádio, magnetofón, gramofón) ak je karta vybavená rozhraním ak je karta vybavená rozhraním MIDIMIDI ( (MMusical usical

IInstrument nstrument DDigital igital IInterface), je možné k nej nterface), je možné k nej pripojiť i elektronické hudobné nástroje pripojiť i elektronické hudobné nástroje vybavené rovnakým rozhraním (napr. vybavené rovnakým rozhraním (napr. elektronické varhany, elektronické varhany, syntetizátory apod.) syntetizátory apod.)

Schéma pripojenia zvukovej karty

Reproduktory pripojiteľné ku zvukovým kartám

Reproduktory 2+0 Reproduktory 2+1

Reproduktory 5+1 Reproduktory 7+1

Záznam zvuku pomocou zvukovej kartyPri zázname zvuku pomocou zvukovej karty je Pri zázname zvuku pomocou zvukovej karty je

nutné rozlíšiť dva základné prípady: 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 zaznamenávajújednotlivé bajty odosielané týmto rozhraním.

Pôvodný signál

Vzorkovanie 20 Hz

Po rekonštrukcii

Analógový 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.

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 8 bit - mono

CD-audio kvalita 44 100Hz 16 bit - stereo

DVD-audio kvalita 192 000Hz 24 bit - 5.1 surround sound

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 8 bit - mono

CD-audio kvalita 44 100Hz 16 bit - stereo

DVD-audio kvalita 192 000Hz 24 bit - 5.1 surround sound

Kvalita zvuku

Prevod analógovej hodnoty na digitálnu a naopak zabezpečujú A/D, resp. D/A prevodníky 12-bit, 16-bit, 20-bitové

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)

Časti cyklu hudobných zvukov

Zvuková karta tieto hodnoty čo možno najpresnejšie dodržiava. V opačnom prípade by zafarbenie tónov konkrétneho nástroja strácalo na vernosti.

Konkrétne hodnoty jednotlivých fáz cyklu sú charakteristické pre každý hudobný nástroj

Zvukové cykly

Zvukový signál a jeho obálka, vyznačená červenou farbou

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.

Kvalita 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)

Kompresia zvuku

WAV (waveform – audio formát - nekomprimovaný) WAV bol vytvorený v spolupráci firiem Microsoft a IBM. WAV bol vytvorený v spolupráci firiem Microsoft a IBM.

Súbor WAV (waveform – audio formát) je najjednoduchší z Súbor WAV (waveform – audio formát) je najjednoduchší z formátov pre ukladanie audia. formátov pre ukladanie audia.

WAV ukladá vzorkovaný zvuk v nezmenenej podobe, t.j. WAV ukladá vzorkovaný zvuk v nezmenenej podobe, t.j. uchovává kompletnú zvukovú informáciu. uchovává kompletnú zvukovú informáciu.

    Vlastnosti :Vlastnosti :

Dá sa prehrať na ktoromkoľvek počítači so zvukovou kartou (PC Dá sa prehrať na ktoromkoľvek počítači so zvukovou kartou (PC XT a lepšie). XT a lepšie).

Ponúka iba nekomprimovaný zvuk. Ponúka iba nekomprimovaný zvuk. Vytvára príliš veľké súbory.Vytvára príliš veľké súbory. Tento formát je pre Web nevhodný. Tento formát je pre Web nevhodný.

Kompresia zvuku

MP3 (Mpeg1 – Layer3)Formát MP3 je špecializovaný na spracovanie zvukových Formát MP3 je špecializovaný na spracovanie zvukových souborov. Je založený na kompresnom algoritme odvodenom z souborov. Je založený na kompresnom algoritme odvodenom z algoritmu MPEG pre kompresiu videa. MP3 vzniklo skrátením algoritmu MPEG pre kompresiu videa. MP3 vzniklo skrátením MPEG1-Layer 3, čo je označenie kompresného algoritmu.MPEG1-Layer 3, čo je označenie kompresného algoritmu.

MP3 skladba môže obsahovať tzv. ID3 TAG ( etiketa, visačka), čo MP3 skladba môže obsahovať tzv. ID3 TAG ( etiketa, visačka), čo je blok dát pripojený na koniec súboru. Do nehosa ukladá plný je blok dát pripojený na koniec súboru. Do nehosa ukladá plný názov skladby, meno interpréta alebo názov albumu, z ktorého názov skladby, meno interpréta alebo názov albumu, z ktorého skladba pochádza. Prehrávače vedia s týmito TAG-mi pracovať, skladba pochádza. Prehrávače vedia s týmito TAG-mi pracovať, čo uľahčuje orientáciu v rozsiahlych zvukových knižniciach.čo uľahčuje orientáciu v rozsiahlych zvukových knižniciach.

Základná veličina, ktorá ovplyvňuje kvalitu mp3 súboru je tzv. Základná veličina, ktorá ovplyvňuje kvalitu mp3 súboru je tzv. bitrate - rýchlosť dátového toku (kbps). Čím je bitrate vyšší, tým bitrate - rýchlosť dátového toku (kbps). Čím je bitrate vyšší, tým je lepšia kvalita. U AUDIO-CD je bitrate 1,4Mb/s, súbor mp3 s je lepšia kvalita. U AUDIO-CD je bitrate 1,4Mb/s, súbor mp3 s kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate 128kbps. kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate 128kbps.

Kompresia zvuku

Ďalšie zvukové formáty

.AU .AU je starčekom Internetu. Navrhla ho firma Sun je starčekom Internetu. Navrhla ho firma Sun Microsystems pre svoje pracovné stanice. Vzhľadom k Microsystems pre svoje pracovné stanice. Vzhľadom k jej významu pri vytváraní a rozvoji Internetu se jej významu pri vytváraní a rozvoji Internetu se formát .au velmi rozšíril. formát .au velmi rozšíril.

.OGG Vorbis .OGG Vorbis - dokáže pri 96 kbps dosiahnúť kvalitu - dokáže pri 96 kbps dosiahnúť kvalitu 128 kbps MP3. Výhodou je, že je voľný a postupne ho 128 kbps MP3. Výhodou je, že je voľný a postupne ho začínajú podporovať všetky programy. Je to začínajú podporovať všetky programy. Je to "systémový" codec, čiže sa dá rovnako ako MP3 "systémový" codec, čiže sa dá rovnako ako MP3 Fraunhofer Codec použiť v akomkoľvek programe či Fraunhofer Codec použiť v akomkoľvek programe či filmefilme

.WMA - Windows Media Audio .WMA - Windows Media Audio formát - ponúka formát - ponúka dvojnásobné množstvo hudby než MP3 bez zníženia dvojnásobné množstvo hudby než MP3 bez zníženia kvality. Podpora pre streamovanie hudby vďaka kvality. Podpora pre streamovanie hudby vďaka technológii Fast Streaming. technológii Fast Streaming.

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. 1983 (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 31 250 bitov za sekundu

Digitálny signál – rozhranie MIDI

Rozhranie ponúka 128 nástrojov („programov“) a 16 kanálov, 128 rôznych tónov a 128 úrovní hlasitostí.

V r. 1991 vznikol štandard General MIDI (GM), ktorý priradil číselnú škálu pre konkrétne nástroje :(1 – akustický klavír, 14 – xylofón, 72 – klarinet, 128 – 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)

Digitálny signál – rozhranie MIDI

Digitálny signál – rozhranie MIDI

Tabuľka druhov nástrojov a ich číselné označenie podľa General MIDI Level 1

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.

Digitálny signál – rozhranie MIDI

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 ... 10 kB1 min skladba Wav ... 10 MB

Sound Blaster AWE32

Zvukové karty

Sound Blaster AWE64

Zvukové karty

Gravis ultrasound

Zvukové karty

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 )

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 )

Creative Sound Blaster X-Fi Elite Pro

Creative USB Sound Blaster X-Fi Surround Sound 5.1

3-D Sound vs. Surround Sound

3-D sound3-D sound – – 3D zvuk3D zvuk poskytuje rýchlo sa meniaci dynamický zvuk, prichádzajúci poskytuje rýchlo sa meniaci dynamický zvuk, prichádzajúci

z rôznych strán, ktorý sa mení na základe pozície z rôznych strán, ktorý sa mení na základe pozície poslucháča v priestore ( 3D hry )poslucháča v priestore ( 3D hry )

Umožňuje realisticky stvárnený postup zvukových vĺn Umožňuje realisticky stvárnený postup zvukových vĺn okolo alebo cez prekážkyokolo alebo cez prekážky

Surround soundSurround sound - obklopujúci zvuk- obklopujúci zvuk Využíva takisto zvuk prichádzajúci z rôznych strán, ale Využíva takisto zvuk prichádzajúci z rôznych strán, ale

zvuk sa nemení pri zmene polohy poslucháča v priestore. zvuk sa nemení pri zmene polohy poslucháča v priestore. Toto sa využíva napr. v domácich kináchToto sa využíva napr. v domácich kinách

Reproduktorový systém domáceho kina

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

Audio efekty pre ozvučenie počítačových hier:

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

Zvukové efekty hudobných nahrávok

Ďalšie komponenty zvukovej kartyDigital 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

Ďalšie komponenty zvukovej kartyVstupné a výstupné konektoryVstupné a výstupné konektory slúžia na pripojenie mikrofónu, slúchadiel, MIDI slúžia na pripojenie mikrofónu, slúchadiel, MIDI

zariadení, joysticku, reproduktorov, zosilňovačov zariadení, joysticku, reproduktorov, zosilňovačov výst.signálu, audio vstup z CD-ROMvýst.signálu, audio vstup z CD-ROM

viacnásobnéviacnásobné konektory pre 3D-zvuk a surroundkonektory pre 3D-zvuk a surround zvukzvuk

Sony/Philips Digital Interface (S/PDIFSony/Philips Digital Interface (S/PDIF)) využíva prenosový súborový protokol pre audio dátavyužíva prenosový súborový protokol pre audio dáta používa buď koaxiálne alebo optické pripojenie vstupu a používa buď koaxiálne alebo optické pripojenie vstupu a

výstupu zvuk. kartyvýstupu zvuk. kartyMusical Instrument Digital Interface (MIDI)Musical Instrument Digital Interface (MIDI) slúži k pripojeniu syntezátorov alebo inýchslúži k pripojeniu syntezátorov alebo iných

hudobných elektronických nástrojov hudobných elektronických nástrojov k počítačuk počítaču

FireWire FireWire aa USB USB konektorkonektor pripája digitálny audio alebo videorekordérpripája digitálny audio alebo videorekordér

ku zvuk. karteku zvuk. karte

Spolupráca zvukovky s aplikáciami

Jednotlivé aplikácie ovládajú zvukovú kartu pomocou Jednotlivé aplikácie ovládajú zvukovú kartu pomocou driverov, ktoré uľahčujú operačnému systému prístup driverov, ktoré uľahčujú operačnému systému prístup ku samotnému hardwéru zvukovej karty. ku samotnému hardwéru zvukovej karty.

APIAPIs - As - Application pplication PProgram rogram IInterfacesnterfaces – je to sada – je to sada pravidiel alebo štandardov, ktoré tieto drivery pravidiel alebo štandardov, ktoré tieto drivery zvukovej karty musia spĺňaťzvukovej karty musia spĺňať

Najčastejšie tieto API zahrňajú produkty od firiem :Najčastejšie tieto API zahrňajú produkty od firiem :- - MicrosoftMicrosoft : DirectSound : DirectSound - - CreativeCreative : Environmental Audio Extensions : Environmental Audio Extensions

(EAX) (EAX) a Open AL a Open AL (Audio Language )(Audio Language )- - SensauraSensaura : MacroFX : MacroFX - - QSound LabsQSound Labs : QSound: QSound