Zvukové karty, A/D a D/A převodníky

Hardware pro multimedia
Zvukové karty, A/D
a D/A převodníky
(od historie k dnešku)
Zdeněk Horčík, listopad 2015
Princip tvorby zvuku v PC
• Počátky PC na začátku 80. let
• Předtím, příp. souběžně domácí osobní
počítače, např. Atari – čip POKEY (POTKEYBOARD), Commodore – čip SID
(Sound Interface Device), Sinclair, Amiga čipy Paula, DMA přenos vzorků z paměti,
4 8-bitové hlasy, apod., zvuk na vyšší
úrovni než posléze na IBM PC
Princip tvorby zvuku v PC
•
•
•
•
•
Generování obdélníkového průběhu
FM syntéza
Wavetable syntéza
Signálový procesor
Zpracování PC procesorem
PC speaker
• jednoduchý reproduktorek, nebo v
současnosti často pouze piezoměnič, spíš
pro indikaci provozních stavů – „Beeper“.
V počátcích PC používán pro ozvučení
her, příp. pokusy o jednoduchou hudbu. Je
schopen přehrát pouze jeden tón v jeden
čas, buzen digitálním výstupem – obdélník
• Ovládán čítačem/časovačem 8253 nebo
8254 (nyní v southbridge)
PC speaker
• Pokusy s použitím rychle se měnících not
(arpeggio), které se díky lidskému vnímání
zvuku téměř slévají dohromady
• Další techniky, jako PCM - Pulse-Code
Modulation), dokázaly z PC Speakeru
dostat maximum.
PC speaker - 8253
• Časovač 8253 obsahuje tři samostatně nastavovatelné
šestnáctibitové kanály, přičemž pro generování zvuku je
použit kanál třetí, který je namapován na I/O port 0×42.
Třetí kanál časovače 8253 většinou pracuje v režimu
generátoru obdélníkových pulsů se střídou 1:1. Na vstup
časovače je připojen hodinový signál s frekvencí
1193180 Hz, což je třetina nominální frekvence IBM XT,
tj. 4,77 MHz. Tento signál je dělen nastavenou
šestnáctibitovou hodnotou, tj. minimální frekvence zvuku
vytvářená čítačem/časovačem je rovna 18,2 Hz
(1193180/65536) a maximální frekvence dosahuje
úrovně ultrazvuku (otázkou samozřejmě je, jaká je mezní
frekvence samotného reproduktoru).
PC speaker – 8253 - 2.
• Z 8253 je možné na PC speaker posílat obdélníkový
signál, to stačí jen na přehrávání jednohlasých melodií.
U složitějších zvuků (včetně napodobení hudebních
nástrojů či mluveného slova) se využívala PWM.
Nastavením Gate časovače 8253 z paralelního portu na
adrese 0×61 lze čítač/časovač pozastavit a tím pádem
se na reproduktor neposílá žádný signál. Programovou
změnou prvního bitu portu 0×61 lze generovat
dvoustavový signál posílaný na reproduktor, nezávisle
na čítači. Při dobrém časování lze na PC Speakeru
pomocí PWM přehrávat cca pěti- či šestibitové samply,
což odpovídá dynamickému rozsahu 30 resp. 36 dB
(CD-Audio má dynamický rozsah 96 dB…).
Převodníky na paralelní port
• Zvukovka chudého amatéra, ale v 80.
letech zvukovky nebyly, tehdy špička
• Paralelní port – 8 bitů, > 100 kHz,
softwarová obsluha
• Pasivní převodníky – odporová síť, R-2R
žebříčky, apod. – souhrnně „Covox“
• Disney Sound Source apod. – navíc
zesilovač
Princip odporového žebříčku
Princip odporového žebříčku
FM syntéza
• FM syntetizátor (obvod OPL 2, OPL 3, příp. OPL 4).
• Metoda vychází z faktu, že každý průběh lze sestavit
složením vybrané série sinusových kmitů o patřičné
frekvenci, fázi a amplitudě. FM syntéza tedy vychází z
popisu příslušného hudebního nástroje na základě
Fourierova rozvoje, zvuk nástrojů je emulován jako
superpozice řady sinusových signálů. Takto získaný
signál se může ještě dále upravit různými efekty. Jedná
se o levnější realizaci, která se svými výsledky zvukům
reálných nástrojů pouze blíží. Zvukové karty, které
používají pouze tento způsob pro vytváření zvuků, jsou
vhodné jen pro ozvučení her apod.
AdLib
• Zázrak r. 1987 – zvukovka (pro hry!) do
ISA sběrnice, významný mezník
• FM syntéza
• Mono, ruční regulace hlasitosti vzadu 
• Čip Yamaha YM3812 – OPL2, původem z
keyboardů, připojený k ISA
• Více zvuků najednou (až 9 zvukových
kanálů nebo 6 kanálů a 5 nástrojů)
Princip OPL2
• Plně digitální čip, jednoduchý signálový procesor
+ paměť ROM
• V ROM jsou uloženy vzorky první čtvrtiny
periody sinusovky
• OPL2 - Operator Type L2, zvuk v každém
hudebním kanálu může být vytvořen pomocí
dvou operátorů, které mohou být propojeny
paralelně nebo sériově
• Každý operátor je složen ze tří bloků – oscilátoru
(generátoru periodického signálu), generátoru
obálky (envelope) a obvodu pro řízení výstupní
úrovně.
AdLib
IBM PC Junior
• „Stroj pro mládež“, tomu odpovídala
výbava pro hry
• Pro zvuk čip Texas Instruments SN76489
• Čtyřkanálový čip obsahuje 3 program.
generátory tónů a prog. generátor bílého
šumu
• Šum slouží k syntéze nástrojů, především
bicích
• Prog. regulace úrovně signálu
Game Blaster
• Pozdější Creative Labs, dosud Creative
Music Systém, konec 80. let
• 12 PC Speakerů s 16 stupni hlasitosti v
kombinaci s generátorem šumu schopným
reprodukce tří různých bicích nástrojů
• stereo výstup
• Neúspěšný, nevýznamný
Sound Blaster
• Mimo syntézy hudby také přehrává samply
• 2 paralelní větve – nově řadič pro zvuk 22
kHz/8 bitů mono, pro kompatibilitu s AdLib
čip Yamaha OPL2
• MIDI/game port, line in, line out
• Manuální regulace úrovně
• ISA sběrnice
• 8 bitů = dynamický rozsah zvuku 48 dB 
Sound Blaster
Sound Blaster Pro
• Rychlejší – záznam 22,05 kHz (1/2 CD
kvality), reprodukce 45 kHz
• Stále jen 8-bitový
• Druhý čip OPL2, později OPL3 – generuje
stereo zvuky
• Interní konektor pro CD audio – mezi CD
mechanikou a zvukovou kartou je
přenášen analogový signál!
Sound Blaster 16
• První 16-bitová karta
• FM syntéza OPL3
• Připojitelný WaveBlaster – wave table
syntéza pomocí další přídavné karty
• Řada variant s řadiči CD mechanik (SCSI,
IDE, spec. Protokoly Mitsumi, Sony,
apod.)
Wavetable syntéza
• Používaná u lepších zvukových karet.
• Navzorkovaný signál skutečného nástroje
je uložen v paměti (ROM nebo RAM).
• Je neefektivní uchovat vzorky všech výšek
tónů od všech nástrojů, proto je v paměti
uložen vždy jen jeden tón od každého
nástroje.
• Různých výšek tónu se dosahuje různou
rychlostí přehrání vzorku.
Sound Blaster AWE 32
• AWE - Advanced Wave Effects
• 32 – hlasů generovaných najednou
• Wavetable syntezátor přímo na kartě, 1
MB ROM a 0,5 MB RAM + 2 SIMM sloty
pro max. 32 MB (využit. 28 MB) RAM
• Dále podpora standardu SoundFont –
umožňuje vytvářet vlastní wavetable sety
ze samplů
• Varianta AWE 64 – umí S/PDIF
Sound Blaster AWE 32
A/D a D/A převodníky Sound
Blasterů
• Starší typy - pouze osmibitové převodníky
(nebo jen jedním převodníkem – mono)
• Novější - při stereo výstupu se maximální
samplovací frekvence snižuje na polovinu
oproti mono - omezený výpočetní
výkonem použitého DSP
• Max. samplovací frekvence 45454 Hz,
trochu přes 44,1 kHz (2*20 kHz + 10 %),
upraveno pro dělitelnost 50 a 60 (USA síť)
SB, DAC mono (out)
• Model 8bitové mono 16bitové mono
•
•
•
•
•
SB 1.x 4000–22222
SB 2.x 4000–45454
SB Pro 4000–45454
SB 16 4000–45454
AWE32 5000–45454
×
×
×
4000–45454
5000–45454
SB, DAC stereo (out)
• Model 8bitové stereo 16bitové stereo
•
•
•
•
•
SB 1.x ×
SB 2.x ×
SB Pro 4000–22727
SB 16 4000–45454
AWE32 5000–45454
×
×
×
4000–45454
5000–45454
SB, ADC mono (in)
• Model 8bitové mono 16bitové mono
•
•
•
•
•
SB 1.x 4000–11111
SB 2.x 4000–15151
SB Pro 4000–45454
SB 16 4000–45454
AWE32 5000–45454
×
×
×
4000–45454
5000–45454
SB, ADC stereo (in)
• Model 8bitové stereo 16bitové stereo
•
•
•
•
•
SB 1.x ×
SB 2.x ×
SB Pro 4000–22727
SB 16 4000–45454
AWE32 5000–45454
×
×
×
4000–45454
5000–45454
Sound Blaster PCI64, PCI128
• Pro PCI sběrnici
• Menší zátěž procesoru, rychlejší přenos
dat
• Přehrávání a záznam 16-bitového zvuku o
frekvenci 4 - 48 kHz stereo, plně duplexní.
• Rozdíl mezi kartami je v 64-notové a 128notové polyfonii u Wavetable syntézy
Sound Blaster Live!
• Založena na čipu EMU10K1
• Wavetable syntéza umožňuje až 64 hlasů
a 1024-notovou polyfonii
• Nová technologie pro prostorový zvuk,
EAX - Environmental Audio Extensions
• Verze Sound Blaster Live! 5.1 obsahuje
navíc dekodér Dolby Digital 5.1
-přehrávání zvuku z DVD disků.
Sound Blaster Audigy
• Mnoho variant, 2 generace
• Zvukový procesor 10K2, možnost
reprodukce zvuku až v 24-bitů/96 kHz
(pouze 2. generace), vylepšené efekty
EAX, výstup Dolby 5.1/6.1
•
Další vývoj
• Kartami SB AWE, PCI a Live! skončila
„klasická éra“
• Samostatné zvukové karty, mnohdy
externí, jsou určeny pro špičkové aplikace
– SB Audigy, X-Fi…
• Klasické zvukové karty vymřely
• Na základních deskách jsou zvukové karty
specifikace AC'97 podle návrhu Intelu
Specifikace Audio Codec AC'97
• jednoduchá struktura, pouze sada A/D a
D/A převodníků, analogových multiplexerů
a vstupních a výstupních zesilovačů
• O vlastní syntézu se stará obslužný
program
• Náhrada specializovaných obvodů
zvukové karty a jejího DSP výkonným
univerzálním procesorem PC
Specifikace Audio Codec AC'97
• Vlastní generování tónů či šumu v jednotlivých
zvukových kanálech a jejich mixování a filtrace
je prováděno programově
• Je-li použita wavetable syntéza (stále
nejpoužívanější forma zvukové syntézy), jsou
vzorky hudebních nástrojů uloženy v operační
paměti, odkud si je načítá program, který se o
zvukovou syntézu stará.
• Jako vedlejší produkt může být modem (NB)
Audio Codec AC'97
• Zvukový subsystém počítače je s AC'97
implementován ve dvou modulech.
• První modul - AC'97 digital controller,
zkráceně též DC97. Je integrován na
základní desce, obvykle součást South
Bridge
• Modul DC97 sériově komunikuje
prostřednictvím AC-Link s AC97 kodeky
Čip AC'97 Codec
Čip AC'97 Codec
• Vlevo vstupy a výstupy sériové AC-linky
• Uvnitř - 64 konfiguračních registrů, vyrovnávací
paměť, sada D/A a A/D převodníků
• Bílé bloky - ve všech kartách AC'97, šedé bloky
nemusí být přítomné,
• Zvukové vstupy a výstupy jsou analogové,
jedinou výjimkou je konektor S/PDIF
• Analog Mixing and Gain Control –
konfigurovatelná propojovací matice, navzájem
lze téměř libovolně přepojit jednotlivé vstupní i
výstupní analogové signály.
Audio Codec AC'97
Audio Codec AC'97
• Parametry zvukových kanálů - tři konfigurace výstupních
kanálů: monofonní výstup, stereofonní výstup, režim
multichannel, až šest kanálů (Dolby 5.1).
• Jednotlivé vzorky (samply) mohou mít 16, 18 či 20 bitů,
samplovací frekvence dosahuje až 48 kHz.
• V novější specifikaci AC'97 v 2.2 je taktéž určeno, že pro
dva hlavní kanály, tj. pravý a levý reproduktor, lze použít
vzorkovací frekvence v rozsahu 88,2 až 96 Khz, což
odpovídá dvojnásobku frekvencí 44,1 a 48 kHz
používaných při běžném zpracování zvuku - Double
Rate Audio neboli DRA.
• přenosová rychlost AC-linky je na základě specifikace
AC'97 12,576 Mbit/s, využita pouze z cca jedné pětiny.
Audio Codec AC'97
• Podle specifikace Intel by měly zvukové obvody nesoucí
označení AC'97 (compatible) a především jejich
programové vybavení plně emulovat jak čip OPL3, tak i
veškeré funkce zvukové karty Sound Blaster, a to až na
úroveň jednotlivých řídicích registrů (což mj. znamená,
že by mělo být možné používat tyto čipy i v DOSu jako
plnohodnotnou náhradu Sound Blasterů)
• Teoreticky je tato podpora zajištěna, ale ve skutečnosti
bývá především emulace FM syntézy, tj. čipu OPL3
(Yamaha YMF 262) velmi slabá – původnímu zvuku
OPL3 se mnohdy ani vzdáleně neblíží (z tohoto důvodu
používá například DOSBox – emulátor počítače s
nainstalovaným DOSem – vlastní emulaci OPL2/3 a
nespoléhá se na schopnosti ovladačů zvukových karet).
HD Audio
• Následovník AC'97
• Překračuje parametry CD (16 bitů/44,1
kHz), HD Audio až 32 bitů/192 kHz
• 8 kanálů, uspořádání kanálů až 7.1 (Dolby
Pro Logic IIx)
• Multi-streaming – 2 i více souběžných
přenosů zvuku (např. 5.1 + jiné stereo)
• Přepínání rolí vstupů a výstupů za chodu
• Součást South Bridge chipsetů Intel (ICH6)
HD Audio – Realtek ALC888
• 7.1+2 Channel HD Audio Codecs
• Podobný je ALC889 – navíc Content Protection
• 10 DAC kanálů, 16/20/24-bit PCM, 44.1 k/48
k/96 k/192 kHz sample rate, současně 7.1
výstup + 2 kanály nezávislého stereo výstupu
(multiple streaming)
• 2 stereo ADC kanály, 16/20/24-bit PCM, 44.1
k/48 k/96 kHz sample rate - stereo mikrofon
• Všechny analogové I/O jsou přepínatelné jako
in/out, každý analogový výstup má zesilovač pro
sluchátka
HD Audio – Realtek ALC888
• 16/20/24-bit S/PDIF input/output, 44.1 k/48
k/96 k/192 kHz sample rate
• 4 vstupy pro microphone array - Acoustic
Echo Cancellation (AEC), Beam Forming
(BF), Noise Suppression (NS)
• DAC mají SNR 97dB, ADC 90dB
HD Audio – Realtek ALC888
HD Audio – Realtek ALC888
Vstupy a výstupy
• Linkový výstup (Line out) má normou
definovanou stálou úroveň signálu - úroveň 775
mV=0 dB, nebo 707 mV efektivních (1V špička),
není regulovaný, impedance ~n kΩ
• Linkový vstup (Line in) – stejná citlivost
• Výstup pro sluchátka – malá impedance cca 30
Ω, lze připojit zátěž ~n*10 Ω, regulovatelný
• Mikrofonní vstup – velká citlivost ~mV, často
přepínaná ve 2 stupních, fantomové napájení
MIDI
• MIDI protokol - poměrně jednoduchý
programovací jazyk, lineární, bez možnosti
skoků, jen částečně definovaný normou,
volnost pro tvorbu nových příkazů, často
vizualizační nástroje pro programování
• Komunikace založena na jedno nebo
vícebytových zprávách – stavový byte,
datové
S/PDIF, AES3
• Sony/Philips Digital Interconnect Format
• AES3, neboli AES/EBU (Audio Engineering
Society/European Broadcasting Union) – profesionální
varianta k S/PDIF užívanému ve spotřební elektronice
• Standard pro přenos digitálně kódovaného zvukového
signálu v audiotechnice
• Oba standardy se liší elektricky, částečně i formátem
přenášených dat, lze je navzájem převádět
• Kmitočet přenosu (data rate) se liší podle přenášeného
signálu, není pevně definován.
• Obvykle přenáší 20bitová data, CD (44,1 kHz), nebo
DAT (48 kHz) vzorkovací frekvence
S/PDIF, AES3
• S/PDIF – asymetrické připojení, koaxiální kabel
s RCA konektory 75 Ω, buzení 0,5 Všš, vstup 0,2
V, nebo plastové optické vlákno („Toslink“,
červené světlo) – necitlivé na el. rušení a zemní
smyčky, obě varianty vzdálenost do cca 10 m
• AES3 – symetrické připojení s oddělovacími
transformátory, stíněná kroucená dvojlinka 110
Ω, buzení 5-7 Všš, vstup 0,2 V, do 100 m, nebo
asymetrické koaxiální propojení 75 Ω, buzení 11,2 Všš, vstup 0,32 V, vzdálenost do cca 1000 m
Literatura
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Specifikace AC'97, HD Audio, http://www.intel.com [online, 20.11.2012]
Realek ALC888, http://www.realtek.com.tw/products/productsView.aspx?
Langid=1&PFid=28&Level=5&Conn=4&ProdID=135 [online, 21.11.2012]
Wikipedia.org
Evolution of PC Audio - As Told by Secret of Monkey Island, http://www.youtube.com/watch?
v=a324ykKV-7Y [online, 20.11.2012]
Zvukové karty a jejich vývoj, http://www.svethardware.cz/art_docBC77A7A4115424A5C125725D005327DE.html [online, 20.11.2012]
Vývoj zvukových karet Sound Blaster, http://www.root.cz/clanky/vyvoj-zvukovych-karet-soundblaster/ [online, 20.11.2012], a další články z root.cz
Zvukové čipy odpovídající specifikaci Audio Codec AC'97, http://www.root.cz/clanky/zvukovecipy-odpovidajici-specifikaci-audio-codec-ac-97/ [online, 20.11.2012]
Jakou zvukovou kartu pro nahrávání?, http://www.tvfreak.cz/art_doc29CA9DB040C60953C1257781003EA71A.html [online, 20.11.2012
Možnosti přenosu MIDI protokolu přes standardní rozhraní PC, Krejčí, R., diplomová práce FEL
ČVUT, Praha 2007
http://www.rane.com/pdf/ranenotes/Interfacing_AES3_&_SPDIF.pdf [online, 15.10.2012]
http://www.epanorama.net/documents/audio/spdif.html [online, 15.10.2012]