Zvučna kartica

Izvor: Vidipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Vanjska zvučna kartica Creative Soundblaster Elite Pro X 5.

Zvuk na prvim osobnim računalima je bio na razini jedne frekvencije i jedne glasnoće, odnosno jednog beepa. To je odgovaralo ondašnjim mogućnostima računala, ali povećanjem brzine, stvari su se promijenile. Srećom, proizvođači su ubrzo shvatili da korisnici žele puno više od jedne frekvencije i jedne razine glasnoće, pa su počeli s razvojem zvučnih kartica koje su danas dosegle visoku razinu. Slušajući njihov zvuk, ne možemo shvatiti kako smo se zadovoljavali sa FM sintezom i dva audiokanala. Današnje zvučne kartice ne služe samo za puku reprodukciju upozorenja i alarmnih signala s računala, one su puno više od toga. Gotovo da više ne postoji zvučna kartica koja ne može poslužiti za reprodukciju 5.1 zvuka prilikom gledanja filmova na računalu, to mogu čak i one koje se integriraju na matičnu ploču.

A/D i D/A pretvaranje

Da bi se razumjelo kako rade zvučne kartice te koje su njihove kritične točke, potrebno je ponešto znati o osnovnim načinima pretvorbe analognog u digitalni signal i obratno.

Zvuk koji mi čujemo i koji se reproducira instrumentima, glasom, odnosno svi ostali zvučni signali, su analogni. Da biste zvuk mogli prebaciti u računalo, odnosno reproducirati ga s njega, potrebno je pre-tvoriti ga u digitalni oblik. Računala imaju ograničene kapacitete, odnosno njihovi procesori mogu obrađivati podatke s točno određenim brojem bita. Tako primjerice današnji moderni procesori obrađuju podatke koji su zapisani sa 64 bita. Kod audiopodataka postoji isti problem jer su procesori koji obrađuju audiopodatke također ograničeni brojem bita, ali u slučaju zvuka ta je vrijednost manja i kreće se oko 24 bita. Signal na audio CD-u je zapisan sa 16 bita. Kada se to prevede u analognu domenu, to znači da se analogni signal, odnosno njegova veličina u određenom trenutku dijeli na 32768 dijelova za pozitivnu i negativnu vrijednost zvučnog signala. Dakle, više bita znači da će se veličina analognog signala moći podijeliti na više dijelova, odnosno moći će se razlikovati puno manje promjene koje mogu biti čujne. Ispitivanja su pokazala da je za ljudsko uho dovoljno 16 bita, međutim, kod obrade signala to možda neće biti dovoljno, tako da se za profesionalne svrhe rabi raspodjela, odnosno kvantizacija, s 24 bita. Iz toga je vidljivo da nam broj bita u određenoj mjeri određuje dinamiku signala, odnosno odnos između najveće i najmanje razine. U idealnome bi svijetu to bio odnos između najglasnijega i najtišeg signala, međutim to je teško postići. U realnom svijetu okruženi smo šumovima koji utječu na smanjenje te dinamike. Teoretska dinamika se može približno izračunati prema formuli "dinamika (dB) = 6xN", gdje je N broj bita koji se rabi za kvantizaciju. Dakle, u slučaju audio CD-a teoretska bi dinamika bila 96 dB. Ako se uzme u obzir da je raspon ljudskog sluha oko 120 dB, onda se odmah uočava da zapravo tih 96 dB nije dovoljno. Zbog toga se sve više rabe uređaji koji rade s kvantizacijom od 24 bita, koji teoretski imaju dinamiku od 144 dB. To bi trebalo biti dovoljno, međutim zvučne kartice, za razliku od profesionalnih uređaja, imaju nekoliko problema koji ograničavaju njihovu dinamiku, odnosno povećavaju šum.

Nedostatci zvučnih kartica

Osnovni problem zvučnih kartica je u tome što se spajaju s računalima, što je samo po sebi kontradiktorno. Stolna računala su u postojećem obliku velik izvor šuma. Uzmimo za primjer samo razne ventilatore i električne motore koji se nalaze u računalu. Napajanja velike snage su također izvor velikog šuma. Što je još gore, zbog svojeg načina rada, oni proizvode šum u cijelome frekvencijskom području. Dakle, kućište računala je velik izvor elektromagnetskog zračenja. Sve to smanjuje dinamiku audiosignala. Kod prijenosnih računala je taj problem manje izražen.

Drugi problem jest konstrukcija zvučnih kartica, odnosno ograničenje napajanja. Napon od 5 V kojim se obično napajaju zvučne kartice, ograničava maksimalan ulazni napon audiosignala, koji se kreće oko 2 V. U slučaju zvučnih kartica s vanjskim napajanjem stvar je nešto bolja. Ako se uzme u obzir to da se razina šuma kreće oko 1 mV, tada dolazimo do dinamike od 60-ak decibela, što je daleko od teoretskih 96 ili 144 dB. Ukoliko se želite baviti glazbom, birajte zvučne kartice koje imaju vanjska napajanja, odnosno vanjske konzole koje se ne ugrađuju u kućište računala, nego se spajaju preko kabela koji prenosi digitalni signal, primjerice USB ili FireWire.

Uzorkovanje signala
Druga važna karakteristika analogno-digitalne i digitalno-analogne pretvorbe jest frekvencija uzorkovanja. Kvantizacija se obavlja u određenim vremenskim trenucima. Kako računalo ne može obrađivati kontinuirane signale, odnosno ograničeno je na određeni takt procesora, tako se i audio-signali moraju uzorkovati da bi se pretvorili u digitalni oblik. Ritam uzorkovanja određuje frekvencija uzorkovanja, koja određuje vremenske trenutke u kojima se ti uzorci uzimaju. U slučaju audio CD-a, ta frekvencija uzorkovanja je 44,1 kHz. Frekvencija uzorkovanja određena je najvećom frekvencijom signala koji se treba pretvoriti u digitalni oblik. Slušno frekvencijsko područje ljudskog uha ograničeno je na frekvencije od 20 Hz do 20 kHz, što znači da je najveća frekvencija koja se može pojaviti u audiosignalu 20 kHz. Prema teoriji, frekvencija uzrokovanja mora biti minimalno duplo veća od najveće frekvencije u signalu pa se kod audio CD-a koristi spomenutih 44.1 kHz. Kako ne bi došlo do takozvanih aliasing izobličenja, prije uzorkovanja analogni signal treba filtrirati, s time da gornja granična frekvencija filtra mora biti blizu najveće frekvencije u signalu. Problem je u tome što se ne može napraviti idealno strm filtar, nego realni filtri imaju određeni pad pa se frekvencija uzorkovanja obično diže na više frekvencije. Što je frekvencija viša, to taj filtar može imati blaži pad, što opet utječe na manja fazna izobličenja. Stoga se za profesionalne svrhe rabe puno više frekvencije uzorkovanja, koje se kreću oko 192 kHz ili više. Ove frekvencije uzorkovanja se mogu naći i u skupljim zvučnim karticama, posebice u segmentu D/A pretvarača.

Obrada zvuka

Jedan od važnijih dijelova svake zvučne kartice jest procesor, koji u modernim zvučnim karticama ima puno veću ulogu od puke pretvorbe iz analognog u digitalni signal i obratno. Riječ je o specijaliziranom procesoru koji preuzima dio obrade signala na sebe, glavni procesor računala postaje manje opterećen, a time je i računalo brže. Jedan takav zadatak je pretvorba 5.1 digitalnog audio zapisa s DVD-a u analognih šest ili čak osam kanala koji se rabe kod igrica. Međutim, to je bio njegov najveći zadatak prije nekoliko godina. Novi modeli zvučnih kartica kao što je Creativeov X-Fi imaju puno veću ulogu. Njihove su mogućnosti podignute na veću razinu.

Memorija na zvučnim karticama je sve većega kapaciteta. Creativeova AWE 64 kartica, koja je imala 64 kB memorije, bila je pravi hit prije desetak godina! Današnji modeli imaju 64 MB, a to mnogo govori o mogućnostima. Memorija se prvenstveno rabi za spremanje audiouzoraka koji se rabe za generiranje određenih tonova i signala, posebice instrumenata. Već moderni mobiteli imaju mogućnost sviranja polifonih melodija, a zvučne kartice imaju daleko jače mogućnosti.

Generatori u prvim zvučnim karticama su rabili takozvanu FM sintezu. U FM sintezi raspolaže se sa nekoliko generatora sinusnog signala kojima se može mijenjati frekvencija i amplituda. Zbrajanjem tih sinusnih signala dobivaju se različiti tonovi, ali koji nisu nimalo sličili realnim zvučnim signalima. To je zvučalo kao kada netko po klaviru udara tipke jednoliko i u istome ritmu.

Sljedeći korak je bila takozvana wavetable sinteza. Korišteni su jednaki sinusni generatori, ali u ovom slučaju moglo se utjecati i na druge parametre tih signala, osobito na dinamičke. Promjenom brzine rasta i pada, odjekom, dodavanjem echo-efekta, zvuk koji je dolazio iz zvučnih kartica bio je puno realniji i življi a instrumenti su zvučali prirodnije.

Uz pomoć moćnih programa, moderne zvučne kartice rabe generiranje zvuka na bazi fizikalnih modela. To znači da je svaki instrument opisan određenim fizikalnim veličinama i jednadžbama te je generiranje zvuka postalo puno složenije, ali i puno realnije. Tehnologija se razvila do razine da većina ljudi neće uočiti razliku između stvarne i generirane snimke nekog instrumenta. To jako puno znači "kućim" glazbenicima, koji sada s jednim klavijaturama u svojoj sobi mogu simulirati cijeli orkestar. Sviranjem po tipkama klavijature mogu se "svirati" razni instrumenti, od flaute do gitare, samo u odgovarajućem programu treba odabrati određeni instrument i ubaciti note. Sve ostalo će obaviti zvučna kartica i računalo.

Uloga zvučnih kartica u igrama

Još jedan važan zadatak svake zvučne kartice jest obrada zvuka prilikom igranja. To znači da se zvuk u igrama obradi na način da se i na samo dva zvučnika može dobiti osjećaj prostora. Ove karakteristike spadaju u takozvane 3D mogućnosti zvučne kartice. Osnovni način obrade jest taj da kartica primi stereosignal i tako obradi ga na način koji daje prostorni raspored. To se dobiva raznim filtriranjem i kašnjenjem signala, dodavanjem jeke i slično. Proizvođači igara sve više to uzimaju u obzir, u igre ubacuju posebne funkcije i naredbe koje zvučne kartice razumiju, čime obrada zvuka postaje realnija. Naravno, sva ta silna obrada signala zahtijeva brze procesore, pa je tako jedan od kriterija usporedbe procesora na zvučnim karticama broj audiokanala koje mogu istovremeno obrađivati.

X-Fi kartice cijelu priču podižu na višu razinu, tako da unose dodatnu obradu digitalnog signala, koja ima za cilj povećanje kvalitete reprodukcije, posebice MP3, odnosno komprimiranih zapisa.

Kod profesionalnih zvučnih kartica koje imaju više audiokanala, na koje se spajaju različiti instrumenti ili uređaji, problem je niska latencija. Upravo na ovom problemu se vidi prava snaga procesora jer on mora moći istovremeno obrađivati, snimati i reproducirati sve audiokanale bez kašnjenja, a ta se razlika u vremenu očituje kao latencija.

Unutarnje i vanjske zvučne kartice

Prilikom kupnje zvučne kartice najveća dvojba je kupiti unutrašnju ili vanjsku? Kod prijenosnih računala to nije dilema jer nema izbora. Za bolji zvuk na laptopu potrebno je kupiti vanjsko rješenje. Problem s unutrašnjim karticama jest u tome što su podložne šumu računala koji nije moguće izbjeći, iako to ne znači da je svaka USB zvučna kartica bolja od bilo koje PCI kartice. Prednost vanjskih zvučnih kartica je u tome što su njihovi analogni krugovi donekle odvojeni od računala te je moguće postići veću dinamiku. Međutim, ako se opet napajaju preko USB ili FireWire sučelja, dinamika opet ne mora biti zadovoljavajuća. Vanjske zvučne kartice s vanjskim napajanjem pružaju najbolje karakteristike, što znači da se kabelom prenose samo digitalni podaci, a napajanje dolazi s druge strane. Vanjsko napajanje također omogućuje da se na ulaze zvučne kartice dovede veći ulazni napon.

Broj i vrsta priključaka se također znatno razlikuje kod unutrašnjih i vanjskih kartica. Vanjski sklopovi i kućišta zvučnih kartica nude puno više opcija spajanja, a osim toga na sebi imaju i dodatne potenciometre za reguliranje razine signala. Moderna je zvučna kartica nezamisliva bez barem šest izlaza preko kojih se može spojiti 5.1 zvučnički sustav, ali niti bez optičkog ili koaksijalnoga digitalnog priključka za spajanje zvučne kartice na digitalni prijamnik. U slučaju ozbiljnog bavljenja glazbom, broj priključaka bi mogao znatno porasti te će možda biti potreban i mikrofonski priključak koji u sebi ima ugrađeno fantomsko napajanje za kondenzatorske i elektretske mikrofone.

Problem s vanjskim karticama je u odabiru priključka, jer će o tome ovisiti brzina prijenosa podataka. Na primjer, brzina protoka audio CD-a je oko 1,4 Mbita/s (2 kanala x 16 bita x 44100 1/s = 1,411 Mbita/s) što je otprilike 176 kB/s. Ako se u obzir uzme šest kanala kod 5.1 sustava, brzina protoka se penje na 529 kB/s, što već nije mala brojka za vanjske zvučne kartice koje se spajaju preko USB sučelja. Kod profesionalnih zvučnih kartica koje istovremeno moraju baratati s više ulaznih i izlaznih kanala, s većim brojem bita i višom frekvencijom uzorkovanja, protok podataka se brzo penje i nije svejedno koji priključak odaberete. U tom slučaju proizvođači rabe posebno razvijene načine komunikacije s računalom koji će omogućiti optimalan prijenos podataka.

A/D pretvaranje

Kvaliteta analogno-digitalne pretvorbe ovisi o broju bita za kvantizaciju i frekvenciju uzorkovanja. Što je broj bita veći, to će se vrijednost analognog signala moći podijeliti finije, na manje dijelove, odnosno moći će se zabilježiti i najmanje promjene u veličini signala. Što je pak frekvencija uzorkovanja veća, to će se moći zabilježiti veća frekvencija. U slučaju ljudskog sluha to je 20 kHz.

Priključci i kontrole

Za ozbiljno bavljenje glazbom najbolje je odabrati neku od vanjskih zvučnih kartica koje ne samo da će imati više ulaznih i izlaznih priključaka, nego i više vrsta priključaka, te kontrole za regulaciju glasnoće ili preusmjeravanje signala. Važna stvar za svakog glazbenika je spajanje mikrofona na zvučnu karticu, tako da je za spajanje kondenzatorskog mikrofona potrebno fantomsko napajanje.

Vanjske poveznice