Hardware pro multimedia. Zvukové karty, A/D a D/A převodníky (od historie k dnešku)

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 (POT- KEYBOARD), 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 4000 45454 AWE32 5000 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 4000 45454 AWE32 5000 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 4000 45454 AWE32 5000 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 4000 45454 AWE32 5000 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 128- notové 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 V šš, 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 V šš, vstup 0,2 V, do 100 m, nebo asymetrické koaxiální propojení 75 Ω, buzení 1-1,2 V šš, 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_doc- BC77A7A4115424A5C125725D005327DE.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_doc- 29CA9DB040C60953C1257781003EA71A.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]