Karty dźwiękowe

Dźwięk przestrzenny i inne technologie. Wejścia/Wyjścia

rzetworniki CA/AC mają kluczowe znaczenie, jeśli chodzi o wierne odtworzenie cyfrowo zapisanej muzyki. Karta dźwiękowa nie zajmuje się jednak tylko i wyłącznie tłumaczeniem bit za bitem nagranego wcześniej przekazu audio. Nawet antyczne konstrukcję kart muzycznych posiadały wyspecjalizowane układy odpowiedzialne za pośrednie tworzenie dźwięku. Można się tu doszukać analogii do pewnej popularniejszej rodziny podzespołów komputerowych, a mianowicie kart graficznych. Nawet kilkuletnia taka karta potrafi prawidłowo wyświetlić obraz w wysokiej rozdzielczości, a jednak jest to jeden z najczęściej wymienianych komputerowych elementów. Wszyscy zdają sobie sprawę z faktu, że chociaż CPU decyduje o tym, co ma być wyświetlone na ekranie, nie zajmuje się wszystkimi obliczeniami. Pozostawiając większość kalkulacji GPU, który tworzy obraz na podstawie otrzymanych instrukcji, procesor może przeznaczyć swoje zasoby na inne cele.

Bardzo podobnie jest w przypadku kart muzycznych. Jednym z najstarszych sposobów generowania dźwięku w kartach muzycznych jest synteza FM (Frequency Modulation) - taka, jak we wspomnianych już kartach AdLib. Technika ta jest dosyć prosta. Syntezator wyposażony w liczne generatory wytwarza falę sinusoidalną o zadanej częstotliwości (tzw. falę nośną). Czysta fala sinus brzmi bardzo sztucznie, więc jest ona modyfikowana jest przez inne, równolegle tworzone fale modulujące. Proces modyfikacji fali nośnej przy pomocy innych fal nazywa się właśnie modulacją częstotliwości. Wygenerowany sygnał może być dodatkowo poddany filtracji, a w efekcie na wyjściu karty muzycznej otrzymujemy znośny dla ucha dźwięk.

Synteza FM nigdy nie była rozwiązaniem idealnym. Uzyskane tą techniką dźwięki nie brzmiały źle, ale jednocześnie niespecjalnie przypominały odgłosy występujące w przyrodzie, czy wydawane przez prawdziwe instrumenty muzyczne. Rozwiązaniem tego problemu miała być synteza Wave-Table. Dźwięki generowany przy pomocy tej techniki nie są tworzone od podstaw przez syntetyzer. W pamięci (niegdyś ROM na karcie muzycznej, teraz w pliku na dysku) przechowywany jest rzeczywisty przebieg przykładowego dźwięku - np. pianina, a (w uproszczeniu) jego odtwarzanie tego przykładowego sygnału z różną prędkością pozwala na stworzenie dźwięków o pożądanych częstotliwościach. Końcowy efekt, podobnie jak w przypadku syntezy FM, może poprawić dalsza cyfrowa filtracja otrzymanego przebiegu.

Naturalnie współczesne  karty muzyczne nie są wyposażane w potężne procesory tylko po to, by udawać orkiestrę symfoniczną. Duża część mocy obliczeniowej jest przeznaczona do stworzenia wiarygodnego dźwięku przestrzennego. Nie chodzi tu tylko o otoczenie słuchacza dźwiękami pochodzącymi z różnych stron. W grach komputerowych odtworzenie trójwymiarowej przestrzeni jest tak samo ważne, jak wierne oddanie innych cech środowiska, w którym wirtualny dźwięk jest wytwarzany. Jedną z najbardziej znanych technologii komputerowego dźwięku przestrzennego jest promowany przez Creative standard EAX (Environmental Audio eXtensions), debiutujący wraz z pojawieniem się na rynku karty Sound Blaster Live!. Oprócz obsługi kilku niezależnych kanałów dźwiękowych wspomniana karta muzyczna potrafiła obsłużyć pewne predefiniowane efekty środowiskowe (jak np. korytarz, czy jaskinia). W wersji EAX 2.0 efekty środowiskowe zaczęły być zależne od położenia źródeł dźwięku względem słuchacza; jeśli w wirtualnym świecie pomiędzy źródłem a graczem stała jakaś przeszkoda, można to było usłyszeć. W kolejnych wersjach EAX duży skok jakościowy zapewniło dodanie obsługi kilku środowisk jednocześnie - gość wirtualnego świata może przecież znajdować się w jednym miejscu, a źródło dźwięku w całkiem innym i w rzeczywistości można to usłyszeć. Majstersztykiem zdaje się być udostępnienie technologii dźwięku przestrzennego przy odsłuchu na zwykłych słuchawkach stereo. Może się to wydawać w pierwszym momencie wręcz nieprawdopodobne, ale wystarczy sobie uświadomić, że na co dzień korzystamy tylko z jednej pary uszu. Logicznie rzecz biorąc, powinniśmy rozpoznawać co najwyżej, że dźwięk dobiega z lewej lub prawej strony. Na szczęście ludzki mózg to bardzo zaawansowany biologiczny przetwornik sygnałowy. Rozważmy następujący przykład:

Przede wszystkim, z racji odrobinę krótszego dystansu, fala dźwiękowa do lewego ucha słuchacza dociera wcześniej, niż do ucha prawego. Ponadto, sygnał odbierany przez prawe ucho jest nieznacznie stłumiony, ze względu na występowanie na jego drodze przeszkody, jaką jest głowa. Na tej podstawie identyfikujemy położenie źródła dźwięku na płaszczyźnie. Potrafimy również określić pionowe położenie źródła dźwięku, a to dzięki temu, że małżowina uszna zniekształca sygnał w zależności od kąta jego padania.
Przez całe życie uczymy się podświadomie rozpoznawać subtelne różnice w docierających do naszych uszu sygnałach dźwiękowych i to na tej podstawie nasz mózg automatycznie określa położenie źródła. Ten fakt wykorzystywany jest przy tworzeniu dźwięku przestrzennego - nawet na zwykłych słuchawkach. Karta muzyczna oszukuje nasze uszy - sztucznie preparuje efekty jakie powstają w rzeczywistym środowisku.

Doskonalenie technologii dźwięku przestrzennego to duże wyzwanie i na tym polu Creative nie jest pozbawiony konkurencji. Co ciekawe, standard EAX ma szanse odpaść z wyścigu, jako że nowy system operacyjny Microsoftu, Windows Vista, nie wspiera go - na rzecz konkurencyjnego OpenAL - Open Audio Library.

Wejścia/Wyjścia

Zdarza się, że ilość wyprowadzeń jest tak duża, że dla ich części niektóre z kart wykorzystują dodatkowy panel montowany na przykład w zatoce z przodu komputera. Jednak pomimo ogólnej mnogości wejść i wyjść karty muzycznej, możemy podzielić je jedynie na dwa typy: analogowe oraz cyfrowe. W najprostszym układzie, jak to ma miejsce dla układów zintegrowanych na płytach głównych, każde z analogowych wyjść ma postać standardowego gniada typu "jack" i odpowiada za dźwięk na jednej parze głośników czy słuchawek. Nieco inaczej sprawa przedstawia się w przypadku niektórych kart typu Sound Blaster - wyjść jest mniej, bo niektóre obsługują po trzy kanały dźwiękowe. Wejścia liniowe wyglądają identycznie jak wyjścia, a przeznaczone są do akwizycji analogowych sygnałów audio, pochodzących z urządzeń zewnętrznych (np. z mikrofonu).

Liczba dostępnych na kartach muzycznych gniazd cyfrowych jest o wiele skromniejsza i zazwyczaj ogranicza się do dwóch - jednego wejścia i jednego wyjścia typu SPDIF (Sony/Philips Digital Interconnect Format). Jedno złącze w zupełności wystarczy do transmisji dźwięku wielokanałowego. Rzecz w tym, że pojawiający się na wyjściu sygnał ma postać cyfrową i połączenie ma sens tylko w tedy, gdy po drugiej stronie znajduje się urządzenie cyfrowe potrafiące ten sygnał rozkodować. Z tego też względu nie ma mowy o podłączeniu do gniazda SPDIF zwykłych słuchawek. Pod złącze to można natomiast podpiąć zestaw kina domowego lub zaawansowany sprzęt do obróbki dźwięku.

Połączenie SPDIF występuje w dwóch odmianach: elektrycznym (coaxial) i optycznym (optical). W obu przypadkach  transmitowany sygnał ma postać cyfrową, jednak w pierwszym przypadku nośnikiem informacji są impulsy elektryczne, a w drugim - impulsy świetlne. Praktycznie rzecz biorąc, oba sposoby transmisji są jednakowo dobre. Zresztą, dokonania wyboru standardu ułatwiają nam producenci kart muzycznych umieszczając na swoich wyrobach najczęściej złącza jednego tylko rodzaju.

Choć gniazda SPDIF mają swój określony standard, firma Creative postanowiła pokusić się o swój własny. W przypadku kart Sound Blaster mamy do czynienia ze współdzielonym gniazdem analog/digital typu 'jack', które w zależności od ustawień programowych może pracować jako wejście/wyjście cyfrowe bądź jako wejście analogowe. W celu wykorzystania złącza cyfrowego na takiej karcie należy zaopatrzyć się w odpowiednią przejściówkę.