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聲卡原理初探 ZT | |
近年來聲卡成長快速, 使用者在采購時, 往往不知所從而難以選擇。但是就音效 卡的一些基本原理來看,其實都是一樣的, 所以我們將從聲音的數位化開始介紹, 進而說明聲卡的基本原理及對聲音的處理流程, 並配合實際的聲卡來解說。相信看完本文以後讀者對音 效卡定能有更深一層的認識。 從聲音數位化談起 在自然界我們所聽到的聲音都是經由空氣或一些介質所傳播的, 就物理學的觀點來看, 聲音可以用波形圖表示出音高(Pitch)、音量(Volume)、音色(Tone或Timbre) 叁種組成要素。這些聲音都是連續的訊號,也就是所謂的類 比訊號;然而我們都清楚電腦隻能處理0或1的數位訊號, 也就是不連續的訊號。由此可 見一片聲卡最基本的功能,就是要有把所錄到的類比訊號轉換成為電腦可 以接受的數位訊號,以及將處理完成的數位音源訊號轉換成類比音源訊號輸出,一般將這兩種過程稱作:Analog-to-Digital Conversion (ADC) 與Digital- to-Analog Conversion (DAC)。 取樣頻率與解析度 通常要把類比訊號轉換成數位訊號時,必須經過一種取樣(sampling)的過程。在取樣的過程中有幾個參數會影響到轉換後聲音的品質, 其中之一就是取樣頻率(sampling rate)。一般而言取樣頻率要高過原音源的最高頻率才行,其單位是以赫茲(Hz)來表示, 1Hz就代表每秒 取樣一次,人類所能聽到的聲 音頻率最高大約在20KHz左右, 所以取樣頻率至少要高於20kHz。另一個影響因素是取樣解析度(samplingresolution), 取樣解析度可以用位元(bits)來解釋, 如果聲卡是8位元, 就是每次取樣的數據可解析成 2的8次方 = 256種表示等級, 所以如果 是16位元的聲卡就有65536種, 如果不考慮設計的因素, 解析度高的16位元聲卡要比8位元聲卡來的好聽。 采樣頻率是指每秒鍾對音頻信號的采樣次數。單位時間內采樣次數越多，即采樣頻率越高，數字信號就越接近原聲。根據奈魁斯特的采樣定理，采樣頻率隻要達到信號最高頻率的兩倍，就能精確描述被采樣的信號。一般來說，人耳的聽力範圍在20hz到20Khz之間，因此，隻要采樣頻率達到20Khz×2=40Khz時，就可以滿足人們的要求。現時大多數聲卡的采樣頻率都已達到44.1或48Khz即達到所謂的CD音質水平了。一般若要達到雷射唱機(即CD唱機)的水準,取樣解析度至少要16bit, 取樣頻率要在44.1KHz左右,這也就是為什麽目前一般聲卡的最高取樣頻率都是44.1KHz的原因。 這裏順便提一下，我常聽一些人說：SoundBlaster AWE32是32位聲卡，而SoundBlasterAWE64則是64位聲卡，因此音質比16位聲卡要好。其實這是認識上的一個誤區，以上兩款聲卡的“32”、“64”指的是32種複音與64位複音，複音越多，音效越逼真，但這與采樣位數無關。SoundBlasterAWE32 與SoundBlaster AWE64均為16位聲卡。 PCM與FM音源 在這整個取樣過程通常被稱為PCM(PulseCode Modulation), 以這種方式取得的音源就叫做PCM音源, 這與常聽到的FM(Frequency Modulation)合成音源是有所不同的;基本上, PCM音源比較接近原音,但也較容易產生雜訊, 而FM所合成的音源雖然較無雜訊,但是卻不夠傳真。 基本原理介紹 輸出入裝置 一片聲卡通常會有Line In/Line Out、MIC/Speaker Out 兩組輸出入插孔及一個15-pin的MIDI接頭, 而各家聲卡在製作上都有其考量, 所以會有些差異。如果要輸入CD或卡帶的音樂時,可以連接Line In, 至於用麥克風來輸入聲音, 就要連接在MIC接頭;這兩種輸入之差別在於其訊號的放大率不同。因為一般麥克風的訊號較小,所以MIC端的放大率會設計得較大, 並且會配合麥克風的特性來修正,所以一般音樂的輸入和麥克風最好分別輸往Line In及MIC不可混用,以免造成失真或放大率不足的情形。 至於Line Out與Speaker Out的區別也大致相同,如果聲卡輸出的聲音會透過具有功率 擴大功能的喇叭來播出的話,使用Line Out就 可以了,如果喇叭沒有任何擴大功能而且也沒有使用外部的擴大機,建議你最好使用Speaker Out的輸出, 因為通常聲卡會利用內部的功率擴大功能將聲音從Speaker Out 輸出, 一般聲卡最大輸出隻有4瓦左右。 特別說明：現在的板載聲卡上基本上就沒有Speaker Out輸出，隻有一個Line Out，音箱或耳機都是接在這個口上。 類比-數位/數位-類比(AD/DA)轉換(就是我們常說的模數/數模轉換) ●類比轉數位(ADC): 輸入的類比音源經過ADC後會被轉換成一係列的不連續訊號, 這也就是我們一開始所說的取樣(sampling) 。通常訊號擺動的範圍,必須在 A/D 轉換器可以適用的範圍內, 而且取樣的位元數不可太低,如此才能維持好的精準度。 ●數位轉類比(digital-to-,DAC):數位轉類比是將不連續的數位訊號, 轉換成連續性的類比聲音。實際上, 聲音從原先的類比音源轉成數位後, 經過聲卡的編輯處理, 再經由數位-類比的轉換,才可以從聲卡輸出, 這一連串的轉換處理過程,所輸出的聲音與原始的音源已經有所差別, 即一般所說的失真。 數位音源處理器(DSP） DSP (Digital Signal Processor)是一種數位訊號處理的晶片, DSP的功能通常包括了取樣頻率的控製, 對聲音的錄製與播放控製, 處理MIDI指令等等, 有些聲卡的DSP還有音源資料壓縮的功能。另外,如果聲卡有混音晶片(Mixerchip), 就可以透過軟體的操作來對聲音做各種控製,例如:音量的高低控製, 音場調整效果等。所以DSP可說是聲卡中非常重要的晶片,所有數位音源訊號的處理, 都可以說是DSP的功能範圍。至於聲卡中,是將所有功能都製作在同一片晶片裏, 或是各種功能獨自燒錄為單獨的晶片, 就完全看各聲卡廠商的設計了 跳接器Jumpers（即跳線） 跳接器通常是一組跳針所集合成的,主要的功能是用來定義一些主機板或介麵卡的硬體設定, 一個2-pin的跳針就隻有兩種設定方式:enable及disable。一組跳接器就是利用這種0或1的組合, 定義出各種不同的硬體設定,所以購買聲卡時一定要檢查是否有各種硬體跳接設定的說明。 音效合成裝置 在聲音訊號未經過DAC轉換之前都是數位式的, 我們可以將幾個數位訊號音源加以組合出各種聲音而產生音效, 這就是一般所稱的FM(Frequency Modulation, 調頻)。早期的聲卡大都使用Yamaha-3812、Yamaha-262這兩種晶片,在最早推出的Yamaha-3812晶片中是采用兩種音效合成的演算方法,一般也稱作OPL2, 至於 Yamaha-262,Yamaha-263一般則稱作OPL3及OPL4。 光碟機連接介麵 以前的獨立聲卡都會提供幾種光碟機(CD-ROM)的連接介麵, 這樣一來就可節省電腦中多占一片介麵卡的空間, 以 Sonud Blaster 音效卡為例, 就提供了SONY CD-ROM、Mitsumi CD-ROM及Creative CD-ROM的叁種連接介麵。在購買聲卡時, 最好要考慮與光碟機的搭配, 以免造成困擾。（這個估計隻有老玩家才用過的功能，現在的聲卡上很少有了，板載聲卡上就壓根沒了） 聲音基本處理流程
當一個音源輸入後, 會先經過濾波器做預先的取樣、類比轉數位的變換, 再由數位訊號處理晶片(DSP)負責將此音源做各種處理,其中可能包括由FM晶片產生合成音效, 或是到WaveTable取出音源, 更可以透過匯流排介麵晶片(Bus Interface chip)存取光碟機或硬碟中的音效檔案, 這些經過處理後的數位音源,再透過數位轉類比的變換而輸出。有些聲卡含有混音處理晶片(Mixerchip), 可以處理多種音源的輸入並提供 軟體調整音量的功能。 何謂MIDI？MIDI英文全名為Musical Instrument，簡單來說是為連接各種電子樂器及相關儀器的通訊標準。最早MIDI的統一規格是從日本開始, 後來美國也成立「國際MIDI協會(International MIDI Association, 簡稱IMA MIDI，即樂器數字化接口，是一種用於計算機與電子樂器之間進行數據交換的通信標準。MIDI文件（通常以.mid為文件擴展名）記錄了用於合成MIDI音樂的各種控製指令，包括發聲樂器、所用通道、音量大小等。由於MIDI文件本身不包含任何數字音頻信號，因而所占的貯存空間比wav文件要小得多。MIDI文件回放需要通過聲卡的MIDI合成器合成為不同的聲音，而合成的方式有FM（調頻）與Wave table（波表）兩種。早期的聲卡及目前大多數廉價的聲卡都采用的FM合成方式。FM合成是通過振蕩器產生正弦波，然後再疊加成各種樂器的波形。由於振蕩器成本較高，即使是OPL3這類高檔的FM合成器也隻提供了4個振蕩器，僅能產生20種複音。因此MIDI音樂聽起來生硬呆板，帶有明顯的人工合成色彩，即所謂的電子聲。 合成不同，波表合成是采用真實的聲音樣本進行回放。聲音樣本記錄了各種真實樂器的波形采樣，並保存在聲卡上的RAM中。因此，要分辨一塊聲卡是否波表聲卡，隻需看卡上有沒有ROM或RAM存儲器即可。 |
