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声卡 计算机多媒体系统中最基本的组成部分
failurewyy
>《图像与音频》
2024.01.31 广东
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声卡 (Sound Card)也叫音频卡(
港台
称之为声效卡),是
计算机多媒体
系统中最基本的组成部分,是实现声波/
数字信号
相互转换的一种硬件。声卡的
基本功能
是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换,输出到耳机、
扬声器
、
扩音机
、
录音机
等声响设备,或通过音乐设备数字接口(
MIDI
)发出合成乐器的声音 [1]。
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计算机基本组成部分共9个词条25.7万阅读
显卡显卡(Video card、Display card、Graphics card、Video adapter)是个人计算机基础的组成部分之一,将计算机系统需要的显示信息进行转换驱动显示器,并向显示器提供逐行或隔行扫描信号,控制显示器的正确显示,是连接显示器和个人计算机主板的重要组件,是“人机”的重要设备之一,其内置的并行计算能力现阶段也用于深度学习等运算。
主板主板,又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)、或母板(motherboard),是计算机最基本的同时也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。
电源电源是将其它形式的能转换成电能并向电路(电子设备)提供电能的装置。电源自“磁生电”原理,由水力、风力、海潮、水坝水压差、太阳能等可再生能源,及烧煤炭、油渣等产生电力来源。常见的电源是干电池(直流电)与家用的110V-220V 交流电源。
中央处理器中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU自产生以来,在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。
中文名
声卡
外文名
Sound Card
别 名
音频卡
基本功能
把原始声音模拟
信号
和二进制数字信号加以转换
释 义
实现
声波
/
数字信号
相互转换的一种
硬件
学 科
信息科学
目录
1
发展历史
2
组成
3
基本结构
4
工作原理
5
主要作用
6
类型
▪
板卡式
▪
集成式
▪
外置式
发展历史
播报
编辑
世界上第一块声卡叫做ADLIB魔奇音效卡,于1984年诞生于英国的ADLIB AUDIO公司。可以说ADLIB公司是名副其实的“声卡之父”。当然,那时的技术还很落后,在性能上存在着许多
不足之处
,就拿这块声卡来说,它是
单声道
的,而且音质简直是烂到极点,但无疑它的诞生,开创了电脑
音频技术
的先河 [2]。
真正把声卡带入
个人电脑
领域的,是由
新加坡创新公司
董事长
沈望傅
先生发明的Sound Blaster“
声霸卡
”。这只声卡在当时引起了一场轰动。有的人认为,这是一个很好的开端,因为PC终于可以“说话”了,并联想到将来多媒体PC的模样。但另有一些人却认为,这只是一场闹剧(因为当时的声卡根本不能够发出很真实的声音)。但是,10年过后,正如前者所预料的,多媒体PC成了现今的标准,每个人都能利用自己的PC来听CD、玩有声游戏、通过手机等
网络电话
来交谈,几乎每一样事情都和PC音频发生关系,也就有了缤纷多彩的多媒体世界 [3]。
就在人们对PC音频满怀疑虑的时候,第一张“真正”的声卡出现了,它就是著名的Sound blaster 16,这块卡之所以名为16,是因为它拥有16位的
复音数
(是指在回放MIDI时由声卡模拟出所能同时模拟发声的乐器数目),该声卡能较为完美地合成
音频效果
,具有划时代的意义,我们终于能把烦人的PC喇叭给拆掉了 [3]。
第二次重大变革是Sound blaster 64 Gold,这是第一只让人发出惊叹的声卡,采用了EMU8000
音频芯片
的SB 64 Gold无论是其价格还是性能都让人大吃一惊,原来声卡也可以卖那么贵啊?原来声卡发出的声音也能如此动听!Emu8000芯片破天荒地支持64位复音数(32个是硬件执行,另外32个由Creative开发的软件生成),镀金的
接线端子
,120db的
动态范围
,96db的
信噪比
,相信音质比那时的一些国产CD机还要好!一切都是为了获得最高质量的
音响效果
而定做的。当然,该声卡的缺点还是明显的,一是使用了
ISA总线
,限制了PC音频系统的发挥,只能实现虚拟的3D
音频技术
,而且在播放中,由于使用了低带宽的ISA总线,因此在
信噪比
和
保真度
方面还有一定的问题;另外就是必须采用板载的“
声存
”(用来存放
音色库
的内存),而且这些声卡的内存异常昂贵(其实也不就是普通的
DRAM
嘛),原来只带了4MB,为了能获得更好的合成效果,许多专业的MIDI制作人士还是掏钱加上了更多的声存,以存放更好效果的音色库。通过这样的结合,Sound blaster 64 Gold能回放出很悦耳的合成音乐,一度令许多电脑MIDI
发烧友
为之兴奋 [3]。
在这两个
发展阶段
里,Creative成了老大哥,其他的声卡产品相比起它来就像是绿叶和红花的关系,越发衬托出Sound blaster的伟大。当然,在其他的声卡中也出了几个精品,像Ess logic的ESS688F,Topstar的Als007等,它们都是以极为低廉的价格提供了与Sound blaster 16相近的性能,当年很多兼容机装的都是这两种声卡。在声卡的发展历史上,有
代表性
的作品几乎都是Creative(创新)公司的产品,由此我们也看出该公司在这方面的领导作用。Creative在声卡界的地位就和CPU界的Intel以及软件业的Microsoft一样,是行业中的标准 [3]。
对
3D音效
的渴求促使了第三次声卡大变革,Soundblaster 64 Gold率先支持了模拟3D音效,但同时由于ISA总线带宽太窄了,限制了声卡的再度发展,因此
PCI
声卡是注定要诞生的。第一只PCI声卡是S3的Sonics Vibes,它拥有一个32位复音的
波表
生成器,支持Microsoft Direct Sound和Direct Music加速。并且附带了SRS 3D音效和Infinipatch downloadable音色库下载标准。同时,它也带来了与
DOS
环境的极不兼容(那时还有相当一部分人使用DOS操作系统)音频回放时的
爆音
,回放MIDI时的噪音和相对拙劣的回放效果,这使得PCI声卡产品成为了一种让人们产生争议的产品 [3]。
但随着Sound blaster推出了另一个划时代的巨作Sound blaster Live,之后(在此之前发布的PCI64、128等声卡是收购了Ensoniq公司后采用它们开发的芯片制作的),人们对PCI声卡的优越性也深信不疑了(看看那个价钱,你当然要相信它是好东西了)。由于采用了
PCI总线
结构,声卡与系统的连接有了更大的带宽,一些在ISA声卡上没有能力实现的效果,如使用Downloadable(能够下载)的音色库,更为逼真的3D音效,更好的音质和
信噪比
等,都把PC音频推向了另一个高峰。在这里,我们要留意,PC音频更新的周期没有CPU和
显示卡
那么快,它只是一个循序渐进的过程,真的不够用了,才会出现和研发它的改进或
替代产品
,所以说,投资一个好的PC音频系统是非常值得的,起码不会迅速地被淘汰 [3]。
当今PC音频的进一步发展变化将主要体现在以下4个方面:ISA声卡向
PCI
声卡过渡;更为逼真的回放效果;高质量的3D音效;转向
USB
音频设备
[3]。
组成
播报
编辑
数字信号处理芯片
数字信号处理芯片可以完成各种信号的记录和播放任务,还可以完成许多处理工作,如
音频压缩
与解压缩运算、改变
采样频率
、解释MIDI指令或符号以及控制和协调
直接存储器访问
(
DMA
)工作 [4]。
A/D
和D/A转换器
声音原本以模拟波形的形式出现,必须转换成数字形式才能在计算机中使用。为实现这种转换,声音卡含有把模拟信号转成数字信号的
A/D转换器
,使数据可存入磁盘中 [4]。
为了把声音
输出信号
送给喇叭或其他设备播出,声卡必须使用D/A转换器,把计算机中以数字形式表示的声音转变成模拟信号播出 [4]。
总线接口
芯片
总线接口芯片在声卡与
系统总线
之间传输命令与数据 [4]。
音乐合成器
音乐合成器负责将数字音频波形数据或MIDI消息合成为声音 [4]。
混音器
混音器可以将不同途径,如话筒或
线路输入
、CD输入的声音信号进行混合。此外,混音器还为用户提供软件控制音量的功能 [4]。
基本结构
播报
编辑
声音控制芯片
声音控制芯片是把从
输入设备
中获取声音
模拟信号
,通过
模数转换器
,将声波信号转换成一串
数字信号
,采样存储到电脑中。重放时,这些数字信号送到一个
数模转换器
还原为模拟波形,放大后送到扬声器发声 [5]。
数字信号处理器
DSP芯片
通过编程实现各种功能。它可以处理有关声音的命令、执行压缩和解压缩程序、增加特殊声效和传真MODEM等。大大减轻了
CPU
的负担,加速了多媒体软件的执行。但是,低档声卡一般没有安装DSP,高档声卡才配有
DSP芯片
[6]。
FM合成芯片
低档声卡一般采用FM合成声音,以
降低成本
。FM合成芯片的作用就是用来产生合成声音 [6]。
波形合成表
在
波表
ROM中存放有实际乐音的声音样本,供播放
MIDI
使用。一般的中高档声卡都采用波表方式,可以获得十分逼真的使用效果 [6]。
波表
合成器
芯片
该芯片的功能是按照
MIDI
命令,读取
波表
ROM中的样本声音合成并转换成实际的乐音。低档声卡没有这个芯片 [6]。
跳线
跳线是用来设置声卡的硬件设备,包括
CD-ROM
的I/O地址、声卡的
I/O地址
的设置。声卡上游戏端口的设置(开或关)、声卡的IRQ(
中断请求
号)和
DMA通道
的设置,不能与系统上其他设备的设置相冲突,否则,声卡无法工作甚至使整个
计算机死机
[7]。
(1)I/O口地址
PC机所连接的外设都拥有一个输入/输出地址,即I/O地址。每个设备必须使用唯一的I/O地址,声卡在出厂时通常设有缺省的
I/O地址
,其地址范围为220H~260H [7]。
(2)IRQ(
中断请求
)号
每个
外部设备
都有唯一的一个
中断号
。声卡
Sound Blaster
缺省IRQ号为7,而Sound Blaster PRO的缺省IRQ号为5 [7]。
(3)DMA通道
声卡录制或播放数字音频时,将使用DMA通道,在其本身与
RAM
之间传送
音频数据
,而无需CPU干预,以提高
数据传输
率和CPU的利用率。16位声卡有两个DMA通道,一个用于8位音频
数据传输
,另一个则用于16位音频数据传输 [7]。
(4)
游戏杆
端口
声卡
声卡上有一个游戏杆连接器。若一个游戏杆已经连在机器上,则应使声卡上的游戏杆跳接器处于未选用状态。否则,2个游戏杆互相冲突 [7]。
工作原理
播报
编辑
声卡
声卡从话筒中获取声音
模拟信号
,通过
模数转换器
(
ADC
),将声波
振幅
信号采样转换成一串数字信号,存储到计算机中。重放时,这些数字信号送到
数模转换器
(DAC),以同样的采样速度还原为模拟波形,放大后送到
扬声器
发声,这一技术称为
脉冲编码调制
技术(
PCM
) [8]。
主要作用
播报
编辑
1、
数字声音
文件。通过声卡及相应的
驱动程序
的控制,采集来自话筒、
收录机
等音源的信号,压缩后被存放在
计算机系统
的内存或硬盘中 [6]。
2、
激光盘
压缩的数字化声音文件还原成高质量的声音信号,放大后通过
扬声器
放出 [6]。
3、数字化的声音文件进行加工,以达到某一特定的音频效果 [6]。
4、音量,对各种音源进行组合,实现混响器的功能 [6]。
5、合成技术,通过声卡朗读文本信息。如读
英语单词
和句子,奏音乐等 [6]。
6、音频识别功能,让操作者用口令指挥计算机工作 [6]。
7、
电子乐器
。另外,在
驱动程序
的作用下,声卡可以将MIDI格式存放的文件输出到相应的电子乐器中,发出相应的声音。使电子乐器受声卡的指挥 [6]。
声卡
类型
播报
编辑
声卡发展至今,主要分为板卡式、集成式和外置式三种
接口类型
,以适用不同用户的需求,三种类型的产品各有优缺点 [9]。
板卡式
卡式产品是现今市场上的
中坚力量
,产品涵盖低、中、高各档次,售价从几十元至上千元不等。早期的板卡式产品多为ISA接口,由于此接口
总线带宽
较低、功能单一、占用
系统资源
过多,已被淘汰。
PCI
则取代了ISA接口成为主流,它们拥有更好的性能及
兼容性
,支持
即插即用
,安装使用都很方便 [9]。
集成式
声卡只会影响到电脑的音质,对PC用户较敏感的
系统性能
并没有什么关系。因此,大多用户对声卡的要求都满足于能用就行,更愿将资金投入到能增强系统性能的部分。虽然板卡式产品的兼容性、易用性及性能都能满足
市场需求
,但为了追求更为廉价与简便,集成式声卡出现了 [9]。
此类产品集成在主板上,具有不占用
PCI接口
、成本更为低廉、兼容性更好等优势,能够满足普通用户的绝大多数音频需求,自然就受到市场青睐。而且
集成声卡
的技术也在不断进步,PCI声卡具有的
多声道
、低
CPU
占有率
等优势也相继出现在集成声卡上,它也由此占据了
主导地位
,占据了声卡市场的大半壁江山 [9]。
集成声卡大致可分为
软声卡
和硬声卡,软声卡仅集成了一块
信号采集
编码的Audio CODEC芯片,声音部分的数据处理运算由CPU来完成,因此对cpu的占有率相对较高。硬声卡的设计与pci式声卡相同,只是将两块芯片集成在主板上 [9]。
外置式
声卡
是
创新公司
独家推出的一个新兴事物,它通过
USB接口
与PC连接,具有使用方便、便于移动等优势。但这类产品主要应用于
特殊环境
,如连接笔记本实现更好的音质等。市场上的
外置声卡
并不多 [9]。
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