声卡

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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] 
中文名
声卡
外文名
Sound Card
别    称
音频卡
基本功能
把原始声音信号加以转换
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

声卡发展历史

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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,而且音质现在看来简直是烂到极点,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Iphone等网络电话来交谈,几乎每一样事情都和PC音频发生关系,也就没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,现在看来,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] 

声卡组成

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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/DD/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] 

声卡基本结构

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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
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] 
声卡 声卡

声卡工作原理

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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] 
声卡 声卡

声卡主要作用

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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 [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 声卡

声卡类型

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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] 

声卡板卡式

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] 

声卡集成式

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] 

声卡外置式

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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参考资料
  • 1.    李小平,赵丰年,徐建强,王正宏,罗佳,明道福,张琳编著;张剑军主审,多媒体技术(第2版)=MULTIMEDIA TECHNOLOGY,北京理工大学出版社,2015.11,第9页
  • 2.    朱范德主编,多媒体技术概论,东南大学出版社,2006年02月第1版,第31页
  • 3.    杜飞明主编;张迎献副主编;何亨贵,祝旭参编,计算机组装与维护 第2版,西安电子科技大学出版社,2012.05,第130页
  • 4.    高敬阳.大学计算机基础:清华大学出版社,2011
  • 5.    帅志军,洪晓静主编;颜建仁,杨志成,蔡龙飞,梅江为副主编;辛诚琨,姚昕凡,杨清华,王日旭参编;王和平主审,计算机组装与维护实用教程,中国铁道出版社,2012.07,第77页
  • 6.    怡丹科技工作室编,2009电脑小百科系列 电脑组装与系统安装,清华同方光盘电子出版社,2009.01,第250-251页
  • 7.    袁飞云编,计算机组装与维护教程,西北工业大学出版社,2010.07,第124页
  • 8.    王希望主编;赵艳,刘永福,王福顺副主编,新编计算机组装与维护 第2版,中国铁道出版社,2015.01,第141页
  • 9.    马琰主编;史志英主审;史志伟,郑洲,徐霖副主编,计算机系统维护,东南大学出版社,2016.07,第51-52页
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