Vstupní a výstupní zvuková zařízení u osobních počítačů

52 Pages·2009·1.04 MB·Czech

Bankovní institut vysoká škola Praha
Katedra informačních technologií
VVssttuuppnníí aa vvýýssttuuppnníí zzvvuukkoovváá zzaařříízzeenníí uu oossoobbnníícchh ppooččííttaaččůů
Bakalářská práce

Autor: Martin Havel
Informační technologie
Vedoucí práce: Ing. Vít Fábera, Ph.D.
Praha Březen 2009
Prohlášení:
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci zpracoval samostatně a s použitím uvedené
literatury.
V Praze dne 20. března 2009 Martin Havel
Poděkování:
Děkuji vedoucímu bakalářské práce
Ing. Vítovi Fáberovi Ph.D.
za jeho čas, úsilí a konzultace poskytnuté k vypracování bakalářské práce.
Anotace
Předložená práce je zaměřena na vývoj zvukových možností osobních počítačů a shrnuje
směry, kterými se doposud vyvíjely. Zároveň se snaží nastínit budoucí vývoj a seznámit
čtenáře s moderními trendy reprodukce zvuku u počítačů. Práce je rozdělena do čtyř částí.
První část práce se zabývá zvukovými kartami a jejich vývojem. Představuje jednotlivé
zvukové karty, které přinesly nové technologie ovlivňující následující vývoj zvukové
reprodukce.
Druhá část práce se věnuje zvukovému signálu a jeho zpracování v PC. Seznámí s principy
digitálního signálu.
Třetí část práce ukáže na dnešní možnosti reprodukce zvuku. Seznámí se strukturou
reproduktorů a mikrofonů.
Čtvrtá část práce přináší závěry a zamyšlení nad vizí budoucího směřování vývoje
zvukových zařízení u PC.
Annotation
The following thesis is focused on the development of sound possibilities of personal
computers and summarizes ways that have evolved so far. At the same time it endeavours
to outline the future development and acquaints the readers with modern trends in
computer sound reproduction. The thesis is divided into four parts.
The first part of the thesis deals with sound cards and their development. It represents
a single sound card, which brought a new technologies affecting the following evolution of
sound reproduction.
The second part of the thesis attends to a sound signal and its processing in the PC.
Familiars with the principles of digital signal.
The third part of the thesis is dedicated to a today's possibilities of the sound reproduction.
Familiars with the structure of speaker and microphone.
The fourth part of the thesis brings the conclusions and the muse about the vision of the
future direction of the development of PC audio equipment.
Obsah
1 ÚVOD 6
2 HISTORIE VZNIKU ZVUKOVÝCH ZAŘÍZENÍ U PC 7
2.1 Pohled do historie 7
2.2 První zvukové karty 9
2.3 Integrované zvukové čipy 16
3 PRINCIPY A MOŽNOSTI ZPRACOVÁNÍ ZVUKOVÉHO SIGNÁLU 18
3.1 Zvuk 18
3.2 Zvuková karta 19
3.3 Digitální část 22
3.4 Zvukové zdroje 29
3.5 Rozhraní MIDI 30
4 PRINCIPY A METODY REPRODUKCE ZVUKU 33
4.1 Reproduktory 33
4.2 Sluchátka 35
4.3 Mikrofony 36
4.4 Komprese zvuku 40
4.5 Zvukové formáty 45
5 ZÁVĚR 47
5.1 Použité zdroje 49
5.2 Použité obrázky 51
5.3 Použité tabulky 52
1 Úvod
Snad každý z nás ve chvilce odpočinku či při práci, a to bez ohledu na své hudební vyznání,
si s oblibou rád poslechne svou oblíbenou hudbu. Dnes již není poslech kvalitní hudby jen
otázkou živého orchestru v dokonale akusticky přizpůsobeném sále. Není také pouze
výsadou kvalitních a drahých hifi soustav, nýbrž je i součástí většiny osobních počítačů
dneška. Díky dynamicky se rozvíjejícím IT technologiím se setkáváme s celou řadou nových
zvukových formátů, standardů a možností reprodukce zvuku. Jak dlouhá
a trnitá byla cesta vývoje zvuku u osobních počítačů? Rád bych za pomoci mé bakalářské
práce ukázal, proč vlastně PC nezůstaly jen němými počítacími stroji a v čem vlastně
spočívá princip jejich hlasu.
Důvod mého rozhodnutí napsat tuto práci, byl nejprve zájem o koupi zvukové karty.
Rozhodl jsem se pro studii materiálů dostupných zvukových karet. Studium mě velice
zaujalo, byl jsem překvapen rozsahem zvukové problematiky. Toužil jsem o porozumění
principů zpracovávání zvukového signálu a možnostech jeho reprodukce. Zároveň jsem chtěl
poznat historii zvukových karet. Vytvořit si lepší představu, směru a tempa budoucího
vývoje.
Cíl práce
Tato práce se zabývá vývojem zvukových karet a jejich využitím u osobních počítačů.
Popsáním principů a metod zpracování zvukového signálu a jeho reprodukce. Pohledem na
současné zvukové karty a jejich budoucí vývoj.
6
2 Historie vzniku zvukových zařízení u PC
Od vzniku prvních zvukových karet uplynulo již téměř třicet let. Za tuto dobu prošel jejich
vývoj neuvěřitelnými změnami. Za ně vděčí převážně dynamicky se zvyšujícím technickým
možnostem výpočetní techniky a neméně tak i konkurenčnímu boji vývojových firem.

2.1 Pohled do historie
Dnešní moderní společnost si již těžko představí své osobní počítače, které by neuměly
reprodukovat zvuk. Rád bych zde vzpomenul na několik významných událostí, které udávaly
tempo a směr vývoje zvuku u osobních počítačů.
První PC od firmy IBM roku 1981 byly vybavovány pouze malým reproduktorkem
nazývaným PC Speaker. Jeho úkolem bylo přehrávání lehčích tónů převážně výstražných
signálů. Dovedl reprodukovat pouze jeden tón v jeden okamžik a jeho pípání se stalo velmi
brzy nedostatečné. Až později v roce 1988 firma Access Software vyvinula metodu, při které
se tóny akordu nehrají současně, ale rychle za sebou, jako například na harfě. Metoda byla
nazvána Arpeggio a způsobovala rychlé vypínání a zapínání PC Speakeru. Při troše fantazie
si zde posluchač mohl představit i hudbu. Avšak k reprodukci skutečné hudby měl tento
pokus ještě velmi daleko.

Obrázek č. 1: PC Speaker1
V roce 1982 vyvinula firma Commodore počítač s typovým označením 64. Pro své na tu
dobu nadprůměrné schopnosti a cenové dostupnosti si velmi brzy získal patřičnou přízeň
uživatelů. Obsahoval integrovaný zvukový čip SID 6581 Sound Interface Device. Tento čip

1 Zdroj: http://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pv109/2002/xbabice1.html 2.11.2008
7
jako první umožňoval vytvářet kvalitnější hudební doprovod pro počítačové hry a ostatní
aplikace. Čip využíval tří syntetických hlasů, které mohly spojením vytvářet složitější zvuky,
mohly být použity i nezávisle na sobě. Jeho předností byla možnost nastavení frekvence,
barvy a hlasitosti hraných tónů. Roku 1983 firma IBM představila osobní počítač PCjr
nazývaný Junior. Jednalo se o relativně levný domácí počítač, který byl vylepšením
předchozího modelu IBM PC. Obsahoval již nový zvukový čip Texas SN76496, pracující
také se třemi hlasy a schopností nastavit hlasitost v šestnácti úrovních a to pro každý hlas.
Z důvodu vysoké ceny a kvalitní konkurence se mu nepodařilo na trhu prosadit a brzy se
přestal vyrábět. Vzhledem k tomu, že další PC od IBM s názvem Tandy 1000 nabízelo stejné
zvukové možnosti, dopadlo stejným způsobem. Tehdejší neúspěch IBM nahrával
konkurenčním firmám.

Obrázek č.2: Commodore 642
V roce 1985 přišel na trh nástupce úspěšného C64 a názvem Comodore Amiga. Jako první se
mohl pochlubit 8-bitovým 4-kanálovým digitálním stereo zvukem. Amiga
v úspěšnosti následovala svého předchůdce. Díky ní vznikl později první originální typ
modulového souboru, jednalo se o hudební formát nazývaný MOD (Tracker Music Module).
Byl to první originální typ modulového souboru, umožňující uskladnění hudby. V roce 1986
se objevila záchrana pro IBM PC. Firma Covox vyvinula externí zařízení, které využívalo
možnosti připojení přes paralelní port jímž byly tehdejší PC vybaveny. Jednalo se o zařízení,
která pomocí jednoduchého obvodu dokázala reprodukovat 8-bitový monofonií
digitalizovaný zvuk. Až později se objevila verze schopna reprodukci stereofonního zvuku.3

2 Zdroj: http://commodore-64.navajo.cz/ 11.11.2008
3
Zdroj: http://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pv109/2002/xbabice1.html 11.11.2008
8
2.2 První zvukové karty
Do roku 1986 tedy ještě neznalo PC interní zvukovou kartu jakou známe dnes. Byla to firma
Adlib, která ji jako první uvedla na trh. Tato karta nastartovala skutečnou revoluci vývoje
zvuku a stala se tak i hardwarovým standardem.
AdLib
V roce 1987 se objevila karta AdLib. Tato karta byla prvním zástupcem interních
zvukových karet využívající 8-bitového rozhraní ISA slotů. Byla vybavena jediným
monofoním výstupem s otočným regulátorem hlasitosti a možností reprodukce hudby
pomocí frekvenční modulace (FM syntézy). Použit zde byl čip od výrobce Yamaha
(YM3812) s označením OPL-2. Jednalo se o monofoní čip s možností dvou režimů, které
bylo možné mezi sebou libovolně přepínat. V prvním režimu byl schopen pracovat s devíti
melodickými hlasy syntézy. V dalším speciálním režimu šumu měl k dispozici šest
melodických hlasů a pět kanálů šumu. Ty byly využívány k napodobení bicích nástrojů.

Obrázek č.3: AdLib Music Synthesizer Card MOD-9008084
Music Feature Card
Ve stejném roce vydala firma IBM, Music Feature Card. Byla vybavena také čipem od
společnosti Yamaha (OLP-2). Zvuk její FM syntézy byl však kvalitnější než u karty AdLib
a disponovala již čtyřmi možnými režimy. K dispozici měla pouze osm melodických hlasů,
zato disponovala rozsáhlou knihovnou tří stovek kvalitních elektronických nástrojů. Její
předností byla možnost použití dvou těchto karet zapojených do ISA slotů, tím bylo dosaženo

4 Zdroj: http://www.svethardware.cz/art_doc-BC77A7A4115424A5C125725D005327DE.html 11.11.2008
9
dvojnásobného počtu hlasů. S příchodem těchto karet začínal vývoj nabírat ještě větších
obrátek. Výrobci si začali uvědomovat nepříliš věrohodnou reprodukci FM syntézy.

Obrázek č. 4: Music Feature Card5
Game Blaster
V roce 1988 spatřila světlo světa první zvuková karta od firmy Creative Music Systems
s názvem Game Blaster. Později firma změnila název na Creative Labs. Karta obsahovala
dvanáct FM kanálů se šestnácti stupni hlasitosti. Byla vybavena stereofonním výstupem
a třemi kanály šumu pro reprodukci bicích nástrojů. Kvalita zvuku nebyla příliš kvalitní,
tak se firma Creative Labs pustila do vývoje dnes známé „legendy“ mezi zvukovými
kartami, nazvanou Sound Blaster.

Obrázek č. 5: Game Blaster 6
Sound Blaster
V listopadu roku 1989 představila firma Creative Labs novinku, kartu Sound Blaster za cenu
299$. Velkou výhodou karty Sound Blaster byl nový čip OPL-2, což mu zaručovalo
kompatibilitu s doposud velmi rozšířenou kartou Adlib. Byla schopna poskytnout 8-bitový
monofonní zvuk ve 22 kHz kvalitě pro přehrávání. Záznam zvuku byl možný s kvalitou
až 15 kHz. Hlavní novinku, kterou přinášela tato karta, byl D/A (digitálně analogový) a A/D

5
Zdroj: http://www.svethardware.cz/art_doc-BC77A7A4115424A5C125725D005327DE.html 23.11.2008
6 Zdroj: http://www.svethardware.cz/art_doc-BC77A7A4115424A5C125725D005327DE.html 24.11:2008
10