Как да изберем звукова карта?

 За да можете да се възползвате от потенциала на компютъра си за звукообработване, първо е нужно да разберем как звукът влиза и излиза от компютъра. Без значение от това, дали вашата музика е изцяло електронно синтезирана или записвате изпълнение на оркестър на живо, винаги ще се стремите да постигнете възможно най-високото качество на звука, а изборът на звуков интерфейс е решаващ в този случай. За музикантът, който се занимава изключително с компютърно генерирана електронна музика, качеството на просвирване и отзивчивост на хардуера е първостепенно. За музиканта, който се занимава със записи на живи изпълнения, броя на наличните входове/изходи и начините им за свързване са на първо място. Тази статия има за цел да разгледа технологията, физическите връзки, както и част от теорията, която стои зад интерфейса, така че да можете да направите правилния избор за естеството на Вашата работа.

В ранните години от развитието на компютрите, никой не дава големи надежди дори за просвирване на музика, още повече за звукозапис, но през 1962 Commodore 64 се появява с интегриран звуков генератор. Sound Interface Device или SID чипа е 3 гласов синтезатор, от три генератора, с филтри и пликове пакети, проектирани от Робърт Янс, който по-късно създава серията синтезатори Ensoniq.  За времето си, това е много напредничав и далеч превъзхождащ други популярни по това време системи, като например „Атари”.

Междувременно, все по-голяма популярност набират IBM Personal Computers, като започват да пренасят фокуса на продуктите си от офиса към дома, което им помага да осъзнаят огромния потенциал на компютрите, който далеч надвишава изискванията на офис работата, за която са били предимно използвани до момента. През 1987 AdLib пускат на пазара първия масов аудио продукт за РС – “Adlib Music Syntesizer Card” (ALMSC). Тази “Звукова карта” съдържа Yamaha OPL чип, базиран на DX7 синтезатор. Посредством практична употреба на модулация, става възможно постигането на учудващо реалистичен звук, което кара индустрията произвеждаща игри да прегърне AdLib стандарта и да добавя музика и ефекти към своята продукция. Все пак, възпроизвеждането или записването на звук е все още в сферата на фантастиката.

 Всичко това съвсем скоро се променя, когато Creative Labs (понастоящем притежаващи като професионална дивизия E-MU Systems) пускат на пазара своя Sound Blaster. Той е съвместим с AdLib, но същевременно предлага 8-битов РСМ канал , който може да просвирва цифровизирани семпли, което революционно повишава качеството на звуковите ефекти в игрите. Sound Blaster има също така Game Port предназначен за включване на джойстици, но също така може да бъде използван и като МИДИ порт. По този начин става възможно звуците от OPL Yamaha саунд чипа да бъдат управлявани с миди клавиатура. За пръв път потребителят има възможност директно да контролира звука в компютъра. Следващите модели на Sound Blaster въвеждат 16 битовия стерео звук, вътрешни връзки за CD-устройства, графики на звукова вълна (wavetables) и най-накрая: Звукозапис, което дава шанс на компютъра да се превърне в машина за създаване на музика.

От Creative Labs обаче нямат амбиции към музикалния пазар и вместо това се съсредоточават върху индустрията за игри. Междувременно, отдадени на музиката инженери, започват да си играят с картата и разучават възможностите й като звуков генератор, както и да обработват дигитални аудио записи. Компании, занимаващи се с музикални технологии като Soundscape и Digidesign, виждат компютъра в ролята на мозък, контролиращ разработената от тях звукозаписна технология но все пак е нужно в търсенето да се включат и софтуерни компании като Steinberg, за да започне да се разгръща идеята за това какво самият компютър би могъл да направи в сферата на дигиталното аудио. С разработените от тях Open Format VST (Virtual Studio Technology) и ASIO драйвери, които позволяват стабилна и бърза комуникация с аудио интерфейса, започва да узрява концепцията за компютърно базираното студио. В края на хилядолетието компютърът се установява като ядро в студийната работа по генериране, запис и редактиране на звук.

 ТРАДИЦИОННАТА ЗВУКОВА КАРТА

 FM и Wavetable чиповете, част от традиционната звукова карта днес са излишни и отдавна изоставени. Модерните приложения за игри и мултимедия използват цифров звук и за музиката и за ефектите, а качеството на софтуерните синтезатори и инструменти продукт на компютърната индустрия далеч надминава потенциала, който можехте да изцедите от един чип. Изключителна рядкост е да се натъкнете на хардуерен синтезаторен чип интегриран в звукова карта – фокусът се е изместил изцяло към дигиталното аудио.

КАКВО Е ИНТЕРФЕЙС?

Интерфейсът е устройство, правещо възможна връзката между две или повече други устройства или видове устройства. Като пример можем да разгледжаме МИДИ интерфейсите, които позволяват свързването на устройства, опериращи с МИДИ данни и компютър.

ЦИФРОВИ АУДИО ИНТЕРФЕЙСИ

Аудио интерфейсите имат за цел да бъдат входящи и изходни пунктове на звука в компютъра. За да може компютъра да разбере аналоговия звук, той трябва да бъде преведен на неговия бинарен език. Това става чрез замерване на стойностите на звуковата вълна през точни интервали, чрез което й се приписва цяла стойност. Това замерване се нарича семплиране, а интервалите, през които то се случва – sample rate. За да можем да създадем достоверен цифровобраз на звуковата вълна, тя трябва да бъде замерена много пъти в секундата. Например, стнадартната семплираща честото за CD e 44.1kHZ, или 44,100 замервания в секунда. Друг фактор, който е от значение е диапазона от цели стойности, който може да бъде приписан на дадения семпъл. Той се дефинира в битове като битът може да бъде съответно „1” или „0”от Бинарната Система. 16 бита е стандарт за CD switch, а когато е описван в бинарни стойности (2 To the power of 16), може да приема стойности между 0 и 65 535. След като аналоговият сигнал бъде представен в цифров вид, компютърът може да го използва и обработва.

При просвирване, процесът е обратен – интерфейсът превежда бинарния код в непрекъснат звуков сигнал, който се подава през усилвателя към говорителите. И в двата случая протича преобразуване – цифрово-аналогово (DAC) или аналогово-цифрово(ADC). Качеството и акуратността на преобразувания сигнал зависи до голяма степен, но не и основно от качеството на електронните компоненти на аудио интерфейса.

Тук в играта влиза друг важен фактор – Clocking-a.  Акуратността на тайминга при семплирането се отразява върху качеството на записвания и възпроизвеждания звук. Когато се прехвърля звук между две цифрови машини, техните „часовници” трябва да са в синхрон един с друг.

Всички цифрови устройства, формати и системи обработват аудио сигналите в нумеричен код или форма. Цифровата форма е изключително прецизен начин за изразяването на всяка информация, която подлежи на измерване.

 PCI, USB, FireWire или Thunderbolt?

 За да бъде пренесен цифровият сигнал в компютъра, му е нужна подходяща връзка. По-долу ще разгледаме различните видове връзки, които може да има аудио интерфейса.

• PCI/PCI-X (Peripherial Component Interconnect) Това е паралелен вход, по който битовете се предават едновременно по „линии/канали” – 32 при PCI и 64 при PCI-X). PCI портъте част от самия компютър и предлага връзка директно с дънната платка под формата на слот за PCB (printed circuit board).

• FireWire/IEEE-1394- “1394“ e обозначението на Института на Инженерите по Електротехника и Електроника  (Institute of Electrical and Electronics Engineers). FireWire/IEEE-1394 е най-добрият пример за сериен порт. Информацията при него се изпраща бит след бит последователно по двойка линии. Това позволява компютърът и аудио интерфейса да бъдат свързвани от относително дълъг кабел.

• USB (Universal Serial Bus) – Другият популярен сериен порт, предпочитан от Windows и Macintosh. Докато FireWire устройствата могат да комуникират помежду си без да се нуждаят от компютъра, USBустройствата използват разклонена дървовидна структура, поддържана именно от компютъра.

• CardBus/ExpressCard/PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)Това е разширителен слот при лаптопите, аналогичен на паралелния PCI порт, но в значително по-компактна версия и с възможност за включване на карта от външната страна на компютъра.

• PCIe/PCI-E(PCI “express”, да не се бърка сPCI-X) въпреки че е подобен на PCI слота по това, че се намира директно върху дънната платка, те са функционално различни, тъй като PCIe е сериен порт. Една единствена лента може да бъде до два пъти по-бърза от обикновен PCI, а PCIe обикновено има до 32 пътеки, по които да се трансферира до 8Gb информация в секунда.

• Thunderbolt е нов вид свързване на периферия базирано на PCI Express и DisplayPort. Позволява високоскоростен трансфер на данни,видео, аудио и захранване през един единствен кабел.Всеки Thunderbolt порт е съставен от два канала,които подържат скорост от 10 Gigabits per second(Gbps). Тази връзка е двупосочна което означава,че приема и предава информация по едно и също време.Осигурява до 10 вата захранване на присъединеното устройство.    
• Thunderbolt 2 е ново поколение връзка,която подържа скорост от 20(Gbps).Това е постигнато като са обединени двата вече съществуващи канала.
• Thunderbolt 3 това е първата генерация използваща USB-C,подържа скорост от 40(Gbps).Използването на медни кабели с USB-C накрайници позволява да бъде пренасян заряд от 100 вата,което обезмисля отделното захранване на някои устройства.

Всеки един от гореизброените типове връзка, може да съществува в различен вариант и да поддържа различна скорост:

• FireWire 400 – до400 мегабита в секунда (Mbit/s)
• FireWire 800 (1394b) – до800Mbit/s
• USB 1.1 – до12Mbit/s
• USB 2.0 – до480Mbit/s
• USB 3.0 – до 625MB/s
• USB 3.1 – до 1250MB/s
• USB 3.2 – до 2500MB/s
• PCI (32bit/33Mhz) – 133MByte/s (1066Mbit/s)
• PCI-X (64bit/133MHz) – 1066MByte/s (8528Mbit/s)
• PCIe x1 (1 Lane) – 250MByte/s (2000Mbit/s)
• PCIe x16 (16 Lanes) – 4000MByte/s (32,000Mbit/s)
• Thunderbolt – 10 Gbps (1.25 Gigabytes/s)
• Thunderbolt 2 – 20 Gbps (2.5 Gigabytes/s)
• Thunderbolt 3 – 40 Gbps (5 Gigabytes/s)

При анализа на горната графика, трябва да имате предвид, че тя представя само теоретични максимални стойности. Действително постижимите скорости могат да бъдат значително по-ниски.

ДРАЙВЕРИ

Драйверът е малка по размер програма, която прави възможна комуникацията между аудио интерфейса и софтуера за звукозапис. Без драйвери, операционната система не би подозирала за съществуването на свързания към нея аудио интерфейс. Драйверът и неговите компоненти указват по какъв начин може да бъде използван аудио интерфейсът, както и за наличните входове и изходи.

СТАНДАРТИ ПРИ ДРАЙВЕРИТЕ

Съществуват няколко основни стандарта, които осигуряват специфични високи равнища на интеракция между аудио интерфейса и звукообработващия софтуер.

• Най-често използвания е разработения от Steinberg като част от VST концепцията ASIO формат.
• При МАС ОS Х Apple използват своя Core Audio стандарт ;
• Windows разработва своя стандарт WDM (Windows Driver Model) в XP операционната система, който е последван от Wave RT при Vista.
• Друг драйвер, на който си заслужава да обърнем внимание, е GSIF (Giga Sampler InterFace)на Tascam, който позволява на Giga Studio Sampler приложението да отбележи най-високите равнища на продуктивно представяне.

Все пак, ASIO остава най-разпространеният за момента стандарт и всички устройства, създадени за работа с музика поддържат именно този стандарт.

КАКВО Е ЛАТЕНТНОСТ?

За да се придвижи аудио информацията от източника си, през порта и вътре в компютъра, е нужно време. Семплирането и конвертирането на аналоговия звук по пътя към превръщането му в цифров, комуникацията между драйвера, операционната система, както и обработката на информацията от използвания софтуер също отнемат време. Това „технологично” време, необходимо за процеса на звукозапис и звукообработка, се нарича „латентност”.

Проблемът с латентността допълнително се усложнява и поради факта, че информацията, постъпваща в компютъра през съответния порт трябва да бъде проверена, за да се предотвратят загуби или евентуални изкривявания. Обикновено е нужен вграден блок от системен ресурс, който да осигурява непрекъснатост на потока от информация – това е т.нар. „Буфер”. Буферът се „пълни” с информация, като по този начин осигурява на компютъра време и ресурс да организира правилно потока като по този начин предотвратява евентуални прекъсвания или загуби на информацията. Увеличаването на обема на буфера би увеличило обема на информацията, с която съответно би могъл да се справи компютърът, но от друга страна, това би увеличило латенцията. С тази цел на буфера се  задава по-малка стойност, което означава, че компютърът ще ангажира по-голяма част от системния си ресурс, за да поддържа и обработва потока на информация. Съществува фин баланс между буфера и процесора, между потенциалния брой на обработваемите аудио канали и скоростта на реакция на компютъра. Ако буферът е твърде малък, аудио сигналът ще пука и „цъка” тъй като процесорът ще ангажира целия си ресурс в опита да се справи с бързо протичащата през него информация. Ако пък буферът е твърде голям, резултатът ще е, че софтуерът, който използвате ще се държи мудно и неинтуитивно, а закъсненията ще се чуват и при мониториране.

КОГА ЛАТЕНТНОСТТА Е ПРОБЛЕМ?

Закъсненията не винаги са проблем и в интерес на истината, повечето хора не се сблъскват с ефектите на латентността при съвременните звукозаписни системи. Много малко хора са в състояние да регистрират закъснение от порядъка на 3 ms, което е стандартът в момента и ако трябва да го онагледим с пример – това е закъснението, което съществува, когато слушате звука на китарния си усилвател от разстояние 2 метра. Като правило, човешкият мозък регистрира латентността едва когато тя превиши границата от 10 ms.

Има няколко ситуации, в които латентността може да бъде проблем. Първата е, когато прослушвате аудио през софтуер. Например, може да записвате вокали с изпълнител, който иска да прослушва записа с включен ривърб, което изправя системата ви пред две предизвикателства – собственото й латентно време и допълнителното операционно време, което изисква добавянето на ривърб плъг-ина. Ако латентността е твърде висока, тогава гласът на изпълнителя ще се разминава със звука, който той чува в слушалките си.

Латентността може да бъде проблем и когато работите с виртуални инструменти – софтуерни синтезатори – които просвирвате с помощта на миди контролер. При висока латентност се наблюдава очевидно закъснение между момента, в който натискате клавиша и чуването на звука, а това може да направи свиренето невъзможно.

Намирането на баланса между латентността и системния ресурс на вашия компютър е ключът към стабилното и използваемо студио.

ВЪЗМОЖНИ НАЧИНИ ЗА СВЪРЗВАНЕ НА ИНТЕРФЕЙСИТЕ

Аудио интерфейсите могат да бъдат свързани с компютъра по множество разнообразни начини:

 СВЪРЗВАНЕ ПО ЦИФРОВ ПЪТ: 

• S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface)е разработен от двете компании по време на създаването на компакт диска. Това е широко разпространен формат, който се предава както по оптичен път, по кабели от оптични влакна, така и като електрически сигнал по коаксиален кабел –  два канала с разделителна способност до 24bit/192kHz. По S/PDIF може да бъде предаван също така и кодиран 5.1 съраунд сигнал.
• AES/EBU (Audio Engineering Society/European Broadcasting Union) това е професионалната алтернатива на S/PDIF връзката, която обикновено се предава по електрически път с помощта на балансирани кабели (XLR), а понякога – и по коаксиален кабел. По-високите нива и по-стриктните спецификации правят възможно сигнала да бъде пренасяна на много дълги разстояния. Всяка връзка може да пренася два сигнала с честота до 24bit/192kHz.
• ADAT (Alesis Digital Audio Tape) – Първоначално това е наименованието на 8-каналните цифрови рекордери на Алесис, които използват този тип връзка. ADATинтерфейсът позволява пренасянето на до 8 канала (24bit/48kHz) по отделен оптичен кабел.  В режим S/MUX (Sample Multiplexing) каналите, по които се пренася информация, която е в по-висок sample rate могат да се разделят по различни кабели, което прави възможно пренасянето или на 4 канала на честота 96kHZ предавани по два отделни кабела, или на 2 канала с честота 192 kHz.
• TDIF (Tascam Digital Interface) – Алтернативата на Alesis формата, реализирана от TASCAM.Позволява пренасянето на до 8 канала с честота 24 bit/96 kHz.
• WORD CLOCK – форматът не служи за пренос на аудио информация, а задава честотата за пренос на данни, която е критична за синхронизирането на по-големи системи.
• mLAN (music Local Area Network) цифрова система, която дава възможност за свързване на повечето разнообразни аудио устройства, произведени от Yamahа. Системата позволява преноса както на аудио, така и на MIDI, като също така предлага и контролни функции.
• MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – МИДИ връзката не е аудио връзка. Пренасяната по МИДИ контролна информация управлява контролери и други МИДИ устройства.
• MADI (Multichannel Audio Digital Interface) Стандартът е създаден от AES на базата на AES/EBU формата, като изпраща паралелно 24bit-овите сигнали по оптичен кабел, който може да достигне дължина и от 2000m. Това прави възможен преноса на до 64 канала на семплираща честота от 48khZ, съответно 32 при 96khZ и 16 при 192kHZ семплираща честота без изкривявания или загуба на сигнал.

  АНАЛОГОВИ ВРЪЗКИ:

• Линейни входове/изходи: подходящи за свързване на устройства като синтезатори, миксери, CD плеъри.Линейните изходи съществуват в различни варианти (обикновено с нива 10dB за любителски устройства и +4dB за професионално студийно оборудване), както и с възможност да са балансиран или небалансирани. Накрайниците, използвани за линейни входове/изходи обикновено са phono/RCA (небалансирани), жак (балансиран (TRS) или небалансиран – TS) и XLR (балансиран).
• Микрофонни входове: Входният сигнал се отвежда до вграден предусилвател, който прави възможно свързването на микрофони и може да работи със значително по-ниски нива от тези на линейните входове. Микрофонните входове могат да варират по вид, но най-разпространени са XLR. Важно е,при избор на аудио интерфейс, да имате предвид, че повечето висококачествени микрофони имат нужда и от фантомно захранване за работата си.
• Входове за инструменти: това са входове с високо съпротивление, което е необходимо за директно свързване на китари и бас.
• Phono входове: обикновено предлагат контрол на входното ниво и еквилайзер със зададени присети, които позволяват включването на външни плеъри.
• Изходи за слушалки: за директно включване на слушалки, без да има нужда от допълнителен външен усилвател.
• Insert-и – входове за стерео жакове, които са свързани така, че да е възмоно сигналът да бъде изпратен към и съответно – върнат обратно от външен звуков процесор (например компресор или лимитер). В аудио веригата обикновено са разположени след линейните или микрофонни входове, но преди AD-конвертора.

 СТАНДАРТНИ КОНФИГУРАЦИИ:

 Повечето аудио интерфейси разполагат със стандартен набор от входно изходни портове, като варират повече в брой, отколкото по вид, като обикновено разполагат със S/PDIF и MIDI входове и изходи, но само устройствата от висок професионален клас предлагат Wordclock или ADAT I/O.

 СПЕЦИАЛИЗИРАНИ УСТРОЙСТВА:

 Освен стандартните входове и изходи, някои устройства предлагат и разширена функционалност. Примери са вградените миксери, които са полезни тъй като заобикалят допълнителната латентност, която може да привнесе софтуерът, както и вградените DSP чипове, които осигуряват допълнителен ресурс, използваем само за ефекти и отделен от системните ресурси, което го прави неподатлив на латенция.

КОЙ Е НАЙ-ДОБРИЯТ ИЗБОР ЗА МЕН?

Няколко основни въпроса при избора на аудио интерфейс:

1. Какво искам да включа към звуковата си карта?

 Този въпрос ще окаже огромно влияние върху избора Ви. Ако имате микрофони, ще Ви е нужен интерфейс с микрофонни входове, ако имате китара, ще имате нужда от вход за инструменти и т.н. Ако искате да включите и миксер, това ще промени изискванията Ви, тъй като няма да имате нужда от микрофонни предусилватели на звуковата си карта. В случай, че имате цифров миксер с ADAT изходи, то ще имате нужда и от ADAT входове на звуковата си карта. 

2. Какво е естеството на работата ми? 

 В случай, че работите сам и записвате само по един инструмент/глас, няма да Ви бъдат нужни голям брой входове. Все пак, ако работите с група или обработвате голям брой сигнали едновременно, многоканалният запис ще изисква определен минимум от входове. Ако предпочитате да използвате аналогов миксер за смесване, то ще Ви бъдат нужни голям брой изходи от компютъра. Ако обаче предпочитате целият процес на звукозапис да се случва вътре в компютъра Ви, което би предотвратило допълнителна загуба или изкривяване на сигнала, всичко от което бихте имали нужда, е стерео изход за да включите мониторите си.

3. Какъв хардуер вече имам? 

 Обмислете как оборудването, което вече притежавате, може да бъде използвано с интерфейса Ви. Възможно е вече да имате висококачествени микрофонни предусилватели или устройство с цифрови изходи, които бихте желали да продължите да използвате в новата си система. Възможно е също така да откриете, че компютърът и аудио интерфейса ще направят част от наличното Ви оборудване излишно – такъв е пътят на прогреса. 

4. Как ще използвам интерфейса?

Редно е да решите дали Ви е необходим преносим интерфейс или целта Ви е да стане част от останалата стационарна екипировка в студиото Ви. Ако имате намерение да смесвате за съраунд, тогава ще ви бъде необходим съответния брой изходи за свързване към съраунд мониторна система. Използвате ли компютъра си за други приложения като игри и домашно кино? В случай, че имате нужда от свободен достъп до входовете и изходите на интерфейса си, тогава е от изключителна важност той да е външен. Все пак, ако желаете всичко да е спретнато и веднъж за винаги свързано, то PCI/PCIe базираните интерфейси са правилният избор за Вас. 

5. Кой начин на свързване ще е най-удобен за мен?

 Ако използвате лаптоп, тогава сте ограничени до възможностите, които предлагат устройствата на USB/FireWire/PCMCA/Express Card. С настолен компютър можете да се възползвате от всички възможности в случай, че компютърът Ви предлага съответния порт.

6. Планирам ли промени за в бъдеще? 

Добре е, да вземете предвид посоката, в която би се развило Вашето студио за в бъдеще. Ще ви стигнат ли броят на входовете и ще имате ли възможност да разширите системата си на по-късен етап? Тъй като ASIO стандартът не позволява съвместното функциониране на два различни интерфейса, комбинирането им не е особено подходящо. Някои аудио интерфейси позволяват съвместната употреба на повече от едно от същия тип, като ASIO драйверът ги отчита като едно цяло устройство.