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Wofür ist eine Soundkarte?

15 Juni , 2017

Dlya chego nuzhna zvukovaya karta

Jeder braucht ein Werkzeug, um zu arbeiten. Es ist einfach so passiert, dass eine vernünftige Person genau von dem Moment an angerufen wurde, als das Werkzeug für irgendeine Art von Aktivität verwendet wurde (der Wortlaut ist lahm, aber im Allgemeinen ist es das). Eigentlich sollte jeder Musiker, der eine vernünftige Person ist, in der Lage sein, zumindest teilweise ein Musikinstrument zu besitzen. Im Rahmen dieses Artikels konzentrieren wir uns jedoch nicht auf ein Musikinstrument im üblichen Sinne (Gitarre, Klavier, Dreieck …), sondern auf ein Instrument, das für die Verarbeitung eines Audiosignals weiter erforderlich ist. Es geht um die Soundschnittstelle.

Theoretische Grundlage

Wir reservieren sofort, das Sound-Interface, das Audio-Interface und die Soundkarte – als Teil der Präsentation sind kontextbezogene Synonyme. Im Allgemeinen ist eine Soundkarte eine Teilmenge der Soundschnittstelle. Aus Sicht der Systemanalyse ist eine Schnittstelle für die Interaktion von zwei oder mehr Systemen ausgelegt. In unserem Fall können die Systeme ungefähr so aussehen:

  1. Tonaufzeichnungsgerät (Mikrofon) – Verarbeitungssystem (Computer);
  2. Verarbeitungssystem (Computer) – ein Tonwiedergabegerät (Lautsprecher, Kopfhörer);
  3. Hybriden 1 und 2.

 

Teoreticheskaya osnova

Formal muss eine einfache Person lediglich Daten vom Aufnahmegerät entfernen und an den Computer weitergeben oder umgekehrt, um die Daten vom Computer zu übernehmen und an das Wiedergabegerät zu senden. Während des Durchgangs des Signals durch das Audio-Interface wird eine spezielle Signalumwandlung durchgeführt, damit die Empfangsseite dieses Signal in Zukunft verarbeiten kann. Das Wiedergabegerät (endgültig) gibt irgendwie ein analoges oder Sinussignal wieder, das als Schall oder elastische Welle ausgedrückt wird. Ein moderner Computer arbeitet mit digitalen Informationen, dh Informationen, die in Form einer Folge von Nullen und Einsen codiert sind (genauer gesagt in Form von Signalen diskreter Bänder analoger Pegel). Somit unterliegt die Tonschnittstelle der Verpflichtung, das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln und / oder umgekehrt, was eigentlich der Kern der Tonschnittstelle ist: Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler (DAC und ADC oder DAC bzw. ADC) sowie die Bindung an in Form eines Hardware-Codecs, allerlei Filter usw.
Moderne PCs, Laptops, Tablets, Smartphones usw. verfügen in der Regel bereits über eine integrierte Soundkarte, mit der Sie Sounds aufnehmen und wiedergeben können, wenn Sie über Aufnahme- und Wiedergabegeräte verfügen.

Hier stellt sich eine der am häufigsten gestellten Fragen:

Kann ich mit der eingebauten Soundkarte Ton aufnehmen und / oder verarbeiten?

Die Antwort auf diese Frage ist sehr zweideutig.

Wie funktioniert eine Soundkarte?

Lassen Sie uns herausfinden, was mit dem Signal passiert, das durch die Soundkarte geleitet wird. Lassen Sie uns zunächst verstehen, wie ein digitales Signal in ein analoges umgewandelt wird. Wie bereits erwähnt, wird für diese Art der Konvertierung ein DAC verwendet. Wir werden nicht in den Dschungel der Hardware-Füllung gehen, wenn wir verschiedene Technologien und die Elementbasis berücksichtigen. Wir bezeichnen einfach an den Fingern, was in der Hardware passiert.

Wir haben also eine bestimmte digitale Sequenz, die ein Audiosignal für die Ausgabe an das Gerät ist.

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Hier markieren die Blumen codierte kleine Klangstücke. Eine Sekunde Ton kann mit einer anderen Anzahl solcher Stücke codiert werden. Die Anzahl dieser Stücke wird durch die Abtastfrequenz bestimmt, dh wenn die Abtastfrequenz 44,1 kHz beträgt, wird eine Sekunde Ton in 44100 solcher Stücke unterteilt. Die Anzahl der Nullen und Einsen in einem Stück wird durch die Abtasttiefe oder Quantisierung oder einfach die Bittiefe bestimmt.

Um sich vorzustellen, wie der DAC funktioniert, erinnern wir uns an den Schulgeometriekurs. Stellen Sie sich vor, die Zeit ist die X-Achse, der Pegel ist Y. Notieren Sie auf der X-Achse die Anzahl der Segmente, die der Abtastfrequenz entsprechen, auf der Y-Achse – 2n Segmente, die die Anzahl der Abtastpegel angeben. Markieren Sie anschließend schrittweise die entsprechenden Punkte spezifische Schallpegel.

Kak rabotayet zvukovaya karta

Es ist erwähnenswert, dass in der Realität die Codierung nach dem obigen Prinzip wie eine gestrichelte Linie (orangefarbener Graph) aussieht, jedoch die sogenannte Annäherung an eine Sinuskurve oder einfach Annäherung des Signals an die Form einer Sinuskurve, was zu Glättungspegeln führt (blaue Grafik).

— Siehe auch: Die besten VST-Plugins für die Gesangsverarbeitung im Jahr 2018 —

So etwas sieht aus wie ein analoges Signal, das durch digitale Decodierung erhalten wird. Es ist anzumerken, dass die Analog-Digital-Wandlung genau umgekehrt durchgeführt wird: Jede Abtastrate von 1 / Sekunde wird der Signalpegel basierend auf ihrer Abtasttiefe genommen und codiert.

Kak rabotayet zvukovaya karta-2

Wie die DACs und ADCs funktionieren (mehr oder weniger), ist es nun wert zu überlegen, welche Parameter das endgültige Signal beeinflussen.

Die Hauptparameter der Soundkarte

Bei der Überprüfung des Betriebs der Konverter stießen wir auf zwei Hauptparameter: Frequenz und Abtasttiefe. Wir werden sie genauer betrachten.
Die Abtastrate ist ungefähr die Anzahl der Zeitscheiben, in die 1 Sekunde Ton unterteilt ist. Warum ist es für Soundmänner so wichtig, eine Soundkarte zu haben, die mit einer Frequenz von mehr als 40 kHz betrieben werden kann? Dies liegt an den sogenannten Kotelnikovs Theorem (ja, wieder Mathematik). Wenn es nach diesem Theorem unter idealen Bedingungen trivial ist, kann ein analoges Signal aus einem diskreten (digitalen) beliebig genau wiederhergestellt werden, wenn die Abtastfrequenz mehr als 2 Frequenzbereiche desselben analogen Signals beträgt . Das heißt, wenn wir mit dem Ton arbeiten, den eine Person hört (~ 20 Hz – 20 kHz), dann beträgt die Abtastfrequenz (20 000 – 20) x2 ~ 40 000 Hz, daher der De-facto-Standard 44,1 kHz, dies ist die Abtastfrequenz am genauesten codieren Sie das Signal plus ein bisschen mehr (dies ist natürlich übertrieben, da dieser Standard von Sony festgelegt wird und die Gründe viel prosaischer sind). Wie bereits erwähnt, ist dies jedoch unter idealen Bedingungen. Unter idealen Bedingungen wird Folgendes verstanden: Das Signal muss zeitlich unendlich verlängert sein und darf keine Singularitäten in Form von spektraler Leistung von Null oder Spitzenbursts mit großer Amplitude aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass ein typisches analoges Audio-Signal nicht zu idealen Bedingungen passt, da dieses Signal zeitlich begrenzt ist, Bursts aufweist und auf „Null“ geht (grob gesagt, es weist Zeitlücken auf).

UA Apollo Twin USB Universal Audio Soundcard

Die Abtasttiefe oder Bittiefe ist die Gradzahl der Zahl 2, die bestimmt, wie viele Intervalle die Signalamplitude geteilt wird. Aufgrund der Unvollkommenheit seines Klangapparats fühlt sich der Mensch in der Regel mit einer Bittiefe von mindestens 10 Bits, dh 1024 Stufen, in der Wahrnehmung wohl. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Person eine weitere Zunahme der Bittiefe spürt, was über die Technologie nicht gesagt werden kann.

Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, macht die Soundkarte beim Konvertieren eines Signals bestimmte „Zugeständnisse“.

All dies führt dazu, dass das resultierende Signal das Original nicht genau wiederholt.

Probleme bei der Auswahl einer Soundkarte

Ein Toningenieur oder Musiker (wählen Sie Ihren eigenen) kaufte einen Computer mit einem brandneuen Betriebssystem, einem coolen Prozessor, einer großen Menge RAM mit einer im Motherboard eingebauten Soundkarte, die werkseitig installiert ist, und Ausgängen für ein 5.1-Soundsystem. Der DAC-ADC hat eine Abtastrate von 48 kHz (das sind nicht mehr 44,1 kHz!), 24-Bit-Auflösung usw. Zum Feiern installiert der Techniker eine Tonaufzeichnungssoftware und stellt fest, dass diese Soundkarte nicht gleichzeitig Ton aufnehmen, Effekte anwenden kann und sofort verfügbar ist aber reproduzieren. Der Klang ist von sehr hoher Qualität, aber zwischen dem Moment, in dem das Instrument die Note spielt, verarbeitet der Computer das Signal und spielt eine bestimmte Zeit ab, oder, um es einfach auszudrücken, es tritt eine Verzögerung auf. Es ist seltsam, weil der Berater von Eldorado diesen Computer so sehr lobte, über eine Soundkarte gekreuzigt wurde und im Allgemeinen … und hier … eh. Mit Trauer geht der Ingenieur zurück in den Laden, gibt den gekauften Computer, zahlt eine fabelhafte Summe, um einen Computer mit einem noch leistungsstärkeren Prozessor, viel RAM, einer Soundkarte mit 96 (!!!) kHz und 24 Bit und … am Ende das gleiche.

Tatsächlich sind typische Computer mit typischen integrierten Soundkarten und Standardtreibern ursprünglich nicht für die Verarbeitung und Wiedergabe von Ton in einem Echtzeitmodus ausgelegt, dh sie sind nicht für die VST-RTAS-Verarbeitung vorgesehen. Der Punkt hier ist überhaupt nicht die „grundlegende“ Füllung in Form einer Prozessor-Direktzugriffsspeicher-Festplatte, jede dieser Komponenten ist zu einer solchen Betriebsart fähig, das Problem ist, dass diese Soundkarte manchmal einfach nicht in Echtzeit „arbeiten“ kann .
Wenn ein Computergerät in Betrieb ist, sogenannte Verzögerungen. Dies drückt sich in der Erwartung des Verarbeiters des für die Verarbeitung erforderlichen Datensatzes aus. Darüber hinaus greifen Programmierer bei der Entwicklung des Betriebssystems und der Treiber sowie der Anwendungssoftware auf das sogenannte zurück die Schaffung der sogenannten Software-Abstraktionen: Hier verbirgt jede höhere Ebene des Programmcodes die gesamte Komplexität einer niedrigeren Ebene und bietet auf ihrer Ebene nur die einfachsten Schnittstellen. Manchmal sind Zehntausende solcher Abstraktionsebenen. Dieser Ansatz vereinfacht den Entwicklungsprozess, erhöht jedoch die Zeit, die die Daten benötigen, um von der Quelle zum Ziel und umgekehrt zu gelangen.

Tatsächlich können Verzögerungen nicht nur bei eingebauten Soundkarten auftreten, sondern auch bei solchen, die über USB, WireFire (Land für ihn zum Ausruhen), PCI usw. verbunden sind.

Problemy pri vybore zvukovoy karty

Um diese Art von Verzögerung zu vermeiden, verwenden Entwickler Problemumgehungen, mit denen Sie unnötige Abstraktionen und Softwaretransformationen entfernen können. Eine solche Lösung ist das beliebte ASIO für Witwen, JACK (nicht zu verwechseln mit dem Connector) für Linux, CoreAudio und AudioUnit für OSX. Es ist erwähnenswert, dass OSX und Linux ohne Krücken wie Windows gut abschneiden. Nicht jedes Gerät ist jedoch in der Lage, mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Genauigkeit zu arbeiten.
Nehmen wir an, unser Ingenieur / Musiker gehört zur Kategorie Kulibin und konnte JACK / CoreAudio konfigurieren oder seine Soundkarte mit dem ASIO-Treiber der Folk Craft Company zusammenarbeiten lassen.

Im besten Fall reduzierte unser Master auf diese Weise die Verzögerung von einer halben Sekunde auf fast akzeptable 100 ms. Das Problem der letzten Millisekunden liegt in allem anderen und in der internen Übertragung des Signals. Wenn das Signal von der Quelle über die USB- oder PCI-Schnittstelle zum Zentralprozessor geleitet wird, überwacht das Signal die Südbrücke, die sich tatsächlich mit den meisten Peripheriegeräten befasst und dem Zentralprozessor direkt untergeordnet ist. Trotzdem ist der Zentralprozessor ein wichtiger und beschäftigter Charakter, daher hat er nicht immer Zeit, um den Sound zu verarbeiten, sodass unser Master entweder akzeptieren muss, dass diese 100 ms für ± 50 ms „springen“ können, wenn nicht mehr. Die Lösung für dieses Problem könnte darin bestehen, eine Soundkarte mit einem eigenen Chip für die Datenverarbeitung oder DSP (Digital Signal Processor) zu erwerben.

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In der Regel verfügen die meisten „externen“ Soundkarten (sogenannte Game-Soundkarten) über einen solchen Coprozessor. Er ist jedoch für die Arbeit sehr unflexibel und dient im Wesentlichen der „Verbesserung“ des wiedergegebenen Sounds. Soundkarten, die ursprünglich für die Verarbeitung von Ton entwickelt wurden, verfügen über einen angemesseneren Coprozessor, oder in der Randversion wird ein solcher Coprozessor separat verkauft. Der Vorteil der Verwendung eines Coprozessors besteht darin, dass bei Verwendung eine spezielle Software das Signal fast ohne Zentralprozessor verarbeitet. Der Nachteil dieses Ansatzes kann der Preis sowie das „Schärfen“ der Ausrüstung für die Arbeit mit spezieller Software sein.

Separat möchte ich die Schnittstelle zwischen der Soundkarte und dem Computer beachten. Die Anforderungen hier sind durchaus akzeptabel: Für eine ausreichend hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit reichen Schnittstellen wie USB 2.0, PCI aus. Das Audiosignal ist nicht wirklich eine große Datenmenge, wie z. B. ein Videosignal, daher sind die Anforderungen minimal. Ich werde jedoch eine Fliege in die Salbe einfügen: Das USB-Protokoll garantiert keine 100% ige Übermittlung von Informationen vom Absender an den Empfänger.
Das erste Problem wurde entschieden – große Verzögerungen bei der Verwendung von Standardtreibern oder ein hoher Preis für die Verwendung einer Soundkarte mit einer angemessenen Verzögerung.
Zuvor haben wir entschieden, dass das Erreichen einer idealen analogen Signalübertragung keine so einfache Aufgabe ist. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, das Rauschen und die Fehler, die während der Erfassung / Umwandlung / Übertragung eines Signals auftreten, als Daten zu erwähnen, denn wenn Sie sich an die Physik erinnern, hat jedes Messgerät seinen eigenen Fehler und jeder Algorithmus hat seine Genauigkeit.

Ein Witz aus dem Bereich der Funktechnik: In der Funkkommunikation gibt es eine sogenannte Q-Codes, dreistellige Bezeichnungen verschiedener Fragen und Antworten, werden verwendet, um die Anzahl der übertragenen Zeichen zu reduzieren. Einer der inoffiziellen Codes „QZZ“ steht für „Ist es 60 Hz Hintergrund oder schnarchen Sie?“. Hier ist 60 Hz die störende Hintergrundstrahlung der Wechselstromfrequenz.

Dieser Witz ist sehr bezeichnend angesichts der Tatsache, dass der Betrieb der Soundkarte auch durch Strahlung von nahe gelegenen Geräten bis hin zum Ultraschall beeinflusst wird, den der Zentralprozessor während des Betriebs aussendet. Zu allem anderen lohnt es sich, die vom Endgerät (Mikrofon, Tonabnehmer, Lautsprecher, Kopfhörer usw.) abhängigen Eigenschaften des aufgezeichneten / wiedergegebenen Signals zu verzerren. Oft erhöhen Hersteller verschiedener Audiogeräte für die Vermarktung absichtlich die mögliche Frequenz eines aufgezeichneten / wiedergegebenen Signals, von dem eine Person, die in der Schule Biologie und Physik studiert hat, eine gut informierte Frage aufwirft: „Warum, wenn eine Person nicht außerhalb des Bereichs von 20 bis 20 kHz hört?“. Wie sie sagen, gibt es in jeder Wahrheit eine Wahrheit. In der Tat geben viele Hersteller nur auf Papier bessere Eigenschaften ihrer Geräte an. Wenn der Hersteller jedoch wirklich ein Gerät hergestellt hat, das ein Signal in einem etwas größeren Frequenzbereich erfassen / wiedergeben kann, lohnt es sich, zumindest eine Weile über den Kauf dieses Geräts nachzudenken.
Hier ist das Ding. Jeder erinnert sich an den Frequenzgang, schöne Grafiken mit Unregelmäßigkeiten und andere Dinge. Wenn Sie einen Ton erzeugen (nur diese Option berücksichtigen), verzerrt das Mikrofon ihn entsprechend, was durch Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang innerhalb des Bereichs gekennzeichnet ist, den es „hört“.

Dinamicheskiy diapazon

Wenn wir also ein Mikrofon haben, das in der Lage ist, ein Signal innerhalb der Standardgrenzen (20-20k) zu erfassen, erhalten wir nur in diesem Bereich Verzerrungen. Verzerrungen gehorchen in der Regel der Normalverteilung (erinnern Sie sich an die Wahrscheinlichkeitstheorie) mit kleinen Streuungen zufälliger Fehler. Was passiert, wenn wir bei sonst gleichen Bedingungen den Bereich des aufgezeichneten Signals erweitern? Wenn wir der Logik folgen, wird sich die „Kappe“ (der Wahrscheinlichkeitsdichtegraph) in Richtung einer Vergrößerung des Bereichs erstrecken, wodurch die Verzerrung über die Grenzen des für uns interessanten hörbaren Bereichs hinaus verschoben wird.

dinamicheskiy diapazon-2

In der Praxis hängt alles vom Geräteentwickler ab und sollte sehr sorgfältig geprüft werden. Die Tatsache bleibt jedoch bestehen.

Wenn wir zu unserer Hardware zurückkehren, ist leider nicht alles so rosig. Ähnlich wie die Aussagen der Entwickler von Mikrofonen und Lautsprechern lügen auch die Hersteller von Soundkarten häufig über die Betriebsarten ihrer Geräte. Manchmal kann man für eine bestimmte Soundkarte sehen, dass sie im 96k / 24bit-Modus funktioniert, obwohl es in Wirklichkeit alle die gleichen 48k / 16bit sind. Hier kann die Situation sein, dass innerhalb des Treibers der Ton tatsächlich mit den angegebenen Parametern codiert werden kann, obwohl die Soundkarte (DAC-ADC) in der Realität nicht die erforderlichen Eigenschaften liefern kann und einfach die höheren Bits in der Abtasttiefe verwirft und einen Teil der Frequenzen bei der Abtastfrequenz überspringt. Dies sündigte einmal sehr oft die einfachsten eingebauten Soundkarten. Und obwohl, wie wir für das menschliche Gehör herausgefunden haben, Parameter wie 40k / 10bit völlig ausreichen, wird dies für die Tonverarbeitung aufgrund der während der Tonverarbeitung eingeführten Verzerrungen nicht ausreichen. Das heißt, wenn ein Ingenieur oder ein Musiker mit einem durchschnittlichen Mikrofon oder einer Soundkarte einen Sound erzeugt, wird es in Zukunft sehr schwierig sein, alle Geräusche und Fehler, die während der Aufnahme gemacht wurden, mit den besten Programmen und der besten Hardware zu beseitigen. Glücklicherweise sündigen Hersteller von semiprofessionellen oder professionellen Audiogeräten nicht so.

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Das letzte Problem ist, dass die eingebauten Soundkarten einfach nicht über genügend erforderliche Anschlüsse verfügen, um die erforderlichen Geräte anzuschließen. Sogar ein Gentleman-Set in Form von Kopfhörern und zwei Monitoren kann einfach nicht angeschlossen werden, und Sie müssen auf Schnickschnack wie Ausgänge mit Phantomspeisung und separate Bedienelemente für jeden Kanal verzichten.

Insgesamt: Das erste, was Sie für die weitere Auswahl des Soundkartentyps bestimmen müssen, ist, was der Master tun wird. Es ist wahrscheinlich, dass zum Schruppen genügend eingebaute oder externe, aber relativ billige Soundkarten vorhanden sind, wenn keine Aufnahme in hoher Qualität erforderlich ist oder die „Ohren“ des endgültigen Hörers simuliert werden müssen. Es kann auch für Anfänger nützlich sein, wenn sie nicht zu faul sind, um Verzögerungen bei der Echtzeitverarbeitung zu reduzieren. Für Master, die sich ausschließlich mit Offline-Verarbeitung beschäftigen, sollte man sich nicht die Mühe machen, Verzögerungen zu reduzieren und sich auf Geräte zu konzentrieren, die tatsächlich die von ihm gesetzten Hertz und Bits ausgeben. Hierfür ist es nicht erforderlich, eine zu teure Soundkarte zu kaufen. In der billigsten Version ist möglicherweise eine mehr oder weniger geeignete „Spiel“ -Soundkarte geeignet. ABER ich betone, dass die Treiber für solche Soundkarten versuchen, den Sound auf eine bestimmte Weise zu verbessern, was nicht akzeptabel ist, da es für die Verarbeitung erforderlich ist, den Sound so sauber und ausgewogen wie möglich zu gestalten, ohne dass die Treiber „verbessert“ werden müssen.

Wenn Sie als Master jedoch ein Gerät benötigen, das die Anforderungen an die Qualität des aufgezeichneten und wiedergegebenen Signals sowie an die Verarbeitungsgeschwindigkeit dieses Signals erfüllt, müssen Sie entweder zusätzlich bezahlen, indem Sie ein Gerät mit der richtigen Qualität empfangen, oder 2 auswählen, die Sie spenden können: hohe Qualität, niedrige Preis, hohe Geschwindigkeit.

Hinweis Ed.: Wenn Sie Musiker sind und nicht alle Komplexitäten der modernen Verarbeitung verstehen möchten – bestellen Sie das Mischen und Mastern in unserem Studio, und wir werden alles tun, damit Sie qualitativ hochwertiges Material erhalten! -> Preise

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Об авторе: mix-master

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