Obsah
1. Zvuková karta Pro Audio Spectrum 16 (PAS)
2. AdLib Gold 1000
3. Cyber Audio Card
4. Sound Bird
5. Legenda mezi zvukovými kartami – Gravis UltraSound
6. Způsob přehrávání zvuků na kartách GUS
7. Gravis UltraSound MAX a Ultrasound Ace
8. Literatura a odkazy na Internetu
9. Obsah další části seriálu
1. Zvuková karta Pro Audio Spectrum (PAS)
První zvukovou kartou, kterou si dnes představíme, je karta firmy Media Vision nazvaná Pro Audio Spectrum 16, zkráceně PAS. Tato poměrně úspěšná a často používaná zvuková karta, která byla dodána na trh v roce 1992, konkurovala Sound Blasteru Pro (dodáván od roku 1991) i Sound Blasteru 16 (na trhu se objevil takřka současně s Pro Audio Spectrum 16), je vybavena šestnáctibitovým digitálně-analogovým převodníkem, programovatelným mixerem, čipem pro syntézu hudby Yamaha YMF 262 (OPL 3), MIDI rozhraním a taktéž (alespoň v některých variantách) poněkud překvapivě i SCSI rozhraním, které bylo možné použít například pro připojení některých mechanik CD-ROM – v počátcích CD-ROM na osobních počítačích se totiž používalo buď standardní interní rozhraní SCSI nebo proprietární rozhraní samotných výrobců mechanik; ATAPI a IDE se rozšířilo až po několika letech. Na rozdíl od Sound Blasterů však nebylo možné ke kartě Pro Audio Spectrum připojit rozšiřující desku pro wavetable syntézu (Sound Blastery obsahovaly, jak jsme si již řekli v předchozí části tohoto seriálu, konektor pro připojení tohoto rozšíření). Základní technické údaje této karty jsou vypsány v následující tabulce:
| Název zvukové karty: | Pro Audio Spectrum |
|---|---|
| Bitová hloubka vzorků: | 8 či 16 bitů |
| Rozsah vzorkovací frekvence: | 4–44 kHz |
| Zvukové kanály: | 2 (stereo) |
| Podpora ADPCM: | ano |
| FM syntéza: | Yamaha YMF 262 (OPL3) |
| Další vybavení: | mixer, MIDI, SCSI rozhraní (některé verze) |
| Kompatibilita se SB: | ano, osmibitové vzorky |
Obrázek 1: Zvuková karta Media Vision Pro Audio Spectrum 16.
2. AdLib Gold 1000
Ve výčtu zvukových karet nekompatibilních se Sound Blastery nesmíme zapomenout ani na kartu AdLib Gold 1000 určenou pro osmibitovou sběrnici PC BUS (tato sběrnice je dopředně kompatibilní se šestnáctibitovou sběrnicí ISA, tj. zvukovou kartu bylo možné použít i v „dlouhém“ ISA konektoru). Firma Adlib z Quebecu, kterou již v roce 1988 založil Martin Prevel, se uvedením této karty na trh snažila navázat na popularitu původní legendární zvukové karty AdLib, jejíž parametry jsme si popsali v šedesáté části tohoto seriálu. Zatímco se však původní AdLib prodával v době, kdy k němu prakticky neexistovala žádná srovnatelná konkurence, bylo tomu v případě jejího následovníka AdLib Gold 1000 zcela naopak, protože se na trhu vyskytovaly jak všeobecně známé a široce podporované Sound Blastery (především verze Sound Blaster Pro a o rok později Sound Blaster 16) a jejich více či méně kompatibilní klony, tak i relativně úspěšné zvukové karty Pro Audio Spectrum, které jsme si popsali v předchozí kapitole.
Obrázek 2: Zvuková karta AdLib Gold 1000. Povšimněte si, že většina součástek používá technologii SMD, což je oproti původnímu AdLibu, který vypadal tak, jakoby ho výrobce ručně spájel v garáži, veliký pokrok. Čip OPL3 a.k.a. Yamaha YMF 262 je umístěn vlevo těsně pod krystalem.
I když byla zvuková karta AdLib Gold 1000 po technické stránce se Sound Blasterem Pro či Pro Audio Spectrem zhruba srovnatelná (digitálně-analogový a analogově-digitální převodník s maximální vzorkovací frekvencí 44 kHz a poměrně nestandardní dvanáctibitovou hloubkou samplů, což odpovídá dynamickému rozsahu 72 dB, plná podpora pro OPL3 atd.), nenabízela plnou kompatibilitu se svou konkurencí a i její poměrně vysoká cena (v porovnání s vybavením) zapříčinila, že se toužebně očekávaný obchodní úspěch nedostavil, karta z tohoto důvodu nebyla zpočátku příliš podporovaná ani ve hrách a firma Adlib poměrně záhy – již v roce 1992 – zanikla. Přívlastek „Gold“ tato karta dostala díky zlatavému plošnému spoji (traduje se, že se skutečně jedná o rozprášené zlato); tuto techniku později použili i další výrobci (naproti tomu například zvukové karty GUS používaly pro ně typický červený podklad plošného spoje). V následující tabulce jsou vypsány základní technické parametry AdLib Gold 1000, která je dnes žádaným sběratelským kouskem, už jen kvůli svému osudu:
| Název zvukové karty: | AdLib Gold 1000 |
|---|---|
| Bitová hloubka vzorků D/A převodníku: | 12 bitů |
| Bitová hloubka vzorků A/D převodníku: | 12 bitů |
| Rozsah vzorkovací frekvence: | 4–44 kHz |
| Podpora ADPCM: | ano |
| FM syntéza: | Yamaha YMF 262 (OPL3) |
| Použité čipy: | GOLD CTRL, Yamaha YMZ263-F, 2×Yamaha YAC512 |
| Možnosti rozšíření: | MIDI box (za příplatek) |
Obrázek 3: Pro porovnání – původní AdLib, kterým se stejnojmenná firma proslavila.
3. Cyber Audio Card
Zajímavou, i když v našich končinách ne příliš známou zvukovou kartou určenou spíše pro poloprofesionální použití je Cyber Audio Card firmy Alpha Systems. Jedná se o kartu, která podporuje až čtyři zvukové kanály v konfiguracích 2×stereo či 4×mono. Další zajímavost spočívá v použití wave table syntézy (Aria wave table) s 32hlasou polyfonií, což znamená, že v jednom časovém okamžiku je možné provádět mixáž až třiceti dvou na sobě nezávislých hlasů do čtyř výstupních zvukových kanálů. Vzorky hudebních nástrojů, které je možné modifikovat pomocí osmi obálek (envelope), jsou uloženy v paměti ROM o kapacitě 1MB (paměť je samozřejmě umístěna přímo na zvukové kartě). Kromě přehrávání vzorků z paměti ROM lze samply načítat z operační paměti počítače a postupně je přenášet s využitím přímého přístupu do paměti (DMA) podobným způsobem, jako u Sound Blasterů. Základní technické parametry zvukové karty Cyber Audio Card jsou opět vypsány v tabulce pod odstavcem:
| Název zvukové karty: | Cyber Audio Card |
|---|---|
| Bitová hloubka vzorků: | 8 či 16 bitů |
| Rozsah vzorkovací frekvence: | 11025, 22050, 44100 Hz |
| Zvukové kanály: | 2× stereo či 4× mono |
| Podpora ADPCM: | ano |
| Podpora DMA: | ano |
| Polyfonie: | 32 hlasů |
| Další vybavení: | 1MB ROM s uloženými vzorky nástrojů |
Obrázek 4: Způsob zapojení plně digitálního čipu OPL3 (Yamaha YMF 262) s dvojicí D/A převodníků. Takto zapojenou trojici čipů můžeme nalézt na velkém množství zvukových karet.
4. Sound Bird
Taktéž tvůrci (polo)profesionální zvukové karty Sound Bird vsadili na wave table syntézu namísto dříve populární syntézy založené na hudebních čipech OPL2 a OPL3. Tato zvuková karta firmy X Technology podporuje, podobně jako výše zmíněná karta Cyber Audio Card, 32hlasou polyfonii, ovšem vzorky hudebních nástrojů nemusí být uloženy pouze v nemodifikovatelné paměti ROM, ale i v DRAM, kterou bylo možné na kartu jednoduše přidat – obsahovala totiž konektory pro paměťové moduly SIMM, které se v té době používaly i ve funkci operační paměti počítačů PC. Přehrávané tóny bylo možné ovlivnit pomocí obálky (envelope) a zvukových filtrů. Zajímavé je, že celá zvuková syntéza není řízena specializovaným čipem, ale mikroprocesorem Motorola 68000 taktovaným na 8 MHz, což již nabízí spoustu možností, neboť výpočetní výkon tohoto mikroprocesoru je dostatečný i pro tvorbu složitějších filtrů (srovnejme například s prvními Sound Blastery, které byly vybaveny osmibitovým mikrořadičem Intel 8051). Karta sice přímo neobsahovala čip OPL2 či OPL3, ale vestavěný mikroprocesor dokázal poměrně úspěšně emulovat čip Yamaha YM 3812, tj. OPL2.
| Název zvukové karty: | Sound Bird |
|---|---|
| Bitová hloubka vzorků: | 8 či 16 bitů |
| Rozsah vzorkovací frekvence: | 11025, 22050, 44100 Hz |
| Zvukové kanály: | 1× stereo či 2× mono |
| Podpora ADPCM: | ano |
| Podpora DMA: | ano |
| Polyfonie: | 32 hlasů |
| FM syntéza: | emulace Yamaha 3812 |
| Použité čipy: | Motorola 68000 |
| Další vybavení: | 8MB ROM/RAM (SIMM) s uloženými vzorky nástrojů |
5. Legenda mezi zvukovými kartami – Gravis UltraSound
Článek o zvukových kartách určených pro osobní počítače kompatibilní s IBM PC by zcela jistě nebyl úplný, kdyby v něm nebyla zmínka o zvukových kartách Gravis UltraSound firmy Advanced Gravis Computer Technology, které byly v dobách kralování DOSu právem považovány za nejsnáze ovladatelné zvukové karty. Jedna z největších předností těchto zvukových karet spočívala v tom, že navzorkované zvuky bylo možné uložit do paměti RAM umístěné na kartě (u prvních verzí se jednalo maximálně o 1 MB DRAM; standardně byla karta dodávána s 256 kB, tuto kapacitu bylo možné pomocí paměťových modulů DIP zvýšit na 1 MB), přičemž o samotné mixování a přehrávání se staral přímo příslušný čip zcela nezávisle na činnosti počítače. To mj. znamenalo, že mikroprocesor počítače nebyl zatížen přehráváním zvuků a hudby, takže jeho výpočetní výkon mohl být použit pro jiné účely. Z tohoto důvodu byla zvuková karta Gravis Ultrasound (zkráceně GUS) velmi oblíbená u tvůrců dem, které jsou obecně velmi výkonově náročné, takže každé ulehčení práce mikroprocesoru počítače je vítané (ostatně právě princip práce GUSu se nejvíce blížil funkcionalitě čipu Paula na Amigách, které představovaly pro tvorbu dem takřka ideální platformu).
Obrázek 5: Zvuková karta Gravis UltraSound, zde poněkud netradičně se zeleným plošným spojem (další varianty používají především červený plošný spoj, který se stal poznávacím znakem takřka všech GUSů). V levém horním rohu jsou konektory rozhraní pro mechaniky CD-ROM (standardní IDE a proprietární Sony, Panasonic a Mitsumi), v pravé spodní části se nachází dvojice zesilovačů, uprostřed jsou čipy pro DMA přenos, styk se sběrnicí ISA a wavetable syntézu.
Další předností této karty byl poměrně kvalitní zvuk, alespoň v porovnání s cenově srovnatelnou konkurencí, a v neposlední řadě též jednoduchost ovládání – napsat například přehrávač hudebních modulů pro GUS bylo mnohem snazší, než v případě jiných zvukových karet, které nedokázaly pracovat s větším množstvím zvukových kanálů. Ovšem Gravis UltraSound byl, především kvůli nainstalované paměti DRAM i výkonným čipům pro přehrávání a mixáž zvuků, dražší než méně výkonné zvukové karty (u nás jeho cena postupně klesala z 10 000 Kč na cca 7 500 Kč), což se samozřejmě odrazilo i v menších objemech prodeje. Jeho největší nevýhodou však byla jen problematická kompatibilita s tehdejším nepsaným standardem – Sound Blasterem, která byla zajišťována přes ovladače. GUS totiž neobsahoval žádný čip pro FM syntézu (OPL2, OPL3), což znamenalo, že starší hry nebo hry, které GUS přímo nepodporovaly, nedokázaly s touto zvukovou kartou přímo pracovat a použití ovladače, který se snažil emulovat funkce Sound Blasteru, bývalo problematické – od slyšitelných chyb v přehrávání až po úplný pád či zamrznutí hry (někteří movitější majitelé PC tento problém řešili tak, že měli nainstalované dvě karty – nějaký Sound Blaster a GUS). Tyto faktory vedly k tomu, že GUS nikdy nedosáhl takové popularity, jaké by si díky svým schopnostem a kvalitou zvuku zasloužil (možná je škoda, že firma Advanced Gravis na GUS nepřidala i originální čip pro OPL3 a podporu pro jednoduché DMA ala Sound Blaster, to by popularitu této karty mezi běžnými hráči mohlo zvýšit).
6. Způsob přehrávání zvuků na kartách GUS
S pomocí zvukové karty Gravis UltraSound bylo možné současně přehrávat a automaticky mixovat až 32 navzorkovaných zvuků, přičemž u každého zvuku bylo možné (nezávisle na ostatních kanálech) zvolit jeho vzorkovací frekvenci, počet bitů na vzorek (8 nebo 16), hlasitost, pozici zvuku vzhledem k pravému a levému reproduktoru, opakování zvuku (loop) či obousměrné opakování zvuku (na konci se zvuk začne přehrávat v opačném směru). V případě, že je současně použito „jen“ 16 zvukových kanálů, může vzorkovací frekvence dosahovat až 44 kHz, ovšem s rostoucím počtem kanálů maximální možná vzorkovací frekvence postupně klesá až na hodnotu 22 kHz v případě, že je využito všech 32 kanálů (což ovšem nebývá v praxi zvykem, většina skladeb si vystačila se šestnáctihlasou polyfonií). Po přehrání celého vzorku některým hudebním kanálem je možné generovat přerušení (IRQ), na které může programátor příslušným způsobem reagovat – zdroj přerušení získá z interních registrů GUSu.
Obrázek 6: Naměřená frekvenční charakteristika analogového výstupu zvukové karty Gravis Ultrasound. Na grafu můžeme vidět, že přibližně na 3 kHz začíná docházet k útlumu výstupního signálu, mezní frekvence přitom leží na 20 kHz, což samozřejmě koresponduje se vzorkovací frekvencí. S trochou nadsázky je tedy možné říci, že ultrazvuk (ultrasound) tato karta určitě negeneruje :-) Zobrazená charakteristika je však velmi vyrovnaná, GUS byl ostatně ve své době právem považován za kartu s kvalitním zvukem.
Zajímavé je, že prakticky všechny parametry ovlivňující přehrávání je možné kdykoli změnit, takže například postupné ztlumení hudby se provádí velmi jednoduchým způsobem – hlasitost zvoleného kanálu či kanálů se postupně (modifikací parametrů uložených v řídicích registrech) snižuje až k nulové hodnotě (hlasitost je zadána v logaritmickém měřítku, převod na měřítko lineární je však triviální). Podobným způsobem však lze implementovat i další zajímavé zvukové efekty probíhající v reálném čase, například vibrato či plynulý panning (přechod zvuku zleva doprava či naopak). Kromě prvotního načtení vzorků do paměti DRAM nainstalované na GUSu a zápisu hodnot do jeho řídicích registrů je celé přehrávání zautomatizováno, programátor však může v případě potřeby například sledovat, ve kterém místě se přehrávání nachází – adresa právě přehrávaného vzorku je ukládána do řídicích registrů, samozřejmě pro každý zvukový kanál zvlášť, protože zvukové kanály jsou na sobě nezávislé – každý má jinou hlasitost, vzorkovací frekvenci i rozsah adres paměti, ve které jsou přehrávané vzorky uloženy.
Obrázek 7: Frekvenční charakteristika mixéru zvukové karty Gravis UltraSound.
7. Gravis UltraSound MAX a UltraSound Ace
Vylepšením výše popsané karty Gravis UltraSound vznikla zvuková karta nazvaná Gravis UltraSound MAX. Na této kartě se nacházel čip Crystal Semiconductors CS4231, který byl používán jak pro vzorkování a kódování zvuků z externích zdrojů, tak i pro zajištění kompatibity se specifikací WSS (Windows Sound System) a do jisté míry i pro emulaci chování karty Sound Blaster. Kapacita nainstalované paměti se zvýšila z 256 kB na 512 kB, ovšem stále bylo možné provést rozšíření na 1 MB, podobně, jako u původní karty Gravis UltraSound. Zajímavá byla také karta Gravis UltraSound ACE. Ve své podstatě se jednalo o zjednodušenou variantu původního GUSe, ovšem bez gameportu a podpory nahrávání zvuků. Tato karta byla nabízena jako doplněk ke konkurenčním Sound Blasterům, což mělo své opodstatnění – Sound Blaster zajišťoval potřebnou zpětnou kompatibilitu pro FM systézu i přehrávání pomocí DMA, GUS ACE se naopak použil v aplikacích, které ho plně podporovaly (dema, profesionální hudební programy atd.).
Obrázek 8: Zvuková karta Gravis UltraSound MAX se svým typickým červeným plošným spojem.
8. Literatura a odkazy na Internetu
- Mark Dixon:
The Offical Gravis Ultrasound Programmers Encyclopedia - Wikipedia EN: Ad Lib, Inc.:
http://en.wikipedia.org/wiki/AdLib - Fotografie zvukové karty Adlib Gold:
http://pclab.pl/zdjecia/artykuly/vega/reviews/dzwiek/soundcard_roundup/antyki_adlib_gold_d.jpg - Historia rynku – 1991–1994, wojna = wszystkie chwyty dozwolone (Polsky)
http://pclab.pl/art17707–4.html - Gravis Ultrasound:
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravis_Ultrasound - Legenda Gravis UltraSound:
http://www.gravisultrasound.net/ - … a retrospective view on sound card history:
http://crossfire-designs.de/index.php?lang=en&what=articles&name=showarticle.htm&article=soundcards&print=true - Gravis Ultrasound frequency response:
http://www.epanorama.net/documents/soundcardtest/gus_classic.html - Ensoniq:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ensoniq - Ensoniq Corporation:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ensoniq_Corporation - Turtle Beach Systems:
http://en.wikipedia.org/wiki/Turtle_Beach_Systems - Ensoniq FAQ:
http://web.archive.org/web/19970607104214/www.ensoniq.com/html/mm-pi.htm - Ensoniq (hist.site):
http://web.archive.org/web/19971009055157/www.ensoniq.com/ - Ensoniq:
http://www.synthmuseum.com/ensoniq/index.html - Ensoniq VFX-SD:
http://www.synthmuseum.com/ensoniq/ensvfx01.html - Timeline: History of the Synthesizer:
http://www.synthmuseum.com/magazine/time0010.html
Obrázek 9: Další varianta karty Gravis UltraSound MAX s příslušenstvím. Naaranžoval a nafotil Vít Kavan.
9. Obsah další části seriálu
V následující části seriálu o architekturách počítačů téma zvukových karet a problematiky zvukových i hudebních čipů dokončíme. Popíšeme si některé zvukové karty určené spíše pro (polo)profesionální hudebníky nežli hráče, například karty firmy Ensoniq Corporation, Roland či Turtle Beach Systems. Dále si příště řekneme, jakým směrem se ubírá vývoj zvukových karet, včetně vysvětlení principu tvorby 3D zvuků, jenž je používaný především ve hrách.
