Ausarbeitung zum Thema Soundkarte

Stefan Babel

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Dies ist die Ausarbeitung zum Referatsthema Soundkarte

Die Ausarbeitung unterliegt der Public Domain. Alles war hier von mir aufgeführt wird, darf bedingungslos für alle Zwecke verwendet werden.(Da ich der Ansicht bin, dass dies keine wirkliche Kreativarbeit, sondern nur eine Zusammenfassung von bereits allgemein Bekanntem ist.) Selbstverständlich kann ich nur erlauben, mein eigenes, geistiges Eigentum zu verwenden, da ich selber aber Bilder als Illustration von Dritten bezogen haben, unterliegen diese Bilder nicht der Public Domain. Grundsätzlich sind alle Bilder und Medien im Ordner "res-eigene" von mir.

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Table of Contents

1. Was ist überhaupt eine Soundkarte?
   1. Allgemeiner Aufbau
2. Analog-Digital Wandlung
   1. Grundgedanke
   2. Wandlungsarten
      1. Stufenweise Umsetzung
      2. Sukzessive Approximation
      3. Flash Umsetzung
   3. Probleme bei der Wandlung und wichtige Fachbegriffe
3. Soundkartenarten
   1. Consumerkarten
      1. Anwendung
      2. Anschlüsse und Erläuterungen
   2. Professionelle Soundkarten
      1. Andwendung
      2. Anschlüsse und Erläuterungen
      3. Praktische Einsatzgebiete
4. Links

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1 Was ist überhaupt eine Soundkarte?

Eine Soundkarte ist ein Peripheriegerät für den PC/Mac, dass dafür zuständig ist digitale Signale in analoge(akustische) bzw. analoge in digitale Signale zu wandeln. Manche Soundkarten beherrschen auch das Mixen von verschiedenen Klängen, was ansonsten softwaretechnisch gemixt werden muss(z.B. ESD bei Linux). Dies sind die 3 Hauptfunktionen einer handelsüblichen Soundkarte. Somit dient die Soundkarte als Schnittstelle zwischen Computer und Abspielgeräten(Soundanlagen wie Boxen, Verstärker etc.)

1.1 Allgemeiner Aufbau

Soundkarten gibt es in verschiedensten Ausführungen, als...

• ... PCI-Steckkarte
• ... USB-Outboard
• ... Firewire-Outboard
• ... auf dem Motherboard integrierter Chipsatz

Da die A/D bzw. D/A Wandlung die Hauptfunktionen sind, sind die entsprechenden Wandlerbausteine auch die Hauptkomponenten der Soundkarte. Die einfachsten Soundkarten(PCI) haben folgende Anschlüsse: (im Bild sind die Anschlüsse einer Onboard-Soundkarte zu sehen)

• Speaker out (grün)
• Line in (blau)
• Mic in (rot)

2 Analog-Digital-Wandlung

2.1 Grundgedanke zur AD-Wandlung

Die AD-Wandlung ist, wie schon erwähnt, eine der wichtigsten Komponente einer Soundkarte. Das Hauptproblem bei der Wandlung: Die Nichtlinearität vom analogen Signal. Oder besser: Eine Kurve kann nicht durch Tangenten oder Strecken erzetzt, sondern nur angenähert werden. Eine AD-Wandlung könnte beispielsweise so aussehen:

Erläuterung: Am Eingang haben wir ein Signal in Sinus Form. Wenn der Ausschlag an der obersten Amplitude 5V, und an der unteren -5V und unser Wandlerbaustein ein 8-Bit(ergibt 255 mögliche Zustände) Wandler ist, können wir das Signal einigermassen fein unterteilen. Eine Unterteilung vom Signal bezeichnet man als Sample. Im obigen Bild haben wir folglich 16 Samples/s.

2.2 Wandlungsarten

Vollständigkeitshalber werde ich kurz alle wichtigen Wandlungsarten erläutern, wobei nur die Delta-Sigma-Wandler für Soundkarten interessant sind

Es gibt verschiedenste Verfahren der Wandlung, bei allen Verfahren gilt jedoch dass Abtasttheorem von WKS(Whittaker-Kotelnikow-Shannon), dass (sehr knapp zusammengefasst) besagt, dass das abzutastende Signal MINDESTENS mit der doppelten Frequenz abgetastet werden muss, um zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen. Wenn beispielsweise eine Tonaufnahme abgetastet werden soll muss mindestens mit 40 kHz abgetastet werden, da eine Tonaufnahme sich bekanntlich im Frequenzband von 20Hz - 20khz abspielt. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass mit viel höheren Abtastraten gearbeitet wird. Mehr dazu bei den Problemen bei der Wandlung

2.2.1 Stufenweise Umsetzung

(http://www.vias.org/mikroelektronik/img/adcdslp.png)

Bei der Stufenweisen Umsetzung gibt es 2 technisch relevante Verfahren

2.2.1.1 Dual/Multi-Slope-Verfahren

Funktionsweise:
Im rechten Bild ist ein einfacher Dual-Slope-Wandler zu sehen. Uref ist die Referenzspannung und Uin das analoge Eingangssignal. Das Umschalten zwischen Referenzspannung und Eingangssignal regelt eine Steuerung.
Es wird eine festgelegte Zeit lang die Spannung Uin in den Integrator laufen gelassen. Der Kondensator lädt sich nun dadurch proportional zur Zeit auf. Nach dieser festgelegten Zeit wird nun eine Gegenspannung an den Integrator geführt um den Kondensator wieder proportional zu entladen. Und die Zeit, die für die Entladung benötigt wird, wird gemessen. Der Zähler zählt nämlich solange hoch, bis der Komparator bescheid gibt, dass der Kondensator entladen ist. Da sich alles proportional zueinander verhält, dank des Integrators, lässt sich folgendes Gesetz ableiten:

daraus folgt: UIn = (tin/tRef) * URef
Durch die "integrierenden" Eigenschaften des Dual-Slope-Wandlers wird eine hohe Genauigkeit und eine Fehlerquote von ungefähr nur 0.01% erreicht.

(http://gymmelk.ac.at)

Fazit:

• + hohe Genauigkeit
• + gute Rauschunterdrückung
• - langsam
• - temperaturempfindlich
• - Referenzspannung muss stabil sein

Anwendung:

Aufgrund der hohen Genauigkeit, jedoch langsamen Wandlung wird es zunehmend in Digitalmultimetern eingesetzt. Ausserdem ist der Dual-Slope Wandler einer der am häufigsten eingesetzten Wandler.

2.2.1.2 Delta-Sigma Verfahren

Das Delta-Sigma Verfahren ist eines der beteutendsten Verfahren unserer Zeit. Der Schaltungsaufwand und die Bauteilkosten sind gering, die Genauigkeit und Wandlungsgeschwindigkeit hoch. Um dieses Verfahren erklären zu können wird vorrausgesetzt, dass der Leser die Begriffe Integrator, Differenzierer kennt.

Funktionsweise:

http://beis.de Sehr empfehlenswerte Seite zum Thema!!

Ein Delta-Sigma-Wandler besteht pratkisch aus 2 Teilen: Aus einem Modulator und einem Tiefpassfilter. Der Modulator erzeugt den sogenannten "Bitstream" und der Tiefpassfilter filtert den Mittelwert des Bitstreams heraus.
Der Modulator besteht im einfachsten Fall aus einem Komparator, an den das Analogsignal und der Bitstream analog zurückgeführt wird. Von da an gelangt das Signal vom Komparator in einen Integrator, der die Spannung über die Zeit integriert und danach wieder zu einem Komparator und wird dann in einem D-Flip-Flop bei steigender Flanke gepuffert. Am Ausgang des Flip-Flops ist dann der sogenannte Bitstream.

http://beis.de Sehr empfehlenswerte Seite zum Thema!!

Der Tiefpassfilter wird dazu benötigt um die hohen Störfrequenzen zu unterdrücken und nur das Nutzsignal durchzulassen.

Fazit:

• + Schnelle Wandlung
• + genau
• + geringer Schaltungsaufwand

Anwendung:

Delta-Sigma-Wandler findet man in vielen Bereichen der Technik bei denen es auf schnelle Umsetzung und gute Qualität ankommt, also eine Kompromisslösung. Vor allem findet man sie in Soundkarten, da hier schnelle Wandlung gefragt ist.

2.2.2 Sukzessive Approximation

Sukzessive Approximation bedeutet nichts anderes als schrittweise Annäherung, und so wird es auch gemacht:
Funktionsweise:
Der Messwert wird geschätzt und dann mit der echten Grösse verglichen und überprüft ob diese grösser oder kleiner ist. Danach wird das ganze wieder, aber etwas genauer, durchgeführt, solange, bis man zu einem akzeptablen Ergebnis kommt. Derartige Wandler benötigen eine Halte-Schaltung um das analoge Signal während der Annäherung gleich zu halten.

Es gibt bei der schrittweisen Annäherung 2 technisch relevante Verfahren, wobei ich hier nur auf das Wägeverfahren eingehen werde. Das redundante Verfahren ist nur eine Weiterentwicklung des Wägeverfahrens.

https://ces.karlsruhe.de

Beim Wägeverfahren werden zunächst alle Bit auf Null gesetzt(0000). Danach wird von links nach rechts erhöht, also 1000, und das ganze zu einer Spannung mit bspw. einfachen DAC Wandlern(z.B. mit einem Widerstandsnetzwerk) umgewandelt. Jetzt vergleicht der Komparator die 2 Spannungen an seinen Eingängen und bestätigt der Steuerung, dass das gehaltene Signal grösser ist als das geschätzte Signal. Falls der Komparator dies nicht bestätigt, wird das aktuelle Bit wieder zurückgesetzt. Im linken Bild ist der ganze Vorgang(vereinfacht) dargestellt.



Fazit:

• + hohe Auflösung
• - relativ langsam

2.2.3 Flash-Umsetzung

http://alte-messtechnik.de

Funktionsweise:
Flash Umsetzer basieren auch auf Vergleichen, jedoch wird bei Flash Umsetzern alles parallel verglichen, weshalb auch der Schaltungsaufwand hoch ist. Für jede Stufe(Achtung!! Nich für jedes Bit) wird ein Komparator benötigt.

Im rechten Bild ist ein 3-Bit Flashumsetzer dargestellt. Mit 3-Bit kann man folglich 8 zahlen darstellen(von 0-7), also benötigt man in diesem Fall 7 Komparatoren. Die Widerstände sorgen für die Stufeneinteilung, die eine Teilspannung der Referenzspannung ist. Flankengetriggerte D-Flip-Flops werden benötigt um eine Hold-Schaltung zu ersetzten, sie cachen praktisch den Komparatorwert. Der Wert in den Flipflops muss dann wieder von einem Codewandler in eine Binärzahl umgewandelt werden, was keinen grösseren Aufwand darstellt(Könnte praktisch schon mit Logikbausteinen realisiert werden)

Fazit:

• + Die schnellsten AD-Wandler sind Flash Wandler!!!
• + Sehr genau
• - Hoher Schaltungsaufwand, viele Bauteile
• - Für jede Stufe wird 1 Komparator benötigt,also für 8-Bit 255 Komparatoren!!

Anwendung: Flash-Wandler findet man überall dort, wo extrem hohe Anforderungen an die Umsetzungsgeschwindigkeit gestellt sind. Um ein paar Beispiele zu nennen: Moderne digitale Oszilloskope könnten heutzutage nie so schnell sein ohne Flash-Wandler. Ausserdem finden Sie Verwendung bei Radargeräten.

2.3 Probleme bei der Wandlung und wichtige Fachbegriffe

Hier werden Fachbegriffe und wichtige Eigenschaften und deren Auswirkungen erklärt die der eine oder andere sicher schon einmal beim Thema Soundkarten/AD-Wandlung gehört hat.

Auflösung:

Die Auflösung ist eine der wichtigsten Kenngrössen, denn sie bestimmt wie genau das Signal digitalisiert werden kann. Bspw. haben normale Consumerkarten eine Auflösung von 16-Bit und professionelle liegen im Bereich von 24-Bit. Eine höhere Auflösung sorgt auch nicht nur dafür, dass Aufgenommenes/Abgespieltes weniger Rauschen enthät(Grösserer Rauschabstand). In der Fachsprache bezeichnet man das Rauschen nach der Umwandlung auch als Quantisierungsrauschen.

Latenz:

Latenz kann auch als Verzögerungszeit umschrieben werden, welche bspw. die AD-Wandler benötigen, um eine Signalumwandlung durchzuführen(AD oder DA). Bei professionellen Anwendungen ist man danach bestrebt, die Latenz so gering wie möglich zu halten, da Echzeit-Monitoring eine essenzielle Rolle im Studiodasein spielt. Dies wird erreicht durch schnelle AD-Wandler(hier zeigt sich wieso meistens Delta-Sigma-Wandler zum Einsatz kommen) die auf professionellen Soundkarten integriert sind und durch ein besonders kühnes Treibermodell namens ASIO. Bei professionellen Soundkarten stösst man häufig auf Latenzen von unter 3ms!

Quantisierungsrauschen:

Das Quantisierungsrauschen kann man als ein Störsignal betrachten, dass Produkt einer jeden AD-Wandlung ist. Es entsteht durch Abrundung vom indiskreten Analogsignal zum diskreten Digitalsignal. Gänzlich vermeiden lässt es sich nicht, jedoch kann man den Rauschabstand erhöhen, indem man die Auflösung "heraufschraubt". Faustregel dafür: Je höher die Auflösung der Wandler, desto grösser der Rauschabstand und desto geringer das Quantisierungsrauschen.

Abtastrate / Abtastfrequenz

Die Abtasterate gibt an, wieviele Samples pro Zeitintervall erfasst werden. Sie wird meist in Hertz angegeben oder Samples/second. Eine handelsübliche Soundkarte(16-Bit) hat eine Abtastrate von 48kHz, wobei die Wahl der Abtastrate nicht willkürlich festgelegt ist, sondern aufgrund des, schon oben erwähnten, Abtasttheorems von Nyquist.

3 Soundkartenarten

Im Prinzip gibt es nur 2 verschieden Arten von Soundkarten, die für die Privatanwender(Consumer), und die für die professionellen Andwender. Beide unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Funktionalitäten, Bauweise und Preis.

3.1 Consumer-Soundkarten

Diese Soundkarten finden sich meist als PCI-Ausfü hrung oder als USB-Breakout-Box. Die Preisspanne bei diesen Karten erstreckt sich zwischen 5-200€,wobei die teureren Soundkarten meinst nur bessere Wandler haben.

3.1.1 Anwendung

Consumer Soundkarten finden ausschliesslich Verwendung beim Heimanwender. Die Funktionalität solcher Soundkarten lässt sich einschränken auf das Abspielen und Aufnehmen von Sound mit einer Bitrate von 16-Bit. Bei den meisten Motherboards ist schon sogar meistens ein einfacher Soundchip integriert der diese 2 Funktionen vereint. A/D und D/A Wandlung sind zudem meist auf einem Chip zusammen integriert, was platzsparender und kostengünstiger ist.Zusätzlich findet sich noch meist ein MIDI/Gamecontroller-Anschluss auf den meisten Soundkarten.

3.1.2 Anschlüsse und Erläuterungen

Vorgestellt wird hier eine handelsübliche Surround-Consumer-Soundkarte die schon für 8€ in Geschäften wie Hem Expert® zu haben ist.

• Kopfhörer-, Lautsprecherausgang, Line-Out (stereo)

  Analoger Ausgang zu Abspielgeräten: Kann direkt an niederohmige Kopfhörer oder Verstärker angeschlossen werden

• Line-In (stereo)

  Analoger Eingang zur Soundkarte: Wird z.B. unter Windows direkt abgespielt und kann auch als Stereoaufnahme dienen.

• Mic-In (mono)

  Analoger Eingang zum Anschluss eines dynamischen Mikrofons. Einige Soundkarten/Soundchips haben einen integrierten Verstärker für diesen Eingang. Ist dies nicht der Fall, muss man das Signal vorverstärken.

• Rücklautsprecher-Ausgang (stereo)

  Analoger Ausgang für 2 weiter Lautsprecher. Somit wäre ein Surround-Sound erreicht.

• S/PDIF-Ausgang

  Digitaler Ausgang für die Übertragung digitaler Audiosignale zwischen verschiedenen Geräten(wie z.B. DAT-Rekorder). S/PDIF steht für Sony/Philips Digital Interface und ist eine Spezifikation für die übertragung der digitalen Audiosignale.

• MIDI/Gameport-Eingang

  Der MIDI-Eingang hat eine zentrale Bedeutung bei der Musikproduktion, dazu aber mehr bei den Anschlüssen von professionellen Audiokarten. Hier sollte man sich lieber ein USB-Midi-Interface besorgen. Das liegt an der hohen Latenz von Consumerkarten bei der Signalverarbeitung(60ms) Die meisten Leute verwenden diesen Eingang als Joystick-Schnittstelle, wobei diese auch zunehmen durch USB verdrängt wurde.

Fazit: Diese Soundkarte ist zum "Zocken" oder Musik hören völlig ausreichend und wird treibertechnisch von so gut wie allen Betriebssystemen unterstützt. Ausserdem ist sie bei diesem Preis(ca. 8€) fü jeden erschwinglich.

3.2 Professionelle Soundkarten

Eine allgemeine Definition für professionelle Soundkarten zu finden ist schwer, da es ein sehr vielfältiges Angebot an Profi-Karten gibt. Es gibt rein digitale, rein analoge und eine Mischung von beidem(hybrid).

Ein Paradebeispiel für eine sündhaft teure,rein digitale Profi-Soundkarte ist wohl die Hammerfall HDSP für rund 500€. Das besondere an dieser Karte ist, dass sie nicht mit einem DSP arbeitet, sondern einem FPGA, der über Firmwareupdates neue Funktionalitäten auf Hardware-Basis liefern kann. Diese Soundkarte setzt aber leider vorraus, dass man schon einen digitalen Mixer hat und die AD-Wandlung schon vollzogen ist. Trotzdem ist sie eine der beliebtesten, rechnergestützen Aufnahmekarten weltweit.

3.2.1 Anwendung

Solche Aufnahmekarten wie die Hammerfall-HDSP werden zunehmend in professionellen Tonstudios eingesetzt, als Schnittstelle zwischen Mischpult und Computer. Profisoundkarten müssen hohe Anforderungen an Geschwindigkeit und Wandlungsqualität erfüllen, damit teure Hardwarelösungen ersetzt werden können. Doch wo liegen die Unterschiede zwischen "normalen" und professionellen Soundkarten?

Professionelle Soundkarten ...

• ... haben bessere A/D-Wandler: statt 16-Bit wandeln sie mit 24-Bit, der Vorteil: Bessere Audioqualität und grössere Rauschunterdrückung.
• ... sind in der Lage mehrere Kanäle gleichzeitig abzuspielen/aufzunehmen.
• ... (die meisten) entlasten den Prozessor mit einem, auf der Soundkarte integrierten, DSP-Chip. Das hat der Vorteil, dass man seinen Prozessor fü andere Anwendungen frei hat, wie z.B. virtuelle Instrumente
• ... sind viel schneller als Consumer-Soundkarten aufgrund durchplanterer Bauweise und ASIO-Treiber. Dies führt zu einer geringen Latenz bei der Aufnahme und Wiedergabe, was unumgäglich ist bei Aufnahmen bei denen gleichzeitig etwas abgespielt wird.
• ... (einige) haben eine Break-Out-Box zur Erweiterung der Anschlussmöglichkeiten.
• ... (alle) sind recht teuer und nicht für jeden erschwinglich. Preisspanne: 200€ bis ca. 2000€
• ... besitzen einen Wordclock zur Synchronisation von weiteren angeschlossenen, digitalen Geräten
• ... (die meisten) sind für PC sowie für Mac ausgelegt

3.2.2 Anschlüsse und Erläuterungen

Vorgestellt wird diesmal eine Terratec Phase 88 als PCI-Ausführung. Diese Soundkarte setzt auf glasklaren Klang(24-Bit/96kHz) und geringe Latenz.

• 8 Analoge Eingänge als Cinch-Buchsen(mono)

  Diese Eingänge sind alle schaltbar zwischen +4dBu(1.23V) und -10dBu(0.25V)

• 8 Analoge Ausgänge als Cinch-Buchsen(mono)

  Diese Ausgänge sind ebenfalls schaltbar zwischen +4dBu und -10dBu

• MIDI In/Out

  Dem Thema MIDI müsste man ein eigenes Kapitel widmen, denn Midi ist ein sehr wichtiges Konzept in der digitalen Musikproduktion. Aber knapp zusammengefasst: MIDI steht für Musical Instrument Digital Interface und ist ein Protokoll sowie Dateiformat. Es wird von so gut wie allen heutigen Soundkarten unterstützt. Sogar alle heutigen Mobiltelefonen unterstützen MIDI, was in dem Fall nicht anderes heisst als polyphone Klingeltöne. Das tolle an MIDI ist, dass keine Sounds/Samples gespeichert werden(in MIDI Dateien), sondern nur Steuerinformationen. Also bspw: Note an, welche Note, Anschlagsstärke usw. Diese Steuerinformationen werden dann erst im Abspielgerät durch konkrete Klänge ersetzt. Genau deswegen klingen MIDI-Dateien/polyphone Klingeltöne auf Geräten von verschiedenen Herstellern eben nicht gleich.

3.2.3 Praktische Einsatzgebiete

Professionelle Soundkarte, so wie die Hammerfall HDSP, werden zunehmen in professionellen Tonstudios eingesetzt und können somit teuere Hardwaregeräte ersetzen, wie z.B. einen DAT-Rekorder oder Equalizer,Hall,Effektgeräte, etc. Am Computer zu arbeiten kann sehr produktiv sein, doch heutzutage gibt es immer noch einige eingefleischte Toningenieure, die vor Rechnern zurückschrecken.

Beispielsweise könnte man sich folgende Verkabelung vorstellen:

http://www.vobs.at

Auf dem Bild ist die Vernetzung von Keyboard, Computer und Soundmodulen über MIDI dargestellt. Hier zeigen sich auch klare Vorteile von MIDI: Zunächst wird über das Keyboard per MIDI etwas in den Rechner eingespielt(mit bspw. Cubase/Nuendo von Steinberg). Es werden, wie schon erwähnt nur Befehle übermittelt, die man dann am Computer wieder als Noten sichtbar machen kann. Somit können Einspielfehler problemlos wieder korrigiert werden(Midi-Editor). Das Signal kann dann eben auch wieder in korrigierter Form wieder an das Keyboard weitergeleitet werden, welches dann wieder Klang erzeugen kann. Oder aber man setzt Midi Thru ein, und leitet die MIDI-Informationen zusätzlich an ein externes Soundmodul weiter.. Heutzutage ist es sogar möglich solche Soundmodule komplett softwaretechnisch zu emulieren. Dabei kommen bspw. virtuelle Instrumente zum Einsatz. Dazu werden Samples von jedem Ton eines einzelnen Instrumenten in verschiedenen Nuancen in Top-Qualität aufgenommen und dann durch MIDI-Befehle getriggert. Ein Beispiel für ein virtuelles Instrument ist The Grand von Steinberg. Dieses vI besteht im groben aus einer riesigen Datei (ca.2GB) in der nur Samples gespeichert sind.

Hörbeispiel vom Grand 2 (Steinberg)und als pure Midi-Datei