Historie a vývoj zvukových karet

Lukáš Bábíček
2002

Úvod

      Už jste někdy zkoušeli na svém počítači hrát hru nebo sledovat film s vypnutým zvukem? Pokud ano, jistě mi dáte za pravdu, že takový zážitek za moc nestál. Zvuková karta se v dnešní době moderních počítačových her a multimedií prostě stala neodmyslitelnou součástí počítače. Pro některé uživatele (např. profesionální skladatele počítačové hudby) je dokonce nejdůležitější komponentou počítače. Proto se nyní podíváme, proč vlastně zvukové karty vznikly a jak se od svého zrození vyvíjely. Během tohoto průřezu historií zvukových karet se také pokusím vysvětlit technologie, které tyto karty používaly. Více se zaměřím na rodinu zvukových karet SoundBlaster, které jsou podle mně v současnosti nejrozšířenější mezi běžnými uživateli.

PC Speaker (rok 1981 a dříve)

      V době, kdy vznikaly první osobní počítače, nikoho ani nenapadlo nějak je spojovat se zvukem nebo hudbou. Tyto počítače primárně sloužily k zrychlení a ulehčení práce člověka a ne k zábavě. Mnozí se na počítač dívali pouze jako na "počítací stroj". Proto jediné zvuky, které počítač vydával, byly varovné signály oznamující určitou chybu. K tomuto účelu sloužil tzv. PC Speaker (těž známý jako "beeper"). PC Speaker Jedná se o malý reproduktor umístěný uvnitř počítače. Je ovládán čipem, který může vytvořit pouze jednoduché tóny o určité frekvenci, přičemž hlasitost těchto tónů není možné měnit. I přes tato omezení vznikaly programy, které se snažily PC Speaker naučit hrát "hudbu". Dokonce se pokoušely simulovat akordy pomocí rychlého střídání tónů o různých frekvencích. Výsledek však vždy zněl hodně uměle a většinou z této "hudby" člověka pouze rozbolela hlava. Programátoři však nelenili a snažili se z PC Speakeru dostat maximum. V roce 1988 firma Access Software vyvinula metodu "RealSound", s níž bylo možné pomocí PC Speakeru přehrávat digitalizované zvuky. Bylo toho dosaženo vypínáním a zapínáním PC Speakeru ve velmi rychlém sledu za sebou. I přes velmi omezenou hlasitost a frekvenční rozsah tak bylo možné z PC Speakeru dostat něco inteligentnějšího než pípání.
      PC Speaker je i v dnešní době moderních zvukových karet součástí každého počítače, a to právě pro účely varovných signálů.

Commodore 64 SID (1982)

      V roce 1982 se na trhu objevil počítač Commodore 64. Měl v sobě integrovaný zvukový čip SID - Sound Interface Device. Jednalo se o doslova revoluční čip, který umožňoval vytvářet první kvalitní hudební doprovod pro počítačové hry (a samozřejmě nejen pro ně). Čip sestával ze tří syntetických hlasů, které mohly být použity nezávisle na sobě nebo mohly dohromady vytvářet složitější zvuky. SID umožňoval nastavovat výšku (frekvenci) tónu a také barvu a dynamiku (hlasitost) tónu. Hudební kompozice složené pro tento čip se i dnes těší velké oblibě a na Internetu si lze stáhnout speciální programy pro PC umožňující přehrávat skladby pro tento čip.

PCjr a Tandy (1983-1984)

      Na vzrůstající popularitu Commodoru 64 reagovala firma IBM svým novým produktem PCjr. Na trh se dostal v roce 1984 a jednalo se o vylepšený počítač IBM PC. Obsahoval zvukový čip Texas Instruments SN76496. Umožňoval generovat až tři hlasy s možností nastavení hlasitosti v 16 úrovních pro každý hlas. Také obsahoval generátor šumu, pomocí něhož šlo vytvářet zvukové efekty. Díky nástupu počítače Apple Macintosh s lepšími zvukovými možnostmi (viz dále) se počítač PCjr neujal a jednalo se v podstatě o slepou větev.
      Jen několik týdnů po PCjr se na trhu objevil počítač Tandy 1000 od firmy Tandy. Jeho zvukové možnosti byly stejné jako u PCjr. Počítač Tandy 1000 čekal také stejný osud - neujal se a neměl žádné další následníky.

Apple Macintosh a Commodore Amiga (1984-1985)

      Přibližně ve stejné době jako PCjr se zrodil počítač Apple Macintosh a trochu později i Commodore Amiga. Macintosh se mohl chlubit čtyřhlasým 8-bitovým zvukovým čipem, který uměl přehrávat digitalizovaný zvuk i hudbu. Amiga byl jedním z prvních počítačů, který umožňoval reprodukovat čtyřhlasý stereo digitální zvuk a stejně jako Commodore 64 představoval průlom ve světě počítačového zvuku. Díky Amize vznikl známý hudební formát, tzv. "Tracker Music Module" (nebo prostě jenom MOD). Podobně jako u Commodore 64 se staly soubory MOD velmi oblíbené a na Internetu jich lze dnes najít obrovské množsví.

DAC/LPT - Covox Speech Thing (1986)

      Pro PC však pořád neexistovalo dostatečně kvalitní zařízení pro přehrávání digitálního zvuku. Ukázalo se, že pomocí docela jednoduchého elektronického obvodu připojeného na paralelní port (LPT) lze reprodukovat 8-bitový monofonní digitalizovaný zvuk v postačující kvalitě. DAC/LPT Obvod sestával ze sítě rezistorů a sloužil vlastně jako primitivní digitálně analogový převodník (digital to analog converter - DAC). 8-bitové digitální hodnoty, které obdrží na datových vodičích paralelního portu, převádí do jejich analogové podoby a tu potom posílá do zesilovače. V roce 1986 vznikla karta Covox Speech Thing, která využívala tohoto obvodu. Je zajímavé, že cena karty se pohybovala kolem 70$, přičemž příslušný obvod si může vyrobit každý amatérský elektrotechnik za několikanásobně menší náklady. Obrovskou výhodou DAC/LPT byla možnost připojení k HI-FI soupravě, čímž se dalo dosáhnout kvalitního zesílení zvuku. Později se objevila verze umožňující přehrávat stereofonní zvuk. To ale vyžadovalo buď druhý paralelní port nebo mnohem složitější obvod, který v podstatě velmi rychle přepínal zvukový výstup mezi oběma kanály.

Adlib a IBM Music Feature Card (1987)

      Za první skutečnou zvukovou kartu pro PC se dá považovat karta Adlib od stejnojmenné společnosti. Na trhu se objevila v roce 1987 za cenu 245$. Pro generování zvuku používala metodu známou jako FM (frekvenčně modulovaná) syntéza, kterou již v první polovině 70. let objevil Dr. John Chowning ze Stanfordské univerzity. Tato metoda se snaží napodobit hudební nástroje pomocí generátoru sinusové křivky, která je potom dále modifikována tzv. operátory. Kvalita takto vzniklého zvuku potom záleží na počtu operátorů.
      FM syntézu u karty Adlib zajišťoval čip firmy Yamaha, známý pod označením OPL-2. Jednalo se o monofonní čip se dvěma operátory. Šlo jej přepínat mezi dvěma režimy. V prvním režimu disponoval 9 melodickými hlasy FM syntézy. Ve speciálním režimu šumu potom pouze 6 melodickými hlasy a 5 kanály šumu, které sloužily pro napodobení bicích nástrojů či zvukových efektů.
      V roce 1987 spatřila světlo světa také karta IBM Music Feature Card od společnosti IBM. Její cena byla 250$. Používala také čip od společnosti Yamaha a uměla 8 FM hlasů. FM syntéza však byla mnohem kvalitnější než u karty Adlib. Bylo to díky tomu, že místo 2 operátorů používala operátory 4 a čip měl v sobě zabudováno přes 100 parametrů pro jednotlivé hudební nástroje. Do PC šly také namontovat dvě tyto karty, čímž se dalo dosáhnout celkového počtu 16 hlasů.
      I když hudební nástroje vyprodukované pomocí FM syntézy nezní moc přesvědčivě, v porovnání s PC Speakerem se jednalo o ohromný krok kupředu. Hlavní nevýhodou těchto karet byla absence přehrávání digitalizovaných zvuků.

Game Blaster a Sound Blaster (1988-1989)

      V roce 1988 představila společnost Creative Music Systems (později se přejmenovala na Creative Labs) svou zvukovou kartu Game Blaster. Tato karta nabízela 12 FM kanálů, přičemž kvalita zvuku byla mnohem horší než u karty Adlib. Game Blaster nepřinesl nic nového a Sim Wong Hoo, majitel společnosti Creative Music Systems, si uvědomil, že samotná FM syntéza není pro zvukovou kartu dostačující.
      V listopadu roku 1989 uvedl na trh kartu Sound Blaster za cenu 299$. Velkou výhodou Sound Blasteru bylo to, že obsahoval čip OPL-2, což mu zaručovalo kompatibilitu s doposud velmi rozšířenou kartou Adlib. Kromě FM-syntézy však přinášel Sound Blaster SoundBlaster něco zcela nového - obsahoval D/A (digitálně analogový) a A/D (anologově digitální) převodník a umožňoval tak reprodukci a záznam digitalizovaných zvuků. Pro přehrávání zvuků byl k dispozici jeden monofonní 8-bitový kanál s možností přehrávání o frekvenci 5 - 44,1 kHz. Záznam zvuku byl také 8-bitový o frekvenci 4 - 15 kHz. Karta měla také vestavěné MIDI rozhraní pro připojení externích MIDI zařízení, které sloužilo zároveň jako game port pro připojení joysticku. Pozn. : MIDI = Musical Instrument Digital Interface - standard definovaný v roce 1982; jedná se o sadu protokolů a specifikací pro ovládání hudebních zařízení a ukládání příkazů pro tato zařízení ve standardizovaném formátu.
      Společnost Creative dala programátorům k dispozici veškeré materiály k této kartě a poskytla velmi levnou sadu pro vývojáře, díky čemuž se stal Sound Blaster velmi oblíbeným a rozšířeným, a to hlavně v oblasti počítačových her. Díky výrobě v Asii se cena karty rapidně snižovala až na hranici 70$, čemuž nemohla karta Adlib konkurovat. Za první rok tak společnost Creative prodala více jak 100 000 kusů a tím se Sound Blaster v té době stal neprodávanější zvukovou kartou pro PC.
      Mnoho výrobců začalo vyrábět zvukové karty, které se se snažily dodržet se SoundBlasterem kompatibilitu. Tyto produkty většinou nebyly moc kvalitní, ale Sound Blaster se díky tomu stal standardem, který se výrobci zvukových karet snaží dodržet i v současnosti.

Roland LAPC-1 (1989)

      Souběžně se Sound Blasterem se v roce 1989 na trh dostala zvuková karta Roland LAPC-1. Byla určena spíše pro profesionální využití a nabízela mnohem lepší kvalitu zvuku než Sound Blaster. Se Sound Blasterem však nebyla kompatibilní, a proto se mezi běžnými uživateli příliš nerozšířila.
      Karta Roland LAPC-1 byla založena na modulu Roland MT-32, ke kterému navíc přidala MIDI rozhraní. Karta používala FM syntézu kombinovanou s Wavetable syntézou (viz dále - Gravis Ultrasound). Obsahovala 128 LA (Linear Arithmetic) syntetických nástrojů, 30 navzorkovaných zvuků pro bicí nástroje a 33 zvukových efektů. Vzorky byly uloženy v paměti ROM zvukové karty. Vytvářený tón se mohl skládat až ze 4 částí, přičemž každá část mohla být buď navzorkovaný zvuk nebo LA nástroj.

Gravis Ultrasound (1991)

      Zvuková karta Gravis Ultrasound společnosti Advanced Gravis Technologies byla na trh uvedena v roce 1991. Jednalo se v podstatě o první zvukovou kartu plně využívající Wavetable syntézu.
      Narozdíl od FM syntézy, která se snaží pouze napodobit zvuk hudebních nástrojů, používá Wavetable syntéza vzorky skutečných nástrojů (tedy digitální reprezentaci analogového signálu, který nástroje produkují). Tyto vzorky bývají uloženy v paměti zvukové karty, a to buď v paměti ROM (jak je tomu např. u karty Roland LAPC-1) nebo v paměti RAM. Kvalita hudby vzniklé pomocí Wavetable syntézy potom závisí na několika faktorech: na kvalitě zaznamenaných vzorků, na frekvenci, se kterou byly zaznamenány, a na počtu vzorků pro jeden nástroj. V každém případě je však Wavetable syntéza kvalitnější než FM syntéza.
      Karta Gravis Ultrasound pro Wavetable syntézu používala 16-bitové vzorky, které měla uloženy v paměti RAM. Kromě vestavěných hudebních nástrojů si tedy uživatel mohl vytvářet nové nástroje pomocí vlastních vzorků. Kapacita této paměti byla 256 kB s možností rozšíření až na 1 MB. Tato karta se prohlašovala za kompatibilní se standardem SoundBlaster. Tato kompatibilita však nebyla úplná, protože ji zajišťovala pouze softwarová emulace (tzv. SBOS - Sound Board Operating System). Karta byla také kompatibilní se standardem General MIDI. Jednalo se o normu pro zapisování hudebních údajů (např. bylo přesně řečeno, kterému číslu odpovídá určitý hudební nástroj). Díky tomu bylo možné přehrát každou kompozici vytvořenou podle této normy na libovolném zařízení podporujícím tento standard.
      Kromě Wavetable syntézy podporoval Gravis Ultrasound 16-bitové stereo přehrávání a 8-bitový záznam zvuku až do frekvence 48 kHz. Uměl zároveň přehrát až 32 syntetických a 32 navzorkovaných zvuků.
      I když se tato karta těšila velké oblibě hlavně u počítačových hráčů a amatérských hudebníků, na trhu přesyceném kartami SoundBlaster ji podporovalo pouze velmi málo společností a karta tak v podstatě upadla v zapomnění.

Zvukové karty Sound Blaster (1991 - 2001)

      Nyní se budu podrobněji zabývat rodinou zvukových karet Sound Blaster a jejich vývojem až po současnost. Myslím si, že na těchto kartách se dají nejlépe pozorovat vývojové trendy a technologie používané v oblasti počítačového zvuku. Zvukové karty jiných výrobců se většinou snaží dodržet s kartami Sound Blaster kompatibilitu, proto nemá význam zabývat se těmito kartami podrobněji.

Sound Blaster Pro (1991)

      V květnu roku 1991 vypustila firma Creative svou novou zvukovou kartu Sound Blaster Pro. Jednalo se opět o 8-bitovou kartu. Přehrávání digitalizovaných zvuků zvládala karta o frekvenci 4 - 44,1 kHz mono a 4 - 22,05 kHz stereo. Záznam zvuku pak pouze o frekvenci 4 -15 kHz mono. Karta stále používala FM syntézu, kterou zde zajišťoval čip OPL-3 společnosti Yamaha. Čip měl 20 hlasů (18 melodických nebo 15 melodických + 5 bicích) a používal 4 operátory. Jako novinku karta obsahovala integrovaný mixér a rozhraní pro CD-ROM (pro v té době nejrozšířenější 2-rychlostní mechaniky - Sony, Mitsumi a Panasonic).

Sound Blaster 16 (1992)

      O rok později se na trhu objevila karta Sound Blaster 16. Jednalo se o 16-bitovou variantu karty Sound Blaster Pro a karta ustanovila standard pro 16-bitový zvuk pod operačním systémem DOS. Parametry karty byly shodné se Sound Blasterem Pro. Navíc karta měla možnost reprodukce a záznamu zvuku v 16-bitové kvalitě. Byla to tedy první karta společnosti Creative s možností přehrávání zvuku v CD kvalitě. Vyráběly se i modely s konektory IDE a SCSI pro připojení moderních CD-ROM mechanik. Velkou nevýhodou karty byla zastaralá FM syntéza. Proto Sound Blaster 16 obsahoval rozhraní pro připojení přídavné karty umožňující Wavetable syntézu. Dnes existuje i PnP (Plug and Play) verze této zvukové karty.

Wave Blaster (1992)

      Společnost Creative si uvědomila, že FM syntéza není dostačující. Proto v listopadu roku 1992 uvedla na trh Wave Blaster. Nejednalo se o plnohodnotnou zvukovou kartu, ale pouze o přídavný modul, který se dal připojit ke kartě Sound Blaster 16. Wave Blaster umožňoval 16-bitovou Wavetable syntézu s 32 hlasy. Obsahoval 128 melodických hudebních nástrojů, 18 bicích a 50 zvukových efektů. Vzorky byly uloženy v paměti ROM. Modul byl kompatibilní se standardem General MIDI.
      Kromě modulu Wave Blaster byl na trhu k dispozici také přídavný modul DB-50XG od firmy Yamaha.

Sound Blaster AWE32

      Sound Blaster AWE32 byla první zvuková karta firmy Creative Labs se zabudovanou Wavetable syntézou. Parametry pro přehrávání a záznam digitalizovaného zvuku jsou shodné s modelem Sound Blaster 16. Wavetable syntézu zajišťoval zvukový a efektový generátor EMU8000 firmy E-mu Systems. Zvládal 16-bitovou syntézu, podporoval až 16 hlasů a 32-notovou polyfonii. Obsahoval 128 nástrojů a vyhovoval standardu General MIDI. Vzorky byly uloženy v paměti ROM o velikosti 1 MB. Kromě toho karta obsahovala 512 kB paměti RAM pro přídavné nástroje (tato paměť šla pomocí dvou SIMM modulů rozšířit až na 28 MB). Kromě Wavetable syntézy měla karta zabudovaný také čip OPL-3 pro FM syntézu. Stejně jako u Sound Blasteru 16 lze dnes zakoupit PnP verzi této karty.

Sound Blaster AWE64 PnP

      Tato karta vycházela ze zvukové karty Sound Blaster AWE32, měla však výrazně přepracovanou architekturu. Největší novinkou byl asi přechod od 32-notové k 64-notové polyfonii u wavetable syntézy. Pro tuto polyfonii se používalo kombinované softwarové a hardwarové řešení označované WaveSynth/WaveGuide. Toto však bylo podmíněno v té době vysokými hardwarovými nároky - bylo potřeba minimálně Pentium 90 MHz a 8 MB paměti RAM. Wavetable syntézu opět zajišťoval čip EMU8000, k dispozici byl 1 MB paměti ROM a 512 kB paměti RAM. Pamět RAM se již nedala rozšířit pomocí klasických SIMM modulů, ale pouze speciálním paměťovým čipem o maximální kapacitě 8 MB. Přehrávání i záznam zvuku zvládala karta již s frekvencí 4 - 44,1 MHz stereo. Novinkou bylo také to, že karta byla plně duplexní (tedy umožňovala současně zvuk zaznamenávat a reprodukovat).

Sound Blaster PCI64, PCI128

      Jedná se o skupinu karet určenou pro sběrnici PCI. Narozdíl od předchozích zvukových karet (ty byly určeny pro sběrnici ISA) tak mnohem méně zatěžují procesor a přenos dat je také rychlejší. Všechny karty umožňují přehrávání a záznam 16-bitového zvuku o frekvenci 4 - 48 kHz stereo a jsou plně duplexní. Jedniný rozdíl mezi kartami je v 64-notové a 128-notové polyfonii u Wavetable syntézy.

Sound Blaster Live!

      Karta je založena na čipu EMU10K1. Wavetable syntéza umožňuje až 64 hlasů a 1024-notovou polyfonii. Karta přináší novou technologii pro prostorový zvuk - tzv. EAX (Environmental Audio Extensions). Později se objevila verze Sound Blaster Live! 5.1, která obsahuje navíc dekodér Dolby Digital 5.1, určený hlavně pro přehrávání zvuku z DVD disků.

Sound Blaster Audigy

      Nejnovější zvuková karta společnosti Creative. Oproti Sound Blasteru Live! 5.1 přínáší nový zvukový procesor 10K2, možnost reprodukce zvuku až v 24-bitové kvalitě o frekvenci až 96 kHz a vylepšené efekty EAX.
      Technickými detaily těchto nových zvukových karet se již nebudu zabývat, protože jsem se v této práci chtěl zaměřit hlavně na historii zvukových karet.

Závěr

      V současnosti je nabídka zvukových karet velmi rozmanitá a každý uživatel osobního počítače má možnost vybrat si takovou kartu, která mu nejvíc vyhovuje.

Použité zdroje

www.soundblaster.com
sorry.vse.cz/~roman/izi212/is
www.avault.com/articles/print_article.asp?name=lastnote
www.oldskool.org/shrines/pcjr_tandy/
www.oldskool.org/pc/sound/
www.pctechguide.com/11sound.htm
www.queststudios.com/quest/midi.html
Daniel Forró - Počítače a hudba (Grada, 1994)