كارت صدا

کارت صدا(۱) Sound Card کارت صدا یکی از عناصر سخت افزاری رایانه است که باعث پخش و ضبط صدا می گردد. قبل از گسترش کارت های صدا، صدا در رایانه توسط بلند گوهای داخلی ایجاد می شد. این بلند گوها توان خود را از برد اصلی می گرفتند. استفاده از کارت صدا از اواخر سال ۱۹۸۰ شروع شد. در حال حاضر شرکت های متعددی تولیدات خود را در این زمینه به بازار عرضه می کنند. کارت صوتی همانند کارت گرافیکی بر روی برد اصلی نصب می شود و در پشت آن چند فیش برای میکروفن و بلند گو قرار دارد. وظیفه کارت صدا آماده سازی سیگنال ها جهت پخش و دریافت سیگنال های ورودی از میکروفن و آماده کردن آنها برای ذخیره در رایانه است. کارت صدا، کارت صوتی نیز نامیده می شود و در بسیاری موارد می تواند اصواتی با کیفیت بسیار عالی تولید کند. صوت، یک سیگنال آنالوگ است که به صورت موج پیوسته انتشار می یابد. رایانه همواره در حال پردازش سیگنال های آنالوگ است، زیرا این سیگنال ها دائماً در حال تغییرند. در واقع لازم است که سیگنال های آنالوگ به بیت های رقمی (دیجیتال) تبدیل شوند. این عمل توسط وسیله ای به نام Analog to Digital Convertor ADC)) صورت می گیرد. سیگنال های دیجیتالی تولید شده مجدداً باید به سیگنال های آنالوگ تبدیل شوند تا بتوانند به وسیله بلند گو پخش شوند. این عمل توسط سخت افزار دیگری به نام DACصورت می گیرد. صداهای دیجیتال به فضای زیادی بر روی دیسک نیاز دارد. بنابراین به جای ذخیره صدا آن را ایجاد می کند. این عملیات شبیه سازی صوتی نام دارد و به روش های زیر صورت می گیرد: FM -1(مدولاسیون بسامد): این روش به صورت کاملاً مصنوعی صدا را ایجاد می کند و برای ساخت آن از دو موج سینوسی استفاده می کند. ۲- جدول موجی (صدای موجی): این روش کم هزینه و واقعی تر است. در این حالت از تمامی وسایل موسیقی نمونه گیری شده است و صدای دیجیتالی تولید شده در یک جدول موج ذخیره شده است. در صورتی که یک برنامه به صدایی احتیاج داشته باشد این جدول موج چه در کارت صدا و چه در دیسک، صدای واقعی را به برنامه می دهد. فایل های صوتی با پسوند Wav در ویندوز صداهای واقعی هستند که از جدول موج استفاده می کنند. بنابراین آهنگسازان حرفه ای ترجیح می دهند این گونه کارت های صدا را استفاده نمایند. این صداها در تراشه های رام کارت صوتی ذخیره می شوند و در نتیجه بسیاری از تولید کنندگان بزرگ بودن حافظه جدول صوتی را دلیل مرغوب بودن کارت صدا می دادند. ۳- ) MIDIرابط دیجیتالی ادوات موسیقی): این روش برخلاف روش قبلی صدای تولید شده را ضبط نمی کند، بلکه اطلاعات صدا مانند کوک، دوام، بلندی و سایر موارد را ضبط می کند. این اطلاعات در یک قالب استاندارد در فایل ذخیره می شود و یا به یک وسیله موسیقی جهت اجرا ارسال می شود. بنابراین یک فایل MIDI مجموعه ای از دستور العمل ها در مورد چگونگی اجرای نت هاست. نکته: فایل های MIDI جهت برقراری ویدئو کنفرانس ها و پخش فیلم در اینترنت به کار می روند. ۴- نمونه سازی فیزیکی:این روش نسبتاً جدید است و بسته به نوع ساز شبیه سازی شده است. با اینکه دارای صدای خوبی است اما بار زیادی بر پردازنده اصلی وارد می سازد. اجزای تشکیل دهنده کارت صدا – پردازنده سیگنال های دیجیتال که عملیات مورد نظر را انجام می دهند. – مبدل آنالوگ به دیجیتال (ACD) برای صوت ورودی به رایانه – مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) – حافظه ROM یا فلش جهت ذخیره سازی اطلاعات – اینترفیش دستگاه های موزیکال دیجیتالی (MIDI) جهت اتصال دستگاه های موزیک خارجی – کانکتورهای لازم جهت اتصال به میکروفن یا بلند گو – پورت مخصوص بازی برای اتصال Joystick کارت های صوتی قدیمی عمدتاً از نوع ISA بوده اند، اما کارت صداهای امروزی از نوع PCI هستند که بر روی برد اصلی نصب می گردند. بیشتر مادربردها در حال حاضر کارت صدا را به صورت یک تراشه بر روی برد اصلی دارند. انواع اتصال کارت صدا به رایانه – بلند گو (Speaker) – یک منبع ورودی آنالوگ (میکروفن ضبط صوت و CD-Player) – یک منبع ورودی دیجیتال نظیر CD-ROM – یک منبع آنالوگ خروجی نظیر ضبط صوت – یک منبع دیجیتال خروجی شنیدن صوت مراحل شنیدن صوت بر خلاف روش تولید صدا می باشد که در زیر شرح داده شده است: ۱- داده های دیجیتال از هارددیسک خوانده می شود و سپس در اختیار پردازنده اصلی قرار می گیرد. ۲- پردازنده اصلی داده ها را برای DSP موجود بر روی کارت صدا ارسال می کند. ۳- DSP داده های دیجیتال را از حالت فشرده خارج می کند. ۴- داده های دیجیتال غیر فشرده شدن توسط DSP بلافاصله با مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) پردازش و یک سیگنال آنالوگ ایجاد می کنند. این سیگنال های ایجاد شده از طریق هدفن یا بلند گو شنیده خواهد شد.

وظایف کارت صدا
کارت های صدا حداقل ۴ وظیفه را در کامپیوتر بر عهده دارد. آنها بعنوان synthesizer رابط MIDI و مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) در حال ضبط کردن و مبدل دیجیتال به آنالوگ (D/A) در حال پخش عمل می کنند. اکنون به توضیح هر کدام می پرداریم:
The Synthesizer:
Synthesizer رساننده صدایی است که کارت صدا تولید کرده است. در اینجا ما سه نوع سیستم داریم:
FM Synthesiz,Ware tables Sampling,Physical Modeling
FM Synthesiz:

ارزانترین کارتهای صدا از تکنولوژی FM برای مدل کردن آلات موسیقی متفاوت استفاده می کنند. این کارتهای صدا واقعاٌ Synthesizer هستند. کارت صدا اصواتی تولید می کند که از ترکیب یک سری صداهای مصنوعی ساخته شده است.

Ware tables Sampling:

Ware table بهترین وگرانترین تکنولوژی در کارتهای صدا است. این بدان معنی است که صدا در کارتهای صدا از دستگاههای واقعی ضبط می شود. بعنوان مثال از روی یک پیانو یک نمونه کوچک ضبط و ذخیره می شود و زمانی که موزیک اجرا می شود در حقیقت شما به این اصواتی که بصورت نمونه ضبط شده است گوش می دهید، لذا زمانی که این نمونه های صوتی دارای کیفیت بالایی باشند کارت صدا اصوات دل انگیزتری تولید می کند. در این حالت صدای پیانو مانند یک پیانو واقعی شنیده می شود. سیستم Ware table در کارت صداهای Blasters AWE بکار رفته است.

Physical Modeling:

در این حالت اصوات تولیدی در نتیجه نرم افزار مدل شده اند. در این حالت به نظر می آید که پروسسور باید کار طاقت فرسایی انجام دهد.کارت صداهای Orginal مارک Gold شامل صدای ۱۴ دستگاه هستند که بدین روش مدل شده اند.

آزمایش صدا:

کیفیت اصلی کارت صدا را بوسیله اجرای یک فایل MIDI می توان امتحان کرد. در این حالت براحتی می توانید تفاوت را احساس کنید. همچنین در تعداد نت هایی که در یک لحظه می تواند اجرا شود هم، تفاوت وجود دارد.

اگر شما می خواهید موزیک خود را در کامپیوتر خود بسازید، الزاماٌ برای ساختن این موزیک از صداهای موجود در کامپیوتر خود استفاده کرده اید و هرچه کار شما بزرگتر باشد نمونه صداهای بیشتری احتیاج دارید.
بعضی کارتهای صدا نمونه های صداهای جدید را می پذیرند و شما می توانید نمونه های جدید خود را ذخیره سازید. در این حالت کارت صدا یک RAM بعنوان حافظه در خود دارد تا بتوانید صداهای مورد نظر را روی آن دانلود کنید.
مبدل آنالوگ به دیجیتال:
زمانیکه در حال ضبط صداهای آنالوگ هستید(مثلاٌ هنگام ضبط صدا از میکروفن) به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال احتیاج دارید و مبدل دیجیتال به آنالوگ نیز زمانی استفاده می شود که صدای دیجیتال باید مجدداٌ برای آمپلی فایر اسپیکرهای شما به سیگنال آنالوگ تبدیل شود.
امواج صدا پس از این که از طریق میکروفن به کارت صدا منتقل می شوند، در آنجا به یکسری پالسهای دیجیتال تبدیل می گردند که هر از چند گاهی در یک فایل ذخیره می شوند. بنابراین ضبط یک صوت در کامپیوتر شامل یک فرآیند تبدیل آنالوگ به دیجیتال میباشد. اما در حالت اجرای یک فایل صوتی جریان بیتهای صفر و یک اطلاعاتی تبدیل به سیگنالهای آنالوگی می شوند که در نهایت به بلندگوی اسپیکر شما ختم می گردد.
فرآیند نمونه گیری:
همانطور که ذکر شد ضبط دیجیتالی صدا را بعنوان نمونه گیری شناختیم. شما می توانید هر صدایی را که می خواهید، روی یک فایل ذخیره کنید و برای اینکار کافی است شما کارت صدایی بهمراه میکروفن داشته باشید. عملیات نمونه گیری نیز می تواند با روشها و کیفیتهای متفاوت انجام پذیرد:
نمونه گیری ۸ بیتی یا ۱۶ بیتی،۱۱٫۲۲ یا ۴۴ کیلو هرتز، استریو یا مونو
عددی که بر حسب کیلو هرتز بیان می شود نشان می دهد که صدا نمونه های صوتی چند هزار بار در ثانیه ضبط می شود.
کیفیت صدای نمونه گیری شده:
یک نمونه صدا مانند صدای ضبط شده روی نوار کاست است که کیفیت آن می تواند خوب یا بد باشد در اینجا بر نحوه تنضیمات برای کیفیت گذری می کنیم.
در هنگام ضبط صدای دیجیتالی در هر ثانیه چندین نمونه از صدا گرفته می شود هر چه تعداد این نمونه ها در واحد زمان بیشتر باشد کیفیت بهتر است. طبیعتاً یک نمونه گیری بدون وقفه از سیگنال صوتی بهترین کیفیت را خواهد داشت ولی در عمل غیر ممکن است.
برای ضبط سی دی های صوتی ( Audio CD ) به تعداد ۴۴۱۰۰ بار در ثانیه از سیگنال صوتی نمونه گیری می شود.
کیفیت با واحد Hz و رزولوشن با تعداد بیت اندازه گیری می شود. هر چه مقدار KHz بیشتر باشد کیفیت بهتر می شود اما فایل شما هم بزرگتر می شود. نمونه گیری ۸ بیت یا ۱۶ بیت به این اشاره دارد که چه مقدار اطلاعات از سیگنال صوتی در هر بار نمونه گیری ذخیره شود. ۱۶ بیت یک کیفیت خوب به ما تحویل می دهد.
فرض کنید فایل صوتی دیجیتال شما استریو ۲ کانال ۱۶ بیت در ۴۴٫۱KHz باشد حجم فایل صوتی به صورت زیر خواهد بود
۱۷۶۴۰۰=۴۴۱۰۰ نمونه در ثانیه*۱۶ بیت* ۲ کانال
همانطور که می دانید ۸ بیت برابر یک بایت است بنابراین اندازه فایل ها با کیفیت CD در حالت استریو به صورت زیر خواهد بود
زمان اجرا
حجم فایل
۱ دقیقه

۱۰ مگابایت
۱ ساعت
۶۰۵ مگابایت
۷۴ دقیقه
۷۴۶ مگابایت
آنچه در اینجا می بینید مربوط به فایل با فرمت Wave است. استریو ۱۶ بیت و ۴۴KHz کیفیت بسیار خوبی در اختیار شما قرار می دهد
 مبانی کارت صدا
یک کارت صدا دارای بخش های متفاوت زیر است :
•       یک پردازنده سیگنال های دیجیتال (DSP) که مسئول انجام اغلب عملیات( محاسبات ) مورد نظر است .
•       یک مبدل دیجتیال به آنالوگ (DAC)
•       یک مبدل آنالوگ به دیجیتال(ADC) برای صوت ورودی به کامپیوتر
•       حافظه ROM  یا Flash برای ذخیره سازی داده
•       یک اینترفیس دستگاههای موزیکال دیجیتالی (MIDI) برای اتصال دستگاه های موزیک خارجی
•       کانکنورهای لازم برای اتصال به میکروفن و یا بلندگو
•       یک پورت خاص ” بازی” برای اتصال Joystick
اغلب کارت های صدا که امروره استفاده می گردد از نوع PCI بوده و در یکی از اسلات های آزاد برد اصلی نصب می گردند. کارت های صدای قدیمی عمدتا” از نوع ISA بودند. اکثر کامپیوتر های جدید کارت صدا را بصورت یک تراشه و بر روی برد اصلی دارند. در این نوع کامپیوترها اسلاتی برروی برد اصلی استفاده نشده وبدین ترتیب یک اسلات صرفه جوئی شده است ! Sound Blaster Pro  بعنوان یک استاندارد در دنیای کارت های صدا مطرح است .
 
 
 
اغلب تولید کنندگان کارت صدا از مجموعه تراشه های مشابه استفاده می نمایند.پس از طراحی تراشه های فوق توسط شرکت های مربوطه تولید کنندگان کارت صدا، امکانات و قابلیت های دلخواه خود را به آنها اضافه می نمایند.
کارت صدا را می توان به یکی از دستگاههای زیر متصل نمود :
•       هدفون
•       بلندگو (Speaker)
•       یک منبع ورودی آنالوگ نظیر : میکروفن رادیوضبط صوت و CD player
•       یک منبع ورودی دیجیتال نظیر CD-Rom
•       یک منبع آنالوگ خروجی نظیر ظبط صوت
•       یک منبع دیجیتال خروجی نظیر CD-R

عملیات کارت صدا
یک کارت صدا قادر به انجام چهار عملیات خاص در رابطه با صدا است :
•       پخش موزیک های از قبل ضبط شده ( از CD  فایل های صوتی نظیر mp3 و یا Wav ) بازی یا DVD
•       ضبط صدا با حالات متفاوت
•       ترکیب نمودن صداها
•       پردازش صوت های موجود
عملیات دریافت و ارسال صوت (صدا) برای کارت صدا از طریق بخش های DAC و ADC انجام می گیرد. پردازش های لازم و مورد نیاز بر روی صوت توسط DSP  انجام می گیرد و بدین ترتیب عملیات اضافه ای  برای پردازنده اصلی کامپیوتر بوجود نخواهد آمد.
 
 
 

تولید صوت
فرض کنید، قصد داشته باشیم که از طریق میکروفن صدای خود را به کامپیوتر انتقال دهیم . در این حالت کارت صدا یک فایل صوتی با فرمت wav را ایجاد و داده های ارسالی توسط میکروفن در آن ذخیره گردند. فرآیند فوق شامل مراحل زیر است :
۱ – کارت صدا از طریق کانکتور میکروفن سیگنال های پیوسته و آنالوگی را دریافت می دارد.
۲ – از طریق نرم افزار مربوطه نوع دستگاه ورودی برای ضبط صدا را مشخص می نمائیم .
۳ – سیگنال آنالوگ ارسالی توسط میکروفن بلافاصله توسط تراشه مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) تبدیل و یک فایل حاوی صفر و یک تولید می گردد.
۴ – خروجی تولید شده توسط ADC در اختیار تراشه DSP برای انجام پردازش های لازم گذاشته می شود. DSP توسط مجموعه دستوراتی که در تراشه دیگر است برنامه ریزی برای انجام عملیات خاص می گردد. یکی از عملیاتی که DSP انجام می دهد فشرده سازی داده های دیجیتال بمنظور ذخیره سازی است .
۵ – خروجی DSP با توجه به نوع اتصالات کارت صدا در اختیار  گذرگاه داده کامپیوتر قرار می گیرد.
۶ – داده های دیجیتال توسط پردازنده اصلی کامپیوتر پردازش و در ادامه برای ذخیره سازی در اختیار کنترل کننده هارد دیسک گذاشته می شوند. کنترل کننده هارد دیسک اطلاعات را بر روی هارد و بعنوان یک  فایل ضبط شده صوتی ذخیره خواهد کرد.
 شنیدن صوت
مراحل گوش دادن  به صوت به شرح زیر می باشد ( برعکس روش گفته شده در ارتباط باضبط صوت):
۱ – داده های دیجیتال از هارد دیسک خوانده شده و در اختیار پردازنده اصلی قرار می گیرند.
۲ – پردازنده اصلی داده ها را برای DSP موجود بر روی کارت صدا ارسال می دارد.
۳ – DSP داده های دیجیتال را ازحالت فشرده خارج می نماید.
۴ – داده های دیجیتال غیرفشرده شده  توسط  DSP  بلافاصله توسط مبدل دیجیتال به آنالوگ(DAC)  پردازش و یک سیگنال آنالوگ ایجاد می گردد. سیگنال های فوق از طریق هدفون  یا بلندگو قابل شنیدن خواهند بود.