Soundkarte

Soundkarte von Terratec PCI128
Die Soundfunktion, in Form einer Soundkarte oder im Chipsatz integriert, ist ein fast unersetzlicher Teil eines Computers. Erst mit der Möglichkeit Sprache und Musik wiederzugeben und aufzunehmen, wird ein Computer zum Multimedia-Computer.
In den Anfangszeiten der Soundkarte waren Erweiterungskarten für den ISA-Bus üblich. Diese Karten mussten per Jumper konfiguriert werden (Interrupt, DMA, Speicher) und gaben den Ton mit einer Auflösung von 8 Bit wieder. Das entsprach 256 möglichen Zuständen. Mehr als Piepsen war den Lautsprechern nicht zu entlocken. Später kamen Soundkarten mit einer Auflösung von 16 Bit. Daraus resultierten 65.536 Klangabstufungen. Das entspricht Hifi-Qualität.
Da der ISA-Bus am Aussterben war, haben führende Soundkarten-Hersteller auf PCI-Karten (mit Plug & Play) umgestellt. Neben der automatischen Konfiguration durch das BIOS und Betriebssystem waren auch höhere Datenraten zwischen Soundkarte und Prozessor möglich.
Inzwischen ist es üblich, dass Soundfunktionen auf dem Motherboard integriert sind (onboard). Anfangs hat die Klangqualität sehr zu wünschen übrig gelassen. Heute ist die Klangqualität vollkommen ausreichend und genügt auch anspruchsvollen Ohren. Fast jedes Motherboard bietet heute einen integrierten Sound-Chip, der eine ausreichend gute Klangqualität liefert.

Heute hat die Soundkarte ihre Bedeutung verloren. Die meisten Spiele und Filme klingen seit HD-Audio sehr gut. In Zeiten von Multicore-Prozessoren ist für die Berechnung von Klangeffekten auch keine gesonderte Hardware mehr erforderlich. Die Hersteller von Soundkarten haben sich deshalb auf Spezialfunktionen und -anwendungen ausgerichtet, mit denen Raumklangeffekte noch natürlicher wirken.

Audio-Aufnahmen bilden die einzige Ausnahme, bei der Soundkarten noch eine Rolle spielen. Insbesondere, wenn man mit einem Mikrofon aufnehmen will empfiehlt sich sogar eine externes Audio-Modul, das über den USB angeschlossen wird. Aufnahmen über Onboard-Lösungen leiden unter Einstreuungen, die durch das PC-Netzteil und ungünstig angeordnete Leiterbahnen herrühren.

Soundkarten-Anschlüsse

Funktionsweise einer Soundkarte

Prinzipaufbau einer Soundkarte
Über das Mikrofon und den Mikrofon-Eingang (Mic-IN) wird das Signal an den Analog-Digital-Konverter (ADC) geleitet. Dieser Chip wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal (Binär) um. Hier ist nicht nur die Abtasttiefe von 16 Bit wichtig, sondern auch die Abtastrate. Das ist die Frequenz, mit der die 16 Bit Auflösung erzeugt wird. Eine Abtastrate von 8 kHz erreicht das Klangniveau eines Telefons. Eine Frequenz von 44 kHz ermöglicht CD-Qualität. Die Aufnahmequalität wird durch das Mikrofon und den ADC beeinflusst.
Der ADC sendet die binären Datenströme an den digitalen Signalprozessor (DSP). Er entlastet den Prozessor des Computersystems vor Arbeiten mit den Sound-Daten. Der DSP enthält Befehle und Anweisungen mit denen er die Sound-Daten verarbeitet. Da Sound-Daten sehr große Datenmengen sein können, übernimmt der DSP z. B. auch die Komprimierung der empfangenen Daten. Diese Daten werden dann in einem bestimmten Format (z. B. WAV, MP3, etc.) vom Arbeitsspeicher auf die Festplatte geschrieben.
Um digitalisierte Sound-Daten durch die Soundkarte wiederzugeben werden die Daten vom Prozessor von der Festplatte oder von einem Wechselspeicher-Laufwerk gelesen. Diese Daten werden in den DSP geladen. Der DSP dekomprimiert die Daten und sendet sie zum Digital-Analog-Konverter (DAC), der aus den binären Daten analoge Signale erzeugt. Das analoge Signal wird dann verstärkt und über die Buchsen an die Lautsprecher ausgegeben. Die Qualität der Tonwiedergabe wird durch die Qualität der Klangaufnahme, dem DAC und den Lautsprechern bestimmt.

Jede Soundkarte arbeitet nach zwei unterschiedlichen Methoden um Töne von sich zu geben.

  1. Die sogenannte Frequenzmodulationssynthese (FM) generiert die Klänge durch die Programmierung von Wellengeneratoren, Modulatoren und Filtern. Diese Arbeitsweise ähnelt der eines Musiksynthesizers.
  2. Bei der zweiten Methode ähnelt die Arbeitsweise eher einem Tonbandgerät. Der Ton oder das Geräusch wird in einem Studio aufgenommen und digitalisiert. Dabei spricht man vom Sampling. Die Soundkarte hat die Aufgabe die digital gespeicherten Töne in hörbare Signale umzuwandeln.
Die ersten Soundkarten konnten nur synthetische Musik erzeugen. Später wurden beide Verfahren miteinander kombiniert.
Der erste Soundchip mit FM-Synthese war der OPL2 von Yamaha. Dieser war aber nur für den Einsatz in Heimorgeln gedacht. Später wurde der OPL 3 und 4 speziell für Soundkarten entwickelt.
Soundchips sind meist OPL 3- und damit Soundblaster-kompatibel. Alle FM-Chips arbeiten nach mathematischen Funktionen, aus denen sich Schwingungskurven erzeugen lassen, die natürlichen Instrumenten aber nur annähernd gleichen. Damit ist es zumindest möglich MIDI-Dateien abzuspielen. Diese Dateien enthalten Beschreibungen zu Tönen, Instrumenten und Effekten, aber nicht die Töne selber. Der General-MIDI-Standard kennt 128 Instrumente und 46 Schlagzeugsounds.
Der künstliche Klang der FM-Synthese ist wenig überzeugend. Daher wurde die Wavetable-Synthese entwickelt.
Beim Prinzip von Wavetable erzeugt der Soundchip (Signalprozessor) den Orginalton eines zuvor im Studio aufgenommenen Instruments. Aufgrund der enormen Datenmenge errechnet der Soundchip nur die Tonhöhe und -länge aus einem ähnlichen Sample. Je nach Wavetable-Hersteller klingt die Musik unterschiedlich gut. Deshalb klingen einige Soundkarten je nach Musikstil besser oder schlechter.

Wichtige Begriffe bei Soundkarten:

Abtastrate Die Abtastrate bestimmt, wie oft der Originalton pro Sekunde abgetastet wird. Je öfter, desto besser ist die Aufnahme-Qualität und desto höher der Speicherbedarf.
Abtasttiefe (Auflösung) Die Abtasttiefe legt die Genauigkeit des Samplings fest.
Sampling Das Sampling ist das Digitalisieren von analogen Audiosignalen.
FM-Synthese Die FM-Synthese ist das künstliche Erzeugen von Klängen.
Wavetable Die Wavetable-Synthese ist die Alternative zur FM-Synthese, für eine bessere Musik-Qualität.
Vollduplex Das Vollduplex ermöglicht das gleichzeitige Aufnehmen und Abspielen zweier unterschiedlicher Signalquellen. Das ist z. B. wichtig für CTI oder Telefonieren über das Internet.
EAX Proprietäres System für Raumklangeffekte (Environmental Audio Extensions

Überblick: Audio im Computer