第10章系统功能扩展卡

第10章系统功能扩展卡本章以声卡为重点，介绍了声卡的功能原理、技术术语和安装方法。还简要介绍了Modem卡、网卡、视频采集卡和I/O多功能卡的技术特点、工作原理和安装方法等。10.1声效卡10.2调制解调器10.3网络适配器10.4视频采集卡10.5I/O多功能卡退出10.1声效卡10.1.1声卡简介10.1.1.1声卡的功能以前的微机只有一个PC小喇叭，通常只发出提示、报警音，或通过编程使之发出简单的单声道音乐。声卡（SoundCard）能使微机系统具备CD质量的立体声音响系统的功能，它是多媒体计算机（MPC）的最为重要的部件。声卡对电脑音效的产生和发展功不可没，它使微机系统从PC喇叭的单音效果发展到目前具有空间真实感的“6.1”声道环绕立体声。声卡支持各种游戏软件和应用程序的自然模拟声、语音和音乐，支持MPEG声音压缩、MIDI电声、WAV录音和MP3等的制作和播放。声卡的外形如图10-1所示。图10-1声卡外形10.1.1.2声卡的标准在声卡领域，创通公司（Creative）在技术上始终处于开创和领先的地位，它一直是声卡新标准的制定者。另外还有YAMAHA、AUREAL和ESS等著名声卡厂商。声卡的技术标准主要有：1．SB创通的第一代声卡叫“SoundBlaster”（声霸），于89年11月推出，这就是最初的SB标准。它是8位单声道采样，拥有11个复音的FM合成器和文本语音合成，数字化声音输入/输出，一个MIDI/GAME接口和配套软件。2．SBPro创通“SoundBlasterPro”立体声声卡于91年5月推出，这就是多媒体电脑声卡的SBPro立体声标准。它是8位双声道立体声声卡。3．SB16“SB16”是16位双声道立体声声卡。它提供8位和16位立体声的录放，有5KHz至44.1KHz可选的数字采样率，音质达到了CD音质的高水准。4．SBAWE32“SoundBlasterAWE32”声卡于94年3月推出。它具有一个32复音的波表引擎，并集成了1MB容量的音色库，使MIDI合成效果大为提高。5．SBAWE6496年11月推出“SoundBlasterAWE64”和“SoundBlasterAWE64Gold”。这两个声卡采用EMU8000波表合成器，数字音效引擎支持和声与混响，硬件支持32复音和多音色功能，提供16个MIDI通道用于音乐作曲，8位和16位立体声录放，5KHz至44.1KHz可选的采样率。6．SBPCI6498年4月推出的“SoundBlasterPCI64”声卡，率先采用133MB/S数据传输率的PCI总线。为使SBPCI64的3D音频处理能力更加完善，专门配备了4.1环绕立体声音箱系统，由四个环绕音箱和一个低音炮组成，可以感受到理想的三维音效。7．SBPCI12898年7月推出了“SoundBlasterPCI128”声卡，同时推出了第一套用于多通道环绕音响的完整音频系统“PCWorksFourPointSurround”。8．SBLive!紧接着推出的“SoundBlasterLive!”系列声卡是64位声卡，它们支持PCI2.1总线接口，具有“5.1”环绕立体声系统。10.1.2声卡的技术术语及原理10.1.2.1基本技术原理与指标1．模拟信号和数字信号的转换ADC（AnalogtoDigitalConverter）和DAC（DigitaltoAnalogConverter）是将模拟信号转换为数字信号和将数字信号转换为模拟信号的专门电路或集成电路（IC）。声卡就是将输入的模拟音频信号转换为二进制数字信号，由计算机主机加以处理。反之也将主机处理好的二进制数字信号转换为模拟音频信号输出到音响设备。模拟信号数字化的最大好处是便于对信号进行处理，和在传输和处理中抗躁声能力强。声卡的基本原理如图10-2。图10-2声卡的基本原理ADC电路的主要功能是对连续变化的模拟信号的电压电流波形进行采样量化和转换为数字信号，而DAC电路则是完成ADC的逆过程，即把数字信号转换还原为连续变化的电压电流模拟信号。模拟信号的数字化精度是ADC和DAC电路的基本指标，由于模拟信号有频率和幅度两个最基本的信息元素，所以ADC和DAC电路的基本指标也确定在这两方面：频率转换的精度由采样频率决定，幅度转换的精度由采样位数决定。见图10-3，横坐标是时间轴，表示采样频率，纵坐标是幅度（电压或电流）轴，表示采样量化的位数。图10-3数字化采样原理2．采样频率它是指在模拟声音信号转换为数字声音信号（A/DC）时，每秒钟对模拟声音信号（电压或电流）的采集次数。采样频率决定了模拟声音信号转换为数字声音信号的频谱宽度，即声音频率的保真度。采样频率越高，声音的音质就越好，但是对转换电路、系统速度和内存的要求也就越高。声音的采样频率一般有22.05KHz、44.1KHz和48KHz三种，分别对应于调频（FM）广播级、CD音乐级和工业标准级的音质。如图10-4所示，对于一个正弦信号只要采样频率等于或超过信号频率的2倍，就可以保证在每个正负半周都有至少一个采样点，从而在数字信号中保持了该信号的频率信息，再次转换为模拟信号时原信号的频率不变。还可以看到，采样频率越高效果越好。上述关于采样频率的原理就是著名的奈奎斯特定理（Nyquist），即在对模拟信号进行A/D变换时，要想不产生低频失真，采样频率至少应是模拟信号最高频率的2倍。图10-4采样频率普通音乐的最低音为20Hz，最高音为8KHz，频谱范围是8KHz，对其进行数字化使用16KHz采样频率就可以了。如果把反映音乐优美音色的大量泛音包括进去，则带宽要大得多。人耳的听力范围是20Hz到20KHz，要充分满足人们听力的要求，对声音的采样频率至少应是40KHz，再适当留有余地，对CD音乐的采样频率就确定为44.1KHz，这也就是PC机声卡的最高采样频率。3．采样位数音乐信号是由许许多多振幅和频率各不相同的音频信号合成的，振幅就是声音的强弱，频率就是声调的高低。采样频率决定了模拟声音信号转换为数字信号的频谱宽度，即频率保真度。对于声音强度的变化，就要由采样位数来体现了。采样位数就是在模拟声音信号转换为数字声音信号（A/DC）的过程中，对满幅度声音信号规定的量化数值的二进制位数。比如规定最强音量化为“11111111”，零强度规定为“00000000”，则采样位数为8位，对声音强度即信号振幅的分辨率为256级。采样位数决定着声音信号的幅度变化的数字化精度，采样位数越大，量化精度越高，声卡的分辨率也就越高。在PC机的普通声卡中，通常采用16位采样率就可以了，因为普通人的耳朵对声音强度的分辨通常超不过65536级。以采样频率为采样时钟控制比较电路进行输入模拟信号的采样，就可以把一个个采样点的模拟信号的幅度转换为一个个数字信号，见图10-6。以44.1KHz的采样频率和16位的采样位数对CD音乐进行采样，就可以得到比较满意的数字化音乐。某些用于MIDI音乐创作的高档声卡达到48KHz的采样频率和64位的采样位数。图10-6量化位数与精度4．数字化音频的数据量过高的采样频率和采样位数会加大数据量，从而加重系统负担和影响信号的处理速度。对CD质量的立体声双声道音乐，进行1分钟44.1KHz和16位的采样，数据量为：(16×2÷8)×44100×60＝10.6MB。相当于530万个汉字。如果把采样位数提高到32位，则数据量增为21MB，相当于1千万个汉字。10.2.2.2其它技术术语1．MIDIMIDI（MusicalIndtrumentDigitalInterface）即音乐设备数字接口。它是电子乐器（合成器、电子琴等）和制作设备（编辑机、计算机等）之间的通用数字音乐接口。在MIDI接口上传送的不是直接的音乐信号，而是乐曲元素的编码和控制字。计算机中存放的“.MID”类型的文件就是MIDI格式的音乐文件，它支持MIDI接口和数字音乐系统。2．WAVEWAVE是指波形，也就是用MIC和录音机录制的声音。计算机中存放的“.WAV”类型的文件是记录真实声音信息的文件。对于存放同样的乐曲信息，WAV文件要比MID文件大许多。比如1分钟立体声音乐，WAV文件为10MB，而MID文件仅为10KB。因此，对于WAV，声卡必须进行大比例的压缩。3．双工可以在同一条线路上双向传输数据，但在同一时刻只能在一个方向上传输数据，叫做半双工。可以同时收发信息的线路才叫做全双工，只有全双功的声卡才可以支持Internet电话功能。4．3D环绕立体声系统引入3D环绕立体声系统，利用空间均衡器和声音修正SRS（SoundRetrievalSystem），不增加声道就实现3D效果。尽管声音来自左右前方，但让人感觉到声音来自周围各方，现场空间感大为增强。5．声音合成技术声卡采用的合成技术有FM（FrequencyModulation）频率调制合成技术和波表（WaveTable）合成技术。波表又分为软波表和硬波表两种。6．编码和解码所谓编码是指声卡将模拟声音信号转换成数字信号并对数据进行压缩的处理过程，而解码是指将压缩的数据还原和重放的处理过程。7．S/NRSNR（SignaltoNoiseRatio）即信噪比，是声卡抗噪声能力的一个重要指标。SNR是用信号功率比噪声功率，单位为分贝（dB）。信噪比的值越大越好，声卡的SNR一般应大于80dB。8．FRFR（FrequencyResponse）即频率响应，是声卡的A/D和D/A转换器的频率响应指标。在整个20Hz到20KHz频带上，应有一个均衡的即直线形的功率响应曲线，局部的突起或下陷都会引起信号失真。10.1.3．声卡的接口声卡的外形如图10-1所示，它提供许多硬件接口，以连接各种音响设备。声卡在机箱后部提供了下述连接器：1．扬声器插孔SPK（Speaker）采用3.5mm立体声耳机插座，用于连接低阻抗无源立体声音箱或耳机。2．麦克风插孔MIC（Microphone）采用3.5mm立体声耳机插座，用于连接立体声或单声道麦克风。3．音频线路输出插孔LO（LineOut）采用3.5mm立体声耳机插座，用于连接立体声功放设备的线路输入端。通常连接有源立体声功放音箱。4．音频线路输入插孔LI（LineIn）采用3.5mm立体声耳机插座，用于连接立体声音响设备的线路输出端。通常可以连接到MPEG解压卡的音频线路输出插孔。5．游戏棒或MIDI系统连接器（GamePort/MIDI）采用15针D型插座，用于连接游戏操纵杆，或者连接电子琴等音乐设备的数字接口即MIDI接口。声卡的15针GAME/MIDI接口有两种连接方式，游戏棒（Joystick）与GAME接口的连接如图10-7，电子琴等数字音乐设备与MIDI接口的连接如图10-8。接口的1、9脚为+5V电源，4、5脚为GND，2、7脚为游戏棒A的两个按键，3、6脚为游戏棒A的X、Y座标量，10、14脚为游戏棒B的两个按键，11、13脚为游戏棒B的X、Y座标量，12、15脚用作MIDI数据的发送和接收。图10-7游戏棒电路与接口图10-8MIDI电缆与接口在声卡的电路板上有下述内部连接器：1．双声道模拟音频线路输入连接器，通常有几个不同规格插座，以便于连接光驱的音频输出端或别的音频信号源。2．硬波表（WAVETABLE）连接器，用于接驳硬件波表子卡。3．光驱接口。在早期的声卡上，为系统扩展了能连接光驱的EIDE等接口，因此老机器必须将光驱连接在声卡上。早期声卡上还有I/O口地址和IRQ中断请求号的设置跳线，这叫声卡的硬件设置。在安装声卡前必须正确跳线，再在安装声卡驱动软件时进行相同的设置确认，才能避免与原硬件设备产生资源占用冲突。目前的声卡取消了硬件设置跳线，采取PnP方式。声卡上常常还可能有一些其它的设置跳线，它们可以选择声卡的不同功能。比如有麦克风、扬声器、游戏棒和MPU-401等选择跳线，应根据实际使用的情况在安装声卡前一一设置妥当，以确保声卡发挥最佳性能和避免故障。10.l.4声卡实例创通2000年9月推出的SoundBlasterLive