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声卡工作原理

在人类发明声卡之前，PC只能发出一种声音——嘟嘟声。虽然计算机能改变这种声音的出现频率和持续时间，但它不能更改音量大小，也不能创建其他的声音。
起初，这种声音主要用作信号或警告。后来，开发人员利用不同音高和长度的嘟嘟声，为最早的PC游戏制作音乐。然而，这种音乐很不真实，例如在Crossfire Designs的配乐中，有一些就是这种声音。

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PC声卡
幸运的是，计算机的声音功能在20世纪80年代取得了重大的进展。当时，一些制造商引入了专门用来控制声音的附加卡。现在，带有声卡的计算机的声音功能远远超出了“嘟嘟”声的范畴。它能发出游戏的三维音频、实现DVD的环绕声回放，此外还能捕获和记录外部声源的声音。
在本文中，我们将带您了解声卡如何使计算机能够创建和记录真实的高质量声音。
立体声和环绕声的对比
游戏设计师使用立体声来提供快速变化的动态声音，这些声音根据玩家在游戏中的位置而变。除了使用来自不同方向的声音外，这项技术还能真实再现绕过或穿过障碍物的声音。环绕声也使用来自多个方向的声音，但这些声音并不根据听众的动作而变化。环绕声常见于家庭影院系统。

声音和计算机数据有着根本的不同。声音是一种模拟信息，它们由沿物质进行传播的声波组成。当这些声波引起人们的鼓膜振动时，人们便听到了声音。而计算机使用电子脉冲表示0和1，以数字方式进行通信。和显卡类似，声卡扮演着计算机数字信息和外部世界模拟信息之间的“翻译”角色。

声音是由沿诸如空气或水这样的媒介传播的声波组成的。
最基本的声卡是使用以下四个组件来转换模拟和数字信息的印刷电路板：
· 模数转换器（ADC）
· 数模转换器（DAC）
· ISA或PCI接口，用于将声卡连接到主板
· 麦克风和扬声器的输入输出接口
有些声卡不使用独立的ADC和DAC，而是使用编码器/解码器芯片，也称为CODEC，它可以同时执行上述这两种功能。

声卡必须在声波和位与字节之间进行转换。
在下一部分中，我们将了解声卡上发生的模数和数模转换过程。
X-Fi
声卡技术的最新进展之一是X-Fi，即超保真，该技术由SoundBlaster制造商Creative推出。X-Fi的特性：
· "主动模式体系结构"可针对性地为人们提供游戏、休闲娱乐或音乐创作的不同声音选项
· 具备5100万个晶体管的数字信号处理器（DSP）
· 多处理引擎，每一个都负责执行特定的声音处理
· 24位结晶器，用于修正16位CD录音中固有的某些声音质量损失缺陷
此外，ExtremeTech还提供了详细介绍X-Fi特性的综合文章。
请您想象一下使用计算机记录自己说话声音的情景。首先，您对着已经插入声卡中的麦克风说话。ADC将您声音的模拟声波转换成计算机可以理解的数字数据。为此，它以较短的时间间隔精确地测量声波，以此对声音进行采样，或者说是数字化。

模数转换器以很短的时间间隔测量声波。
每秒钟测量的次数称为采样率，单位是kHz。声卡的采样率越高，它再现的声波就越精确。
如果要通过扬声器回放记录结果，DAC将按照相反的顺序执行相同的基本步骤。借助精确的测量和较高的采样率，再现的模拟信号可以与原始声波基本相同。
但即使是采样率很高，也会导致声音质量的某种降低。声音在导线中传递的物理过程也会导致失真。制造商使用两项指标来说明声音质量的这种降低：
· 总谐波失真（THD），以百分比的形式表示
· 信噪比（SNR），以分贝为单位
THD和SNR都是值越小，表示声音质量越好。有些声卡还支持数字输入，允许用户存储数字记录结果，而无需将其转换成模拟格式。
制造声音的方法
计算机和声卡可以使用多种方法来制造声音。一种是调频（FM）合成。在这种方法中，计算机将多个声波重叠在一起，从而制造出更复杂的波形。另一种方法是波表合成。这种方法使用真实乐器的示例来复制音乐声。在波表合成中，通常会使用同一乐器以不同音高演奏的多个示例来提供更逼真的声音。总体而言，波表合成方法生成的声音再现比FM合成方法更加精确。
接下来，我们要看看声卡上常见的其他组件及其用途。
除了声音处理所需的基本组件外，许多声卡还带有其他硬件或输入/输出接口，其中包括：
· 数字信号处理器（DSP）：与图形处理单元（GPU）类似，DSP也是专用的微处理器。它可执行模拟和数字转换的计算任务，以此分担计算机CPU的部分工作负荷。DSP可以同步处理多个声音或音道，自身没有DSP的声卡也可利用CPU来处理这些计算。
· 内存：和显卡一样，声卡可以使用自己的内存来提供更快的数据处理能力。
· 输入输出接口：大多数声卡都至少具备麦克风和扬声器接口。有些声卡带有很多的输入输出接口，以至于需要配备中断箱。中断箱通常安放在一个驱动器槽中，以容纳这些接口。这些接口包括：
o 用于立体声和环绕声的多扬声器接口
o 索尼/飞利浦数字接口（S/PDIF）。这是一个用于音频数据的文件传输协议，采用同轴电缆或光纤接口进行声卡的输入和输出。
o 乐器数字接口（MIDI），用于将合成器或其他电子设备连接到计算机。
o FireWire和USB接口，用于将数字录音机或录像机连接到声卡。

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PCI声卡
接下来，我们要了解集成主板和外部声音控制选项。
驱动程序和API
和显卡一样，声卡使用软件来帮助自己与应用程序和计算机的其他组件进行通信。此软件包含声卡的驱动程序，它允许声卡与操作系统进行通信。此外，它还包含应用程序编程接口 (API)，这是一组用于让软件更轻松地与声卡通信的规则或标准。最常见的API包括：
· Microsoft:DirectSound
· Creative:Environmental Audio Extensions（环境音效扩展技术，EAX）和Open AL
· Sensaura:MacroFX
· QSound Labs:QSound
事实上，并非每台计算机都配有声卡，有些特色主板具有集成的音频支持。自身带有DSP的主板可以处理多种数据流，它还可以支持立体定位声音和杜比环绕声。但尽管有这些功能，大多数评论家还是认为，独立的声卡能提供更好的音频质量。

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外部声音控制器
在膝上型电脑中，通常不是主板具有集成的声音功能，就是配备了小声卡。但是，出于空间和温度控制方面的考虑，要造出顶级内部声卡只能是个梦想。所以，膝上型电脑的用户可以购买使用USB或FireWire接口的外部声音控制器，这些外部模块可以显著提高膝上型电脑的声音质量。
购买声卡
有多个因素会影响声卡提供清晰、高质量声音的能力。所以购买声卡时，我们需要注意：
· ADC和DAC数据容量，以位来衡量
· 信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）
· 频率响应，即声卡能以多大的音量来播放不同频率的声音
· 采样率
· 输出声道，例如5.1或7.1环绕声
· 支持的应用程序编程接口（API）
· 认证，包括Dolby Master和THX
购买顶级声卡的用户还应配备高质量的扬声器。即便是最好的声卡，也无法弥补糟糕的扬声器质量。