[2.2] Der AD/DA-Wandler

Im Gegensatz zum Synthesizer-Chip, der seine Audiosignale und Klänge selbst digital erzeugt, müssen die im Computer aufzunehmenden bzw. zu verarbeiteten analoge Signale (Sprache, Musik, Geräusche) erst einmal digitalisiert werden. Diese Funktion übernimmt ein sogenannter Analog/Digital-Wandler. Sollen die gewandelten, verarbeiteten und gespeicherten Klänge dann wieder abgespielt werden, ist im umgekehrten Sinne ein Digital/Analog-Wandler nötig. Die weitverbreitetsten Dateiformate für diese Schreib-/Lesevorgänge sind das VOC-Format, das zusammen mit den Soundblaster-Karten weite Verbreitung gefunden hat und das für anspruchsvollere Windows Anwendungen bevorzugte WAV-Format. Dieses Format stellt eine Untermenge der Microsoft RIFF-Dateien (Resource Interchange File Format) dar und hat seinen Ursprung in den Interchange File Formaten (IFF), die schon bei Amiga als Text-, Graphik- und Sample-Dateien dienten. Wave-Dateien enthalten Information über die Audiodaten und deren zugrunde gelegten Parametern wie Auflösung in Bit und Sampling-Rate in kHz. Es gibt unzählige Programme wie z.B. den Windows eigenen Audiorecorder, die in der Lage sind diese Formate zu verarbeiten, zu lesen und zu schreiben.
Auf Soundkarten, denen eine (annähernde) CD-Klangqualität genügt, werden die einzelnen Abschnitte der Audioverarbeitung wie Klangerzeugung, Filter, Hüllkurvengeneratoren, A/D- und D/A-Wandler in einem einzigen Baustein zusammengefaßt, der als CODEC (Codierer/Decodierer) bezeichnet wird. Dieser Chip beinhaltet neben den Wandlern und anderen Funktionseinheiten auch einen Mixerchip für die einzelnen Audioquellen und das Interface zum ISA-Bus. Trotz identischen CODEC-Chips haben Soundkarten herstellerspezifische Klangeigenschaften. Das liegt in erster Linie an den Qualitätsunterschieden der verwendeten Operationsverstärker, am Mikrofonvorverstärker wird regelmäßig gespart. Oftmals ist das Platinenlayout ungünstig ausgeführt, was dann zu Störungen während der Aufnahme und Wiedergabe führt.

Beim Kauf einer höherwertigen 16 Bit ISA-Soundkarte sollte man beachten, daß auch der kleinere der beiden Platinen Slot-Anschlüsse, die in den ISA-Slot des Mainboards gesteckt werden, mit Kupferbahnen belegt ist. Hier befinden sich die oberen Datenleitungen (D8-D16), die zusätzlichen Adressleitungen, die Interrupt-leitungen (IRQ10-12, 14, 15) und die oberen DMA-Kanäle (DMA5-7). Dies bestätigt meistens, daß es sich nicht nur um einen 16 Bit AD/DA-Wandler, der zur Signalverarbeitung verwendet wird handelt, sondern das auch die volle Breite des 16 Bit ISA-Busses zur Übertragung der Daten verwendet werden kann. Dies ist insbesondere wichtig um allzu lange Zugriffszeiten auf Audio-Dateien (z.B. *.wav) und andere Funktionsverzögerungen weitgehend zu vermeiden. Die weitverbreiteten 16 Bit CODEC Chips (AD1848) von Analog Devices bzw. (CS 4248, CS 4231) von Crystal (siehe [3.4] Sound System Standard) sind Beispiele für interne 16 Bit Verarbeitung bei nur 8 Bit breiter Datenübertragung. Deshalb verfügt der zum AD1848 und CS 4248 voll abwärtskompatible und weiterentwickelte CS 4231 über zwei FIFOs (First In, First Out), die als Zwischenspeicher für die ankommenden und auszugebenden Daten dienen. Dadurch wird die Datenübertragung wesentlich beschleunigt und die oft bemängelte lange Reaktionszeit, innerhalb einer Windows Audioanwendung, stark verkürzt. Wird eine (teure) 18 oder gar 24 Bit PCI-Soundkarte (Peripherial Component Interconnect) mit einem 32 Bit breiten Bus verwendet, gibt es normalerweise keine Probleme beim Datenaustausch zwischen Karte und Mainboard.

AD/DA-Wandler werden nicht nur zur Audioverarbeitung eingesetzt, sondern sind auch Standard-Bauelemente in der Meß-, Steuer- und Regelungstechnik. Die gestellten Anforderungen an beide Bereiche sind jedoch recht unterschiedlich. Kommt es in der MSR-Technik darauf an, Signale (z.B. für ein Meßgerät) möglichst präzise zu Erfassen, spielt bei Soundkarten, CD-Playern, usw. eher die Geschwindigkeit der Signalumsetzung eine Rolle. Wenn während der Konvertierung von Audiodaten ein Bitfehler entsteht, wird man es nicht hören - wird während einer Messung ein Bit falsch gesetzt, kann das schwerwiegende Folgen haben.

Aus diesem Grund wird für Soundkarten mit einer Auflösung von bis zu 12 Bit das Sukzessive Approximations Verfahren und für alle höherwertigen Karten das Sigma-Delta-Wandlungsprinzip angewendet (momentan bis 24 Bit üblich).

Nachfolgend eine Übersicht aller gängigen Wandlungverfahren und deren alternative Bezeichnungen.

Die Eigenschaften des AD/DA-Wandlers sind die verantwortlichen Parameter für die Audio-Klangqualität einer Soundkarte. Hier die wichtigsten:

Auflösung (Bit): Ein wichtiges Kriterium für die Qualität eines AD/DA-Wandlers ist seine Auflösung (Resolution). Je höher die Auflösung desto genauer ist die digitale Abbildung des (analogen) Eingangssignals. Die Auflösung wird als eine Anzahl von Bits angegeben und beschreibt die Anzahl der Stufen mit denen ein analoges Signal digital abgebildet werden kann. Ein 8 Bit Wandler kann also 2 8 = 256 Werte darstellen. Bei einem Aussteuerungbereich von plus/minus 5 Volt, also 10 Volt, entspricht das einem kleinst möglichen Schritt (LSB - Least Significant Bit) von 39,1 mV. Die Auflösung ist also ein Maß für die kleinste reproduzierbare Ausgangsspannungsänderung.

Dynamikbereich und Signal/Rauschabstand (dB): Der Dynamikbereich beschreibt das Verhältnis zwischen dem leisesten und dem lautesten Ton, während der Signal/Rauschabstand das Verhältnis von (in jedem analog Signal enthaltenen) Rauschen zum Nutzsignal beschreibt. Diese wird, wie für Spannungs- und Leistungsverhältnisse üblich, in Dezibel (dB) angegeben.

Wandlungszeit (us): Die Wandlungszeit (Conversion Time) beschreibt die Zeit, die ein Wandler benötigt um eine Information oder ein Signal zu konvertieren (von analog zu digital oder umgekehrt). Taktgesteuerte Wandler können durch Änderung des Taktes in ihrer Wandlungszeit beeinflußt werden. Da diese Wandlungszeit aber durch das Design der Karte vorgegeben ist, kann sie vom Anwender selbst nicht verändert werden.

Prinzipieller Zusammenhang: Höherer Takt => kürzere Wandlungszeit => höhere Abtastfrequenz

Abtastfrequenz (kHz): Die Abtastfrequenz (Sampling Rate) gibt an, wie oft das analoge Eingangssignal (bei A/D-Wandlung) innerhalb einer Sekunde mit der zur Verfügung stehenden Auflösung (z.B. 16 Bit) abgetastet wird. Die Angabe 16 Bit bei 44,1 kHz für CD-Qualität bedeutet also: Das analoge Signal wurde 44100 mal in einer Sekunde abgetastet – jede Abtastung (Sample) mit einer Genauigkeit (Auflösung) von 16 Bit d.h. in 65536 Abstufungen eingeteilt. Die digitale Verarbeitung analoger Signale, vom Delta-Sigma-Wandler einmal abgesehen, funktioniert nur dann ohne nennenswerte Qualitätsverluste, wenn das Abtasttheorem erfüllt ist. Es sagt aus, daß die Abtastfrequenz mindestens zweimal so groß sein muß wie die höchste im Eingangssignal vorkommende Frequenz. Wird die Abtastfrequenz zu niedrig gewählt, tritt ein Effekt auf, der als Aliasing bezeichnet wird. In diesem Fall ist die aufgenommene Frequenz niedriger als die tatsächliche Schwingung des Originalsignals, was zu Signalverfälschungen führt. Abhilfe schafft hier ein vorgeschalteter Tiefpaßfilter, der das Eingangssignal frequenzmäßig begrenzt bzw. die hohen Frequenzen herausfiltert.

Auflösung (Bit)	4	8	12	16
Teilschritte pro Abtastung	16	256	4096	65536
Dynamikbereich (dB)	24,1	48,2	72,2	96,3
Signal/Rauschabstand (dB)	34,9	58,9	83,0	107,1
LSB im 10V-Bereich (mV)	625	39,1	2.44	0,153

Theoretische Daten und Zusammenhänge für verschiedene Auflösungen.

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Anhand der Auflösung (Bit), der Abtastfrequenz (kHz) und der Länge des aufzunehmenden Audiosignals läßt sich der benötigte Speicherplatz im RAM oder auf der Festplatte errechnen. Die nachfolgende Formel gilt für eine Mono-Spur ohne Komprimierung:

Beim Aufnehmen von Audiosignalen sollte man schon vorher darauf achten, daß die Samplingfrequenz dem voraussichtlichen Ausgabemedium angepaßt ist und durch seinen D/A-Wandler rekonstruiert werden kann. So ist es z.B. ohne vorherige verlustbehaftete Sample Rate Konvertierung nicht möglich, eine mit einem Konsumer-DAT-Recorder erstellte Aufnahme (Abtastrate 48 kHz) auf eine CD-R(W) zu brennen und abzuspielen.

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[2.2.1] Sigma-Delta-Wandler

Mit dem Einzug der Digitaltechnik in die Unterhaltungelektronik haben sich AD/DA-Wandler nach dem Prinzip der Delta-Sigma-Modulation stark verbreitet und sind mittlerweile Standard bei Soundkarten, CD-Playern, usw.. Im Gegensatz zu allen anderen Wandlungsverfahren, die in der Regel intern sehr präzise analoge Komponenten benötigen und sehr komplex aufgebaut sein können, braucht ein Delta-Sigma-Wandler, der zu 90% aus digitalen Bauelementen besteht, lediglich einen 1 Bit Wandler.

Des weiteren arbeiten die anderen Wandlungsverfahren, immer nach dem Abtasttheorem, d.h. mit einer Sampling-Rate, die mindestens zweimal größer sein muß als die maximal umzusetzende Eingangsfrequenz. Ein analoges Tiefpaßfilter am Eingang (Anti-Alias-Filter) dient dabei der Begrenzung dieser Frequenz. Delta-Sigma-Wandler hingegen arbeiten grundsätzlich mit einer Überabtastung, auch Oversampling genannt. Während der Analog/Digital-Wandlung werden mit einer hohen Abtastrate 1 Bit Werte aufgenommen, die dann beispielsweise in 16 Bit Werte niedrigerer Rate umgesetzt werden. Die hohe Auflösung des A/D-Wandlers wird also durch das Oversampling in mehreren Intervallen erreicht, im Gegensatz zu den anderen Wandlungsverfahren die in einem einzigen Sampling-Durchgang das Ergebnis ermitteln. Wegen der hohen Abtastfrequenz kann das Anti-Aliasing-Filter für einen Sigma-Delta-Wandler, im Vergleich zu den anderen Verfahren, relativ einfach realisiert werden.

Der Digital/Analog-Wandler, der das digitalisierte Signal dann wieder "hörbar" macht, arbeitet ebenfalls nach dem Sigma-Delta-Wandlungsprinzip. Der parallele Datenstrom wird dabei in einen seriellen 1 Bit breiten umgesetzt, der dann zur Glättung des Signals noch ein analoges Tiefpaßfilter durchläuft bevor er an den Ausgang angelegt wird.

[2.3] Schnittstellen und Anschlüsse

[2.3.1] Joystick- mit integriertem MIDI-Anschluß (MPU-401 kompatibel)

[2.3.2] Standard MIDI-Anschlüsse (MIDI-Trio)

[2.3.3] Micro IN, Line IN, Line OUT, Aux IN

[2.3.4] S/PDIF und AES/EBU

[2.3.5] ADAT und T/DIF

[2.3.6] Interne Anschlüsse und Schnittstellen


[2.3.1] Joystick- mit integriertem MIDI-Anschluß (MPU-401 kompatibel)

Hier können über ein spezielles Adapterkabel 2 Joysticks zur Steuerung von Spielen, ein MIDI Aus- und ein Eingangskabel angeschlossen werden. Bei der Auswahl des Adapterkabels ist wichtig, ob der vom MIDI Eingang benötigte Optokoppler schon auf der Karte integriert ist oder nicht. Ist wie bei den meisten Soundkarten mit Joystickanschluß üblich, der Optokoppler nicht onboard, muß er im Kabel eingebaut sein. In diesem Fall wird ein aktives Adapterkabel benötigt, befindet sich der Optokoppler auf der Karte genügt ein passives Kabel. (siehe [3.6] Der MIDI-Standard)

[2.3.2] Standard MIDI-Anschlüsse (MIDI-Trio)

Als sogenanntes MIDI Trio werden drei 5polige DIN-Buchsen, die zum Austausch von MIDI Daten verwendet werden, bezeichnet. Über jede dieser Buchsen können 16 MIDI-Kanäle übertragen werden. Mit der Anzahl der vorhandenen MIDI OUT Buchsen erhöht sich die Anzahl der zur Verfügung stehenden MIDI-Ausgangskanäle, entsprechendes gilt auch für die MIDI Eingänge. Hat die Soundkarte z.B. 2 MIDI Eingänge und 3 MIDI Ausgänge können 32 MIDI Eingangskanäle und 48 Ausgangskanäle adressiert werden. Der MIDI THRU Ausgang (manchmal fehlt er) gibt die an der MIDI IN ankommenden Daten unbearbeitet aus. Auf diese Weise läßt sich eine Kette von verschiedenen hintereinander geschalteten MIDI Geräten mit nur einer steuerndem MIDI OUT Buchse realisieren. (siehe [3.6] Der MIDI-Standard)

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[2.3.3] Micro IN, Line IN, Line OUT, Aux IN

Dies sind die analogen Audio-Schnittstellen des Computers. Diese Anschlüsse sind meist für 3,5 mm Stereo-Klinkenstecker ausgelegt, nur der Mikrofon Eingang ist in Mono ! Professionelle Karten stellen hier, meist mehrere, 6,3 mm Klinkenbuchsen auf einem externen PC-Befestigungsblech oder einem Fronteinschub zur Verfügung. Alle analoge Audioleitungen, intern wie extern, sollten abgeschirmt sein und nicht in der Nähe von Stromversorgungskabel verlaufen. Falls für externe Audioverbindungen 2 Adern plus Abschirmung in einer Leitung zur Verfügung stehen, sollte die Abschirmung nur einseitig an Masse angeschlossen werden, um Brummschleifen zu vermeiden (symmetrische Abschirmung). Das gleiche gilt auch für abgeschirmte, einadrige, interne Verbindungen.

Micro IN bezeichnet den Mikrofon Eingang einer Soundkarte der einen nachgeschalteten Mikrofonvorverstärker besitzt. Als Schnittstelle wird meistens eine 3,5 mm Mono-Klinkenbuchse verwendet. Da die am häufigsten verwendeten Mikrofone nach dem dynamischen Prinzip arbeiten und selbst keinen eingebauten Vorverstärker oder Impedanzwandler besitzen, ist dieser Eingang sehr hochohmig und empfindlich ausgelegt. Deshalb ist es unbedingt erforderlich ein abgeschirmtes Mikrofonkabel zu benutzen. Mikrofon Pegel sind nicht kompatibel zu Line Pegeln, genauso wenig können Mono Stecker in Stereo Buchsen verwendet werden.

Line IN bezeichnet einen Anschluß der genormte Line-Pegel, wie man sie von der Heim-Stereoanlage her kennt, verarbeitet. Dieser Pegel ist kompatibel zu den CD-, Tape-, Tuner- und Aux- Anschlüssen (nicht zum Plattenspieler- bzw. Phono-Anschluß !). Der Line-Eingang (Line IN) dient zur Aufnahme dieser Quellen.

Line OUT besitzt die gleichen elektrischen Eigenschaften wie Line IN, dient aber zur Wiedergabe von Klängen und Musik aus dem Computer. Hier kann z.B. ein Verstärker mit Boxen zur Wiedergabe oder ein Tape-Deck zur Aufnahme der Computersounds angeschlossen werden. Stehen hier mehrere Ausgänge zur Verfügung können diese extern bearbeitet (z.B. mit Effekten) und in einem Mischpult zusammengeführt werden.

Aux IN bezeichnet einen zusätzlichen Line-Eingang, und wird auch so verwendet.

[2.3.4] S/PDIF und AES/EBU

Der S/PDIF Anschluß (Sony Philips Digital Interface Format) ist die digitale Stereo-Audio-Schnittstelle für den Heimbereich. Meistens wird hier koaxiale Leitung mit Cinch Buchsen und Stecker, die intern über eine Steckleiste mit der Soundkarte verbunden werden, verwendet. Manchmal wird diese Verbindung auch über einen Lichtwellenleiter (LWL) ausgeführt. AES/EBU (Vereinigung europäischen Rundfunk- und Tontechniker) ist das professionelle Gegenstück zur S/PDIF-Schnittstelle und kommt meist in 24 Bit High-End-Systemen zum Einsatz. Als Anschluß werden XLR Stecker, Kupplungen und Buchsen mit symmetrisch abgeschirmten Leitungen (Plus, Minus, Masse) verwendet.

[2.3.5] ADAT und T/DIF

Das ADAT-Format der Firma Alesis und das T/DIF-Format von Tascam haben sich im professionellen Studiobereich als digitale Mehrspur- (Multitrack) Übertragungsschnittstellen durchgesetzt. Diese Schnittstellenformate ermöglichen eine parallele Echtzeit-Übertragung von bis zu 16 digitalen Mono Signalen, auch Spuren genannt, in einer Leitung. Die Auflösung des Signals kann dabei bis zu 24 Bit, bei einer Sample Rate von 96 kHz betragen. Als Übertragungmedium dient ein Lichtwellenleiter (LWL).

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[2.3.6] Interne Anschlüsse und Schnittstellen

Soundkarten haben verschiedene Schnittstellen und Steckanschlüsse worüber weitere Buchsen-Anschlußeinheiten und Fronteinschübe intern mit der Karte verbunden werden. Auf diese Weise können z.B. nach außen geführte S/PDIF oder MIDI DIN-Buchsen angeschlossen werden. Auch der gebräuchliche analoge CD ROM Audioanschluß wird hier aufgesteckt. Dieses abgeschirmte Anschlußkabel sollte sinnvollerweise zum Lieferumfang des CD ROM Laufwerks gehören, da es hierfür keine einheitliche Norm gibt. Viele Soundkarten haben außerdem einen CD ROM Controller mit den entsprechenden Schnittstellen an Board. Die Benutzung dieser Controller ist aber meist wenig sinnvoll, da sie zusätzliche Ressourcen wie I/O-Adressen, DMA- und Interrupt-Kanäle belegen.

[3] Die Soundkarten Standards

Abgesehen von den grundsätzlichen Funktionseinheiten einer Soundkarte haben sich auch Kompatibilitätsstandards entwickelt, die die Funktionen der Soundkarte mit unterschiedlichster Hard- und Software gewährleisten sollen. Manche dieser definierten Mindestanforderungen sind über Jahre gewachsen und heute nur noch mehr oder weniger interessant. Eine Soundkarte kann zu mehreren Standards kompatibel sein. Hier eine Übersicht der Standards:


[3.1] Soundblaster, Soundblaster Pro

[3.2] AdLib

[3.3] Windows-Multimedia

[3.4] Windows Soundsystem

[3.5] Multimedia PC (Level 1-3)

[3.6] MIDI

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[3.1] Der Soundblaster-Standard

Bei diesem Standard wird zwischen Soundblaster und Soundblaster Pro unterschieden. Da es sehr viele verschiedene Soundblaster-Karten auf dem Markt gibt, fällt es schwer einen Standard eindeutig festzustellen. Alle Parameter in der nachfolgenden Übersicht sind deshalb Mindestangaben.

[3.2] Der AdLib-Standard

Da die ursprüngliche AdLib-Karte keinen AD/DA-Wandler hatte, sagt dieser Standard nichts über Qualität der Aufnahme bzw. Wiedergabe von Audio-Dateien (z.B. *.wav) aus.

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[3.3] Der Windows-Multimedia-Standard

Sagt nur aus, daß zu jeder Karte auch die passenden Treiber-Programme mitgeliefert werden. In der Regel bekommt man ein ganzes Paket mit Sound- und Musikbearbeitungsprogrammen.

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[3.4] Das Windows-Soundsystem (WSS)

Der Name einer 1993 von Microsoft vorgestellten Soundkarte. Da sie keine MIDI- und CD-ROM-Schnittstelle hatte, wurde sie wegen Erfolgslosigkeit vom Markt genommen. Trotzdem ist es Microsoft damit gelungen, einen neuen Standard nach folgenden Kriterien zu schaffen.

- 16 Bit-CODECs Chip von Analog Devices oder Crystal
- mindestens ein OPL3
- Bestimmte I/O-Adressen, DMA-Kanäle und IRQs
- DOS-Spiele können als Windows-Task ausgeführt werden
- Konfiguration möglichst ohne Jumper

[3.5] Der Multimedia PC-Standard (Level 1-3)

Der Versuch einiger großer PC-Herstellerfirmen eine gemeinsame Audio- und Video-Plattform zu schaffen. Dieser Standard legt Mindestanforderung für die Ausstattung eines Multimedia PCs und der Soundkarte fest. Dieser Standard wurde zwischen 1989 und 1995 definiert und wird im Prinzip, von allen Rechnern auf denen heute Windows 95 läuft, erfüllt.

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[3.6] Der MIDI-Standard

MIDI (Musical Instruments Data Interface) und die dazugehörige MIDI Processing Unit (MPU-401) wurden Anfang der achtziger Jahre von der japanischen Firma Roland als genormte Schnittstellen für elektronische Musikinstrumente entwickelt. Diese Norm legt fest wie ein Steuercomputer mit Klangerzeugern wie Synthesizer, Keyboards oder Drummaschines zu kommunizieren hat. Die Signale werden seriell, also Bit für Bit mit einer Geschwindigkeit von 30,52 kBit/sec gesendet und empfangen. Die Übertragung erfolgt asyncron, also ohne zeitliche Taktung. Den 8 Datenbits wird ein Startbit voran- bzw. ein Stoppbit nachgestellt – eine Überprüfung der Parität findet nicht statt. Das Datenformat erinnert stark an die Übertragung mit der seriellen V.24-Schnittstelle, man könnte auch die selben Bausteine verwenden. Die Datenbits, die z.B. von einem Keyboard an ein anderes Gerät gesendet werden haben unterschiedliche Funktionen. Zuerst wird ein Statusbyte gesendet, das Inhalt und Anzahl der Nachfolgenden Datenbits definiert. Mit den Datenbytes lassen sich dann z.B. Informationen über die gerade gedrückte Taste, also die Stärke des Anschlags (Velocity), die Tonhöhe (Note Number), die Dauer (Note On/Off) oder den ausgeübten Druck nach dem Anschlag (Aftertouch) u.v.a. übertragen. Mit Hilfe eines Sequenzerprogramms (wie z.B Logic Audio oder Cubase VST) lassen sich diese und viele anderen MIDI-Daten dann aufzeichnen, editieren und wenn man möchte, von einem ganz anderen Klang oder Instrument wieder abspielen. Moderne Sequenzerprogramme werden meistens in Kombination mit Harddisk-Recording Funktionen angeboten. Auf diese Weise lassen sich intern (über den Soundkarten-Synthesizer-Chip) oder extern (über ein Soundmodul) Klänge über MIDI abspielen, die dann mit tatsächlich aufgenommenen Klangdateien (z.B. *.wav) musikalisch gemischt werden können. Da MIDI also nur die Daten der Anzuspielenden Klänge und nicht die Klänge selbst überträgt, kann die Dateigröße eines Musikstücks leicht um den Faktor 1000 kleiner sein als die entsprechende Stereo-Wave in CD-Qualität. Voraussetzung hierfür ist ein GM (General MIDI) fähiger Synthesizer-Chip, der Klänge elektronisch mit Hilfe der PCM bzw. FM-Synthese oder einem Wavetable erzeugt (siehe: [2.1] Der Soundchip).

Eine MIDI-Schnittstelle kann insgesamt 16 verschiedene, voneinander unabhängige Übertragungswege auch Kanäle genannt, auf einer Leitung ansteuern. In der Praxis wird dann meistens einem Kanal - eine Soundbank d.h. einen über die gesamte Tastatur spielbaren Klang oder einer mit verschiedenen Sounds (meist ein Drumset) belegten Keybooard-Tastatur zugeordnet. Der GM-Standard (1991 definiert) gibt nun vor, auf welcher Programmplatz Nummer (1-128) welche Soundbank/Sounset zu finden ist (z.B. Klaviere auf Programm Nr.1-8, Orgeln auf Programm Nr.17-24, usw.) und wie die 47 Sounds des GM-Drumsets (immer MIDI Kanal 10!) auf der Tastatur angeordnet sind (Base Drum auf Taste C1 - Note Nr.36, Snare auf D1 - Note Nr.38, usw.). Auf der einen Seite schränkt diese voreingestellte Zuordnung das Leistungsvermögen eines Klangerzeugers ein, auf der anderen Seite aber garantiert dieses System eine definierte Mindestmenge an Klängen und stellt damit eine Kompatibilität zu anderen Soundkarten und MIDI-Dateien sicher. Im Laufe der Zeit wurden dann von Roland und Yamaha abwärtskompatible, erweiterte Standards eingeführt (GS - General Synthesizer, XG - Extended General MIDI).

Der Anschluß einer MIDI-Leitung an die Soundkarte erfolgt entweder über einen Adapter mit einem 15poligen Sub-D Joystick-Anschluß oder, falls vorhanden, über die genormte 5polige DIN-Buchse. Wie bei der seriellen Datenübertragung üblich, verwendet auch MIDI eine Ader für Receive, eine für Transmit und eine für die Masse (Abschirmung). Falls eine geregelte (im Gegensatz zur gesteuerten) Datenübertragung erwünscht ist (z.B. für SysEx-Übertragungen), verwendet man das Handshake-Verfahren (eine Hin- und eine Rückleitung). Damit sich die verschiedenen Geräte und Instrumente der unterschiedlichsten Hersteller auf jeden Fall gut vertragen, ist jeder MIDI-Eingang durch einen Optokoppler elektrisch (genauer galvanisch) vollkommen von der Elektronik getrennt. Vom Optokoppler geht es dann zum Schnittstellenbaustein (UART-Universal Asyncron Receiver Transmitter), der die seriellen Bits wieder zu Bytes zusammensetzt. Gleichzeitig läuft das Signal intern zu einer Buchse, MIDI THRU genannt, die das Eingangssignal an die nachfolgenden Geräte weitergibt bzw. durchschleift. Vergleiche mit einem Antennenkabel, das sein Signal über einen Videorecorder zum Fernseher weiterleitet während jedes Gerät dem Kabel "sein" Programm entnimmt, sind durchaus angebracht. Der Ausgang des UART-Bausteins übergibt dann sein Signal direkt an die (MIDI) Ausgangsbuchse der Soundkarte.

Bei Soundkarten, die eine im Joystick-Anschluß integrierte MIDI-Schnittstelle besitzen, ist es vor dem Kauf eines Adapterkabels wichtig festzustellen, ob sich der Optokoppler auf der Karte oder wie in den meisten Fällen üblich, im externen Anschlußadapter befindet. Ist der Optokoppler bereits auf der Karte integriert, wird ein passives Adapterkabel benötigt – ist auf der Karte kein Optokoppler vorhanden wird ein aktives Kabel benötigt. Wird die MIDI-Standard-Schnittstelle, das sogenannte MIDI-Trio (drei 5polige DIN-Buchsen mit den Funktionen MIDI IN, MIDI OUT, MIDI THRU) verwendet, ist der Optokoppler in jedem Falle auf der Karte/im Gerät integriert (siehe [2.3] Schnittstellen und Anschlüsse).

[4] Soundkarten in der Praxis

Die Qualität der Audiofunktionen einer Soundkarte kann durch elektrische Einstreuung stark verschlechtert werden, was sich meist durch mehr oder weniger starkes Brummen bemerkbar macht. Ursache dieser Störungen sind die zahlreichen anderen Bauteile innerhalb des Computergehäuses. Besonders kritisch sind die Graphikkarte, das Netzteil und der Festplattencontroller. Aus diesem Grund ist es ratsam die Soundkarte möglichst weit entfernt von diesen Bauteilen zu montieren. Falls es sich um eine ISA-Karte handelt, ist dies normalerweise der unterste Steckplatz am Gehäuseboden.

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[4.1] Windows konfigurieren

Die Einstellung der Soundkarten I/O-Adresse erfolgt meistens über Jumper, die direkt auf der Karte gesteckt werden können. Die Einstellung des DMA-Modus, der DMA- und Interrupt-Kanäle, wie auch die Angabe der gejumperten I/O-Adresse erfolgt im dann in der Treibersoftware der Soundkarte bzw. in der Windows Systemsteuerung.

Systemsteuerung > Multimedia > Audio/MIDI/Erweitert : Aus/Anwahl und temporäres Deaktivieren von Audio- und MIDI-Treibern. Außerdem kann hier der Pegel für Aufnahme, Wiedergabe und der DMA-Modus (Half/Full/Enhanced-Duplex) eingestellt werden.

Systemsteuerung > System > Gerätemanager > Audio-, Video- und Game-Controller > Eigenschaften > Allgemein/Ressourcen : Zeigt Geräte- und Treiberstatus und mögliche Konflikte mit anderen Peripherie-Einheiten an. Die von der Sounkarte benötigten Ressourcen des Computers, also die I/O-Adressen, DMA-Kanäle und Interrupts werden hier verwaltet.

Soundkarten spezifische Einträge erfolgen in den beiden Windows (‘95) Dateien System.ini und Control.ini und werden dort während der Karten Installation abgelegt. Alle Einträge die sich eventl. in der Config.sys oder Autoexec.bat befinden werden ausschließlich für DOS-Anwendungen gebraucht. Falls die Soundkarte nur unter Windows verwendet werden soll, ist es ratsam diese Einträge mitsamt den relevanten Menüstrukturen zu löschen.

Soll die Soundkarte unter Windows NT betrieben werden, sollte man sich schon vor dem Kauf vergewissern, ob für die Soundkarte funktionierende Treiber erhältlich sind. Für immer mehr, auf dem Markt erscheinende Karten, ist dies der Fall.

[4.2] DMA-Modus

Der DMA-Modus (Direct Memory Access) ermöglicht einen direkten Speicherzugriff. Der DMA-Controller übernimmt die Zugriffsberechtigung auf die Daten-, Adress- und Steuerleitungen. Die Datenübertragung erfolgt unabhängig von der CPU, deswegen direkt. Jedem PC (ab 80286) stehen 8 DMA-Kanäle zur Verfügung, wobei oftmals nur die oberen vier Kanäle (4-7) die ganze Breite des 16 Bit ISA Busses benutzen. Falls nicht sichergestellt werden kann, daß die DMA-Datenübertragung auf den Kanälen 0-3 in 16 Bit Breite erfolgt, sollte für eine schnellere Datenübertragung, falls dies möglich ist, eine der oberen Kanäle gewählt werden.

In manchen Soundkarten Treibern lassen sich dann über die DMA-Betriebszustände Half-Duplex, Full-Duplex und Enhanced-Duplex auch zwei Kanäle gleichzeitig verwenden, um Datenaustausch in beide Richtungen zu ermöglichen.

- Half-Duplex: Datenaustausch in eine Richtung mit 16 Bit, ein DMA-Kanal erforderlich.

- Full-Duplex: Datenaustausch in beide Richtungen mit je 8 Bit, zwei DMA-Kanäle erforderlich, für Multitrack-Aufnahmen minderer Qualität z.B. Anrufbeantworterfunktionen.

- Enhanced-Duplex: Datenaustausch in beide Richtungen mit je 16 Bit, zwei DMA-Kanäle erforderlich, für Multitrack-Aufnahmen höherer Qualität z.B. für sogenanntes Overdubbing, belastet die CPU außergewöhnlich – DSPs auf der Karte erforderlich.

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[4.3] Troubleshooting

Fast alle grundlegenden Probleme im Zusammenhang mit Soundkarten sind auf Hardwarekonflikte mit anderen Peripheriekarten zurückzuführen, die den selben Interrupt- oder DMA-Kanal wie die Soundkarte verwenden. Häufig liegt auch ein I/O-Adressenkonflikt vor, d.h. zwei Karten verwenden die selbe Input/Output-Adresse oder zwei Adressbereiche überlappen sich teilweise.

- Gleichmäßige Rumpelgeräusche in der Aufnahme, die während dem aufnehmen korrespondierend zur Aktivität der Festplatten (HD LED) entstehen, weisen auf Störungen durch die Festplatte hin.

- Ein hängender, sich ständig wiederholender Sound weist auf einen Interrupt-Konflikt oder auf mehrere installierte Soundkartentreiber hin. Da der Soundblaster-Standard Interrupt Kanal 7 voreingestellt hat und Windows ebenfalls diesen Interrupt für den Druckeranschluß (LPT1) vorsieht, sind in dieser Konstellation auch hier Probleme zu erwarten.

- Falls keine Wiedergabe oder Aufnahme möglich ist oder keine Soundkartenaktivitäten angezeigt werden handelt es sich meistens um einen DMA-Kanal-Konflikt. Einige Soundkarten können nur den DMA-Kanal 1 verwenden. Falls dieser von einer anderen im PC befindlichen Karte benutzt wird muß diese auf einen anderen Kanal eingestellt werden, um die Soundkarte verwenden zu können.

- Falls gar kein Sound zu hören ist oder die Software die Karte nicht findet, liegt meist ein I/O-Adressenkonflikt vor.

[4.4] Sample RAM

Der Sample RAM ist eine Soundkarten eigene Speicherbank, in die bis zu 64 MB EDO-RAM-Speicherbausteine, direkt eingesetzt werden können. Auf diese Weise können digitalisierte (gesampelte) Audiosignale (fast) ohne Zeitverzögerung abgerufen werden. Da ein Ton im Moment des Anschlags erklingen muß und das menschliche Ohr sehr empfindlich gegen kleinste Verzögerungen und Timing-Schwankungen ist, werden diese Klänge eher in einen RAM-Speicher als auf die Festplatte geschrieben. Die Speicherkapazität einer Festplatte ist zwar größer und preisgünstiger, dennoch hat eine Festplatte eine viel größere Zugriffszeit und wird durch die CPU (Central Processing Unit) des Computers gesteuert. Was grundsätzlich für zentrale Verwaltungseinheiten gilt, gilt auch für die Zentrale Prozessor Einheit: Der Weg ist weiter - es dauert länger. Deshalb haben hochwertige Soundkarten Digitale Signal Prozessoren (DSPs) mit auf der Karte, um so einen Teil der Arbeit direkt vor Ort zu erledigen. Außerdem arbeitet man beim Harddisk-Recording (Aufnahmen direkt auf die Festplatte) mit negativen Aufnahme- und Wiedergabeverzögerungen.

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[5] Das Nachwort

Soundkarten gibt es in allen Preisklassen von Billigangeboten für 25 DM bis zu 10000 DM für ein High-End-System (dann meistens für Apple-Macintosh Rechner) und in allen möglichen und unmöglichen Konstellationen. Deshalb ist es ratsam vor einem Kauf festzulegen, wofür die Soundkarte verwendet werden soll und was sie alles können muß. Die Einstellmöglichkeiten der Karte, der Soundchip, die MIDI-Implementation, die Anschlüsse, usw. sollten überprüft werden damit es später keine böse Überraschung gibt, wenn die eine oder andere Anwendung dann nicht ordnungsgemäß funktioniert. Also wichtigste Frage vorher: Was brauche ich und was nicht ? Viele Angaben auf der Verpackung, wie z.B. das viel beschworene Plug & Play sind nicht geschützte Begriffe und haben somit auch keine verbindliche Wirkung. Klang- und Qualitätsunterschiede können von Soundkarte zu Soundkarte erheblich sein. Technische Daten und alle möglichen Herstellerangaben sind nicht das entscheidende Kriterium was den Klang einer Soundkarte anbetrifft – hier entscheidet immer noch das Ohr und der Geldbeutel!

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[6] Das Quellenverzeichnis

- van Well, Markus: PC Praxis Buch - Musik mit dem PC. Düsseldorf: Data Becker 1998

- Plate, Jürgen Prof.: Multimedia in Netzen. Vorlesung FH-München: August 1997

- Dembowski, Klaus: Soundkarten - Konfiguration, Anwendung, Pannenhilfe. München, Wien: Carl Hanser Verlag 1996

- Henle, Hubert: Das Tonstudio-Handbuch. München: Gunther Carstens Verlag 1990

- Turtle Beach Tropez - Benutzerhandbuch. Turtle Beach Systems 1994

Diverse Informationen und "Read me" Dateien:

- ARC44 - Soundcard Installation

- AWE64 Gold – Installation Guide

- www.tbeach.com