A hangkártyák zajáról


    Kampókéz barátunktól kaptam egy kérdést, ami nagyjából azt feszegeti, hogy a számítógépes hangkártyák közül melyik szerencsésebb választás zaj szempontjából: a külső, vagy a belső? A kérdés már hosszú évek óta erősen napirenden van, ezért terveztem is egy bejegyzést erről a témáról.
    Először is azt akarom leszögezni, hogy itt most nem a termikus zajjal akarok foglalkozni, vagyis a félvezetők és egyéb alkatrészek "saját", hőmérséklettel arányos zajával. Ez ugye az a "súgás", amit bármilyen elektronikus készülékből hallunk, ha eléggé felerősítjük a jelet, és a töltéshordozók hőmozgásának következménye. Amivel foglalkoznunk kellene, az a fajta zaj, amit a digitális környezettel körbevett analóg jelfeldolgozó egységek szednek össze.
    Amikor elkezdték alkalmazni az első PC-be való hangkártyákat, nagyon gyorsan előjött ez a probléma. Amint piacra kerültek az első 16 bites A/D, D/A konverterrel szerelt kommersz kártyák, már megismerhettük azt a fajta cicergést, pattogást, aminek a forrása tipikusan a kártyát körülvevő számítógép. Ha kétségünk lett volna a zaj eredetét illetően, elég volt megmozdítanunk az egeret, vagy kiváltani egy vincseszter műveletet, máris hallhattuk ennek következményeit a hangszóróban vagy a fejhallgatóban.
    Mi is okozza ezeket a zajokat?
    A számítógép belsejében ma már hatalmas sebességgel pörögnek a processzorok, és hasonló, 100 MHz és GHz nagyságrendű frekvenciák találhatók a grafikus processzorok valamint a rendszervezérlő chipek háza táján is. A memóriákkal folytatott adatátvitel és a bus rendszerekkel (PCI, PCIe) folytatott kommunikáció szintén ilyen magas frekvenciákon zajlik. Megjelentek aztán a SATA, USB, FireWire, LAN kapcsolatokhoz kapcsolódó soros átviteli szabványok is, amelyek szintén egyre gyorsabban működnek. Az adatforgalom persze nem úgy működik, mint a rádió, hogy folyamatosan egy fix frekvencián sugároz az adó, hanem az órajel frekvenciájának megfelelően rengeteg alacsonyabb frekvenciájú komponens is kimutatható, valamint sok aperiodikus jel is. Ahogyan éppen a gép működése és a futó szoftver azt meghatározza. A digitális rendszer működése nagyon "kemény", ami alatt azt értjük, hogy egy áramköri kivezetésen, ami aztán meghajt egy buszt, vagy más áramköröket, a "0" és '1" állapotok közti váltás rettentő gyorsan következik be. Muszáj, hogy így történjen, mert a nagyon magas működési frekvencia mellett csak akkor lehet megbízható a működés, ha egy 0 -> 1 átmenet vagy a fordítottja valódi, határozott négyszögjellel történik, a jel szélességéhez képest elhanyagolható idejű lefutással, felfutással. Mint tudjuk, az ilyen határozott négyszögjelek számos felharmonikust tartalmazó szinuszos komponensből tehetők össze a Fourier transzformációnak megfelelően. Ha mondjuk egy 1 kHz-es órajellel meghajtott digitális jelvezetékre, mint hangforrásra csatlakoznánk rá egy spektrumanalizátorral, ezeket a komponenseket mind ki tudnánk mutatni.
    A fenti eszmefuttatással nagyjából mindenki tisztában is van, azt azonban sokan nem értik, hogy miként jutnak rá ezek a rusnya, digitális eredetű jelkomponensek a hangkártyára, vagyis a rögzített vagy a lejátszott jelbe?
    Alapvetően két útja van ennek. Az egyik a már említett, rádiószerű sugárzás. Az IC-k lábai, a nyomtatott áramköri fóliacsíkok antennaként kisugározzák a zavaró spektrumot, a hangkártya hasonló méretű és kialakítású alkatrészei pedig gondosan össze is szedik ezeket.
A sugárzás útján átadott zajt árnyékolással lehet csökkenteni. Az ábrán például az E-MU 1212m PCIe kártyán nem öncélú dizájn elem az árnyékoló lemez, hanem valódi jelentősége van, hiszen árnyékol, és a hűtésben is szerepet játszik. Igaz, hogy a két panel közül csak az egyiken van ilyen. Azonban a tervezők a nyomtatott áramkör kialakításával, árnyékoló fóliákkal és a beültetett alkatrészek elhelyezésével is csökkenthetik az antenna hatást. A dolog mindig kétoldalú: a kibocsátó eszköz (pl. alaplap) felől is törekedni kell az alacsony sugárzásra, másrészt pedig a zavarérzékeny eszköz, (pl. hangkártya analóg része) felől is fokozottan észnél kell leniük a tervezőknek. Amúgy a számítógépek és más digitális berendezések tervezésekor is szempont az, hogy kifelé ne keltsen a megengedettnél nagyobb zavaró térerőt. Csak ugye a PC ház árnyékoló ketrec módjára valamelyest eleve gátat szab a kijutó zavaró jeleknek, a hangkártya pedig bent csücsül a zavarkeltés központjában.
    A másik védekezési módszer a hangkártya oldalon az analóg áramköri részeknél az alacsony impedanciás tervezés (LowZ). Ezzel megfelelő konstrukció esetén a termikus zajt is szépen csökkenteni lehet, és sokkal kevésbé lesz érzékeny a külső, digitális eredetű zavarokra az áramkör. Az egy másik kérdés, hogy a stúdiótechnikai megfejtő emberek manapság gyakran szapulják ezt a módszert, mondván, hogy füllel hallható hangminőség problémákat okozhat a jelben. Ennek a kérdésnek a részletes, pláne objektív taglalása messze kifeszítené a blog kereteit. Tény az, hogy a hangkártyák esetében nincs sok alternatívája az alacsony impedanciás analóg áramköri tervezésnek.
     Már jó pár éve rájöttek persze ezekre a dolgokra, hiszen amikor az első valóban stúdió minőségű kártyák megjelentek, a gyártóknak szembesülniük kellett a ténnyel, hogy hiába készítenek kiváló, gondosan megtervezett konvertereket, az analóg jel beszennyeződik ezzel a csúnya digitális szeméttel, és tönkreteszi a felvételeket. Ekkor kezdtek olyan megoldásokat alkalmazni, hogy vagy a teljes analóg részt kívül hagyták egy dobozban, vagy pedig kis impedanciás, szimmetrikus vezetékeken hozták be a már mindenképpen vonalszintűvé alakított jelet, ami aztán már sokkal kevésbé volt zavarérzékeny.

     A zavarok másik forrása nem az antenna-szerű sugárzás, hanem a digitális tápfeszültségbe "visszapofázó" áramkörök sok esetben "megrángatják" az analóg eszközök tápfeszültségét is. Az analóg áramkörök pedig ennek hatására hasonlóan viselkednek, mintha a sugárzott zavarjel a bemenetükre kerülne. Ez ellen szintén mindkét oldalon igen gondos áramköri kivitelezéssel, szűrő tagokkal (hidegítő elkók, szűrő induktivitások) lehet védekezni. Továbbá olyan műveleti erősítőket kell alkalmazni, amelyek eleve erősen elnyomják a tápoldali zavarokat. A kérdés persze itt sem roppant egyszerű, technológiai szinten elég nehéz korrekt megoldásokat kiagyalni, amik a gyakorlatban és elfogadható áron kivitelezhetők.

    Ezek után nagyon logikus lépésnek tűnik, hogy kihelyezzük a hangkártyát a gépből teljes egészében, és USB vagy FireWire kapcsolattal használjuk. Vagy mégsem? Ne felejtsük el, hogy az említett soros kapcsolatok is soros digitális kapcsolatot jelentenek. Vagyis a külső doboz is tartalmaz legalább egy USB vagy FW csatoló chipet, egy vagy több DSP-t a kiszolgáló alkatrészekkel,valamint az A/D és D/A konvertereket, és csak utána jön az analóg áramköri rész. Tehát itt ugyanúgy szembesülünk a digitális zavarok minkét fajtájával, a sugárzással és a tápon átmenővel. A különbség csak annyi, hogy hogy itt kisebb digitális zavarforrással van összezárva az analóg rész, igaz, hogy többnyire szorosabban is vannak egymás közelében.
    Bejön aztán még egy rettenet is, a földhurok. Ezzel persze csak akkor kell bajlódnunk, ha a külső egység (akár a PCI kártyás belső kártyához kapcsolódó doboz, akár az USB-n vagy FW-n kapcsolódó külső hangkártya) gagyi tápegységgel van ellátva, de ma már nagyon mást nem igazán gyártanak, csak ezeket a gagyikat. A földhurok annyival cifrázódik, hogy nem csak a hálózati 50 Hz-et hozza el nekünk igényesnek szánt felvételünkbe, hanem a tápegységek által a konnektoron át kinyomott digitális eredetű nagyfrekis zavarokat is.

    Mit lehetne tehát konklúzióként mondani? Megoldást jelent-e zavarok szempontjából a külső hangkártya? A saját tapasztalataim alapján azt tudom mondani, hogy önmagában ez nem jelent feltétlenül zavarvédettséget a digitális cicergésektől. Vannak nagyon jó belső kártyák és nagyon jó külső kártyák is, meg mindkettő ellenkezőjére is tudok példát. A külső eszközöket a notebookos használat lehetősége miatt mindenképpen lehet preferálni,  azonban ha asztali géppel dolgozunk, egyáltalán nem biztos, hogy egy jó drága külső eszközt kell befognunk a zavarvédettségre tekintettel. Az olcsóbb kütyükkel pedig tutira nem leszünk előbbre. 

A bejegyzés trackback címe:

https://bitzenede.blog.hu/api/trackback/id/tr962410312

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Prophecy · http://www.grapeski.com/ 2010.10.30. 23:11:53

En mar hosszu ido ota a kulso hangkartyakra eskuszom. A MOTU-m mar jopar eve szolgal husegesen es zajmentesen :)

dragi · http://digisample.hu 2010.10.31. 07:45:07

Vicces (illetve nem az), hogy a mai laptopok beépített hangkártyáin normális lehallgatásnál most is ki lehet szúrni ezeket a zavarásokat.
Persze nyilván ott az olcsósítás az elsõ szempont.

Kampokez 2010.10.31. 17:27:17

Miditom: köszönöm az extra gyors választ.

Elsősorban a tanulmányom ösztönzött a kérdésre, hogy megértsem ezt a jelenséget.
És amiért még foglalkoztatott a téma:
A Pro-Tools-al kapcsolatban hallottam erről a kinti egységes dologról, hogy mindent a saját rendszerében (dobozában) hajt végre, és a pc zajai nem befolyásolják a felvétel minőségét.
De a cikkedben épp megírod ennek az ellenkezőjét is. (USB, FW)
Mindenesetre azért egy 300 ezres tételű hangkártya nem fog ilyen gondot okozni, legyen az külső vagy belső?
Nyugtass meg :)

MidiTom · http://bitzenede.blog.hu 2010.10.31. 19:03:50

@dragi:
Ez így van. A laptopok 99%-ában annyira gyenge hangchip van, illetve annyira hanyag módon oldották meg a kimeneti és bemeneti analóg részeket, hogy ha például valaki egy nagyobb hangrendszerre zenebejátszás céljából köti rá, már akkor megbukik, és nem csak a földhurok miatt.
A kimeneteknél csak a bemenetek gyalázatosabbak. Többnyire se mikrofon bemenetről, se vonalról nem lehet értelmes felvételt készíteni. Sovány vigasz, hogy relatíve olcsón lehet kapni USB-s külső kártyákat, amik ha nem is csúcs minőségűek, a beépítettekhez képest nagyságrendekkel jobbak. Az egész dolog azért igazán érdekes, mert némelyik asztali gépbe való alaplapra már meglepően jó integrált hangkártyát raknak, ami ha profi célra nem is, de legalább szórakozni megfelel.

MidiTom · http://bitzenede.blog.hu 2010.10.31. 19:15:32

@Kampokez:
Megnyugtatlak: a profi cégek profi eszközei mentesek ezektől a felszedett zajoktól. A technológia adott, amivel ezek elkerülhetők, csak nyilván sokkal alaposabb tervezést és nagyon pontos kivitelezést igényel.
Amúgy érdekes, hogy vannak az olcsóbb típusok között is nagyon zajérzéketlen modellek, csak persze azoknál a konverterek és az analóg rész azért még nem annyira kiválóak, mint a magasabb árfekvésűekben.
Másrészt, amint a postban is írtam, a dolog két félen áll: az egyik a hangkártya, ami összeszedi a zizit (mi ezzel a szakkifejezéssel illetjük a digitális eredetű zajokat), a másik maga a gép, ami generálja ezeket. A postban nem tértem ki olyan dolgokra, mint például a videokártya helyes megválasztása. Sok esetben egy csapásra megoldja a bajokat. De lehetne csámcsogni az alaplapokon, a memóriákon, a belső kábeleken, és alapvetően a tápegységen. Amikor mi arról beszélünk, hogy "zenei PC", akkor egységesen tekintjük az egész hóbelevancot, és az alkatrészválasztást nagyon gyakran pont ezek a zaj szempontok határolják be.

djuice 2011.07.27. 00:56:34

Talán megérne egy hírblokkot a nemrég végetért Summer namm 2011, ui. az AKAI kijött egy pofás audiointerface-szel! Íme: www.musicradar.com/gallery/news/tech/summer-namm-2011-akai-eie-pro-audio-interface-unveiled-482959