偉大文獻：主板軟音效卡詳解

[ultraman]

主板軟音效卡詳解

可能很多用戶都會有這樣一種感覺，一些IT媒體、硬體廠商或是硬體方面的專家們在介紹一塊諸如INTEL810/815/815E、VIA693A/694X自帶音效卡的主板，或者其他相關硬體產品時，經常可以從他們的介紹中瞭解到其自帶音效卡是所謂的“軟音效卡”，且一般都是符合AC'97標準的，稱之為AC'97軟音效卡。在很多用戶的常規理解中，AC'97幾乎已經成為軟音效卡的代名詞，無法和高性能聯繫在一起，也是低檔整合主板特有的一個名詞。那麼，究竟這“AC'97”是何物？其設計思路又是怎樣的呢？
AC`97標準的提出
1996年6月，5家PC領域中頗具知名度和權威性的軟硬體公司共同提出了一種全新思路的晶片級PC音源結構，也就是我們現在所見的AC`97標準（AUDIO CODEC97）。這5家電腦公司包括了在主板晶片組領域佔有舉足輕重位置且市場佔有率第一的INTEL公司、音效卡業界的龍頭大哥新加坡的創新科技公司（CREATIVE LABS）、在MIDI領域享有盛譽的日本YAMAHA公司、晶片組製造大廠美國國家半導體及專門製造資訊處理器系統的美國ANALONG DEVICES公司。與此同時，AC`97標準同時也得到了國際上一些其他著名品牌廠商的大力支持和合作意向，其中包括比較著名的AZTECH LABS、CRYSTAL SEMICONDUCTOR、ESS TECHNOLOGY、OAK TECHNOLOGY公司等。從支持AC`97標準的各大公司陣容來分析，AC`97標準在當時的提出，其主要目的就是給未來的家用PC提供更出色、更高級的音源品質。AC`97標準作為一種全新的音源架構，主要就是針對於PC多媒體市場需求日益迫切的音源信號處理方式和音源硬體加速方式而強化的兩項弁遄A並據此提出了一種切實可行的解決方案。這種解決方案簡而言之，就是把它們全部集成在晶片組中，以此來形成一種全新的PC音源架構。可以想見，在不久的將來PC多媒體音效市場必將由此而引發一場深層次的革命，一如當年AGP標準對顯示卡業界的衝擊。
眾所周知，以往電腦音效廠商為了能夠在PC機上加強各種音效處理，特別是增強3D音效的部分，逐漸發展並提出了釵h技術規格來藉以加強3D音效。就象早期的ISA音效卡，由於其集成度不高，音效卡上散佈了大量元器件，後來隨著技術和工藝水平的發展，出現了單晶片的音效卡，只用一塊晶片就可以完成所有的音效卡弁遄C如YAMAHA719、ALS007、AD1816等，由於數位部分和類比部分同處在一塊上，很難降低電磁串擾對類比部分的影響，使ISA音效卡信噪比並不理想，一般只能達到60-75分貝。只有少數象創新AWE系列的高檔音效卡信噪比能達到80分貝以上。從目前觀之，發展最快、最成熟、最完善也是當前最重要的，當屬類比與數位兩種處理技術。重要的類比音效處理技術包括SRS（SOUND RETRIEVAL SYSTEM）-SRS LABS、SPATIALIZER-DESPER PRODUCTS、QXPANDER-QSOUND LABS等。而相對於數位音效技術，目前仍然主要利用DSP晶片來完成諸如3D立體音效的處理。儘管數位音效處理所花費的成本可能較之於類比音效處理技術要高出很多，但其具備能夠同時集成不同音源的優勢，並將會逐漸成為新一代音效處理標準。
因此可以這樣講，由5家業內廠商共同推出的新一代AC`97標準規格，從根本上改進了傳統的音源處理方式，首次採用了雙晶片結構。AC`97標準結合了數位處理和類比處理雙方面的優點，一方面減少了由類比線路轉換至數位線路時可能會出現的雜訊，營造出了更加純淨的音質；另一方面，將音效處理集成到晶片組後，可以進一步協助廠商降低成本。另外，從另一個角度來分析，隨著USB標準和IEEE 1394的日趨流行，而目前的PC聲音信號仍然只能通過PCI或ISA匯流排進行傳輸，也確實到了必須加以改進不可的時候了。時不我待，AC`97標準規格也正是面對這樣一個形勢應運而生的產物。對於最終用戶的消費者而言，既能夠得到比以前更為優質的高品質聲音，同時又能夠進一步降低自己的購置費用，一石而二鳥，何樂而不為呢？
97年後，市場上出現的PCI音效卡大多已經開始符合AC'97標準規範，把類比部分的電路從音效卡晶片可中獨立出來，成為一塊稱之為Audio Codec的小型晶片，如圖所示，左上角那塊WM9701就是Wolfson生產的AC'97晶片，中央的大晶片為FORTEMEDIA公司的FM801，可稱之為Digital Control，是數位部分，簡寫為DC'97晶片。DC'97完成大部分音效卡弁遄A如WAV重播，MIDI合成，音效處理等，再把PCM的數位信號通過與AC'97相連的5條引線送到AC'97晶片中，由AC'97晶片完成數位和類比信號的轉換後輸出到音箱。別看AC'97晶片只有7X7mm見方，48腳的TQFP封裝，它比普通DAC能完成更多的弁遄A還包含有把類比信號轉換為數位信號的ADC，多路類比信號混合輸入及輸出，就象音響中的數位編碼/解碼器和前置巧顒漣@用。如圖1右上角的VIDEO的PHONE介面，可以聯接第二隻CDROM和電視卡的音頻輸出。不同AC'97晶片之間引腳相容，原則上可以互相替代，購買音效卡時可注意一下AC'97晶片的型號，因為AC'97晶片生產廠商眾多，性能也大不一樣。早期的PCI音效卡售價高，材料也用得足，如YAMAHA724音效卡上的AC'97晶片採用了SigmaTel的STAC97系列，而後期為了降低成本，採用了廉價的AC'97晶片，性能不升反降，購買時一定要注意。不妨先看看高檔音效卡上的AC'97晶片，記下其型號和廠商，以備在選購音效卡時對照。SigmaTel的STAC97系列常用於高檔音效卡，如創新的PCI128 Digital採用了STAC9708晶片，支援四聲道輸出。SigmaTel最新的STAC9744晶片信噪比高達96分貝。象AD、Crystal、華邦等廠商生產的AC'97晶片性能比它低，但大多數能達到80分貝的信噪比，常見於中低檔音效卡和主板集成音效卡中。有的音效卡宣稱信噪比是如何優秀，其實並不是採用何種主晶片的關係，是全仗採用AC'97晶片性能的優秀。普通AC'97晶片十萬塊售價為4美元左右，名牌的產品價格更高。這使有的音效卡生產廠商改變電路設計，市場上常見售價低於100元的音效卡就沒有採用AC'97晶片，象CMI8738、ALS4000、VIBRA128等，是單晶片結構，數位部分和類比部不分離，雖然降低了成本，不過信噪比是達不到80分貝的。現在可以回過頭來看主板上的AC'97音效卡是怎麼回事了，自VIA和INTEL相繼在南橋晶片中加入音效卡的弁遄A通過軟體類比音效卡，完成一般音效卡上主晶片的弁遄A音頻輸出就交由一塊AC'97晶片完成。所以這類主板看不到上面有較大的音效卡晶片，只有一塊小小的AC'97晶片。與直接集成的硬音效卡相比，由於採用軟體類比，CPU佔用率比一般音效卡高，如果CPU速度達不到要求或因為驅動軟體問題，就很容易會產生爆音影響音質。為解決類似問題和提高性能，有的主板採用了集成硬音效卡的方式，較正規也符合AC'97標準，有一塊較大的主流音效卡晶片，還有一塊較小的AC'97晶片。而低成本集成音效卡往往採用不符合AC'97標準的音效卡，如CMI8738等四聲道音效晶片，其晶片成本與較高檔AC'97晶片也高不到那裏去，但用戶更樂意接受硬音效卡，而不去關心其是否另帶AC'97晶片。
AC`97標準的規格
採用雙晶片的PC聲音解決方案；
兩種標準的封裝方式：48針和64針；
數位/類比信號分離，全面改善信噪比（>90db）；
16位身歷聲全雙工codec、固定48K採樣頻率；
4種模擬身歷聲輸入，分別來自LINE、CD、VIDEO、AUX；
兩種類比單聲道輸入，分別來自麥克風和PC喇叭；
可從兩個外接音源交換的單聲道麥克風進行輸入；
高品質的CD輸入；
身歷聲線性輸出；
電話單聲道輸出；
支援電源管理；
可選音調控制；
可選高音控制；
可選3D身歷聲增強；
可選身歷聲耳機輸出；
可選18或20位DAC及ADC分辯；
可選MODEM線性codec（ADC和DAC）；
可為麥克風選擇第三個ADC輸入通道。
由上述不難看出，AC'97標準對於電路的要求更加嚴格。根據AC'97標準的規定，由於IC電路集成度較高，將DAC、ADC及其它相關的數位電路集成成為晶片形式後，不僅能夠減少整個系統的設計成本，同時也可以獲得更好、更有效的聲音效果。這一點完全可以從其信噪比至少要求90db可以看出。此外，由於採用了雙晶片的設計形式，廠商們在設計方面也可以更加靈活，更易於在整個系統中的集成。同時，從某種意義上講，AC'97標準也為另外一個重要課題，即百分之百數位音效PC提供了一套完整的解決方案。那麼，新的概念又來了，什麼是百分之百數位音效PC呢？顧名思義，即在一部PC中，所有的聲音來源或輸出都是採用數位方式來處理的，即使是在電腦內部，所有聲音也都將以數位的方式來傳輸。利用這種方式，用戶們想來就可以得到更好的聲音效果，避免了數位線路與類比線路轉換過程中可能產生的大量雜訊。以前，受成本、保持向下相容以及無法有效利用PC資源系統等諸多因素的影響（如CPU、RAM、匯流排），百分之百數位音效PC一直沒有一套切實可行的解決方案。AC'97標準正是妥善考慮到了這一點，提出了“與匯流排無關”的聲音輸出概念。在這個方案中，聲音信號仍然可以通過傳統的匯流排方式傳輸，如ISA或PCI。但現在它也能重新導向至USB或IEEE 1394匯流排，所以無論類比輸出（DAC做在PC內部，聲音輸出到標準身歷聲音箱）還是數位輸出（DAC做在PC外部，聲音輸出到USB或IEEEE 1394連接器，即所謂的USB音箱等）均可以隨心所欲，任意左右。
AC'97的硬體加速機制
傳統的音效硬體加速方式：IN-LINE

以下筆者就以播放DVD為例，先來簡單說明一下傳統的音效處理加速方式。
眾所周知，一部電腦在播放DVD-ROM時，CPU處理器肯定是先把編碼過的杜比AC-3聲音從MPEG-2影片中分離出來，並將其放置在DRAM緩衝區內，再通過AC-3硬體解壓縮設備從DRAM的緩衝區內將音效資料提出、解碼，最後與5.1聲道混合成為雙聲道輸出，最終達成IN-LINE音效硬體加速的目的。
明白了這一點，下面再讓我們一起來對比看一看AC'97標準的音效硬體加速方式：multi-trip
符合AC'97標準規格的晶片組與傳統的音效輸出方式不同，此時的音效資料可以改向傳至USB或IEEE 1394。其具體實現主要有以下幾個步驟：第一步先由AC-3硬體加速裝置從DRAM中提取出CPU處理器事先已經分離出的資料；第二步由AC-3執行解壓縮與混音操作，把合成後的資料重新送入DRAM中的另一塊緩存區。這時會產生一個中斷信號，以此來告訴作業系統，合成聲音資料已經準備完畢；第三步作業系統會協同CPU處理器將已經處理好的聲音資料轉移到新的緩衝區，然後將資料送入USB管道，等待輸出；最後一步是USB控制器取得相關的聲音資料後將其送至相對應的數位揚聲器。
如何在系統中實現AC'97的標準
為了讓廠商真正將符合AC'97標準的晶片組順利移植到主板上，INTEL公司建議設計者採用以下三種方式：
一是，將控制器和聲音解碼晶片全部都整合在主板上，讓這二者通過AC-LINK加以溝通。這樣做的好處在於，晶片組與主板之間的整合度可以達到最佳；
二是，將控制器做在主板上，而將聲音解碼晶片做在介面卡上，讓二者仍然通過AC-LINK進行溝通。這樣一來，用戶便可以比較靈活地選擇解碼晶片。另外，在介面卡上也可以選擇性地添加modem語音部分的傳輸弁遄C
三是，將控制器和解碼晶片全部都做在卡上，通過32或64位元PCI匯流排與其他外設進行溝通。當然，採用IEEE 1394或USB與主板通信也是可行的，只要控制器能夠支援IEEE 1394或USB介面便可以了。當然，除此之外還要搭配一條SIDEBAND HEADER的信號線，完成控制器與主板的連接。應該說，採用這種方式的設計難度最小，主板設計廠商們只要在自己的主板上預留出SIDEBAND HEADER的信號線插座及相關的電路便一切OK了。
AUDIO'98
在INTEL等公司制定的AC'97標準規格之後，針對進來的音源規格，INTEL又提出了一種新的構思，也就是這個AUDIO'98標準。在AUDIO'98標準中，大家不難看到以下弁鄔M技術方面的增強：
一是，進一步增強了CPU處理器的效能利用。當CPU效能增加時，用戶可以利用電腦軟體提供更多的音效處理弁遄F
二是，集成了不同的弁鉬搢D。全面提高音效控制器與主板上其他設備的集成程度，將聲音介面以低成本的方式納入SUPER IO或者其他類似的晶片組之中；
三是，加入外接式裝置的延伸匯流排。利用這種外接式裝置的延伸匯流排可以進一步增大系統設計的靈活性，使用戶更加方便地進行升級。最終要以USB匯流排取代現在的ISA匯流排。可以想見，用戶對於PC聲音的品質要求會變得越來越嚴格。通過各大廠商和設計公司的努力，相信總有一天，操作電腦會如家電一樣更為簡單、實用，新一代的資訊家電就在眼前。