Soundkarte

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PCI-Soundkarte, höherwertige Ausführung mit integrierter Firewire-Schnittstelle


Eine Soundkarte (auch Audiokarte, selten Tonkarte, engl. Sound Card), im eigenen Gehäuse auch Audio-Interface, ist derjenige Teil der Hardware eines Computersystems, welcher analoge und digitale Audiosignale verarbeitet. Zu den Aufgaben einer Soundkarte gehört die Aufzeichnung, die Synthese, Mischung, Bearbeitung und die Wiedergabe von Tonsignalen.

Der Anschluss erfolgt heute (2014) intern über den PCI- bzw. PCI-Express-Bus oder extern über die USB-Schnittstelle, PCMCIA- oder ExpressCard-Steckplatz, im professionellen Bereich auch über FireWire. Ältere Soundkarten werden über den ISA-Bus angeschlossen. Einige Soundkarten lagern das Anschlussfeld in ein Frontmodul (5,25″-Einschub) oder ein externes Gehäuse aus, die sogenannte „Breakout Box“.

In den 2000ern wandelte sich die typische Soundkarte im Zuge der fortschreitenden Elektronikintegration von einer physisch austauschbaren Karte zu einem fest-aufgelötetem Mikrochip. Bei Benutzern, die einen erhöhten Anspruch an Klangqualität oder Performance haben oder umfangreichere Anschlussmöglichkeiten benötigen, sind jedoch dezidierte Soundkarten weiterhin in Gebrauch. Der Performancevorteil existiert jedoch nur bei Soundkarten, die einen eigenen Prozessor haben, da dieser die CPU entlastet.

Geschichte[Bearbeiten]

Erste Soundkarten tauchten ab 1983 für den Apple II auf dem Markt auf (z. B. Mockingboard), waren aber noch Nischenprodukte, die nur von relativ wenigen Spielen unterstützt wurden. Es waren reine Synthesekarten, das Abspielen von Samples war wegen der kleinen Speicher jener Zeit noch nicht sinnvoll realisierbar. Im PC-Bereich wurden sie ab ca. 1989/90 populär, als sich mit den AdLib- und Soundblaster-Karten erstmals ein über den simplen Systemlautsprecher hinausgehender Standard entwickelte.

Holten die ersten Modelle noch die bereits Jahre zuvor im Heimcomputer-Bereich vollzogene Entwicklung im PC-Bereich nach, so gingen die klanglichen Fähigkeiten der PC-Soundkarten bereits mit Erscheinen der Roland LAPC-I, die allerdings auch etwa 1000 DM kostete, über die der Heimcomputer hinaus. Das war ein wesentlicher Faktor beim Zusammenbruch des Heimcomputer-Marktes und der Übernahme der Marktposition „Spielcomputer“ durch die vorher fast nur als Bürorechner dienenden PCs.

Die ISA-Soundkarten der ersten Generation weisen oft zusätzliche IDE-Anschlüsse für CD-ROM-Laufwerke auf, die ebenfalls in dieser Zeit aufkamen. Neben Anschlüssen für proprietäre CD-ROM-Laufwerke, meist „Sony“, „Mitsumi“ und „Panasonic“ ist oft auch ein IDE-Anschluss (secondary IDE, IRQ 15, IO-base 0x170) vorhanden, was in damals moderneren PCs, die bereits mit zwei IDE-Anschlüssen ausgestattet sind, oft zu Problemen führt, da nun die Ressourcen für den zweiten IDE-Anschluss doppelt belegt werden. Spätere ISA-Soundkarten verzichten auf diese Anschlüsse, sind dafür aber bereits Plug&Play-fähig. Lediglich ein Anschluss zur analogen Übertragung von Audiosignalen vom CD-ROM-Laufwerk zur Soundkarte ist noch vorhanden.

Die Anfang der 1990er erschienene PC-Soundkarte Gravis Ultrasound bot Hardware-Mixing mit bis zu 32 Hardwareausgabekanälen und Panning an,[1] konnte sich jedoch nicht (außer in der Demoszene und bei Trackern) im Markt durchsetzen. Dies einerseits, da sie nicht vollständig kompatibel zu den vorherrschenden Soundkarten war, und auch weil sich mit wachsender Rechenleistung das günstigere Software-Mixing der Soundblaster-Karten durchsetzte, Hardware-Mixer sind seitdem unüblich.

Waren zuerst die meisten Soundkarten mehr oder weniger direkte Nachbauten einiger weniger verbreiteter Modelle, so änderte sich das nach der Einführung von Microsoft Windows 95. Da Windows-basierte Spiele nicht mehr direkt die Hardware der Soundkarte ansprechen mussten, wie zuvor die MS-DOS-basierten Spiele, sondern das über normierte Treiber geschah, waren dem Hardwareaufbau der Karten kaum noch Grenzen gesetzt.

Es gibt wesentlich mehr unterschiedliche Soundkarten als Sound-Chipsätze am Markt. Viele hochwertige Soundkarten von unterschiedlichen Herstellern benutzen zum Beispiel den Chipsatz envy24, der seit Ende der 1990er Jahre weitgehend unverändert hergestellt wird.

Seit ca. dem Jahr 2000 wurden die grundlegenden Audiofunktionen in den meisten Hauptplatinen integriert, so dass gesonderte (dedizierte) Soundkarten nur noch bei höheren Ansprüchen an Qualität bzw. Funktionalität verwendet wurden. Inzwischen werden sogar HD-Audiocodecs - wie z. B. der ALC888 und der ALC889 des IC-Herstellers Realtek - für die sog. „Onboard-Sound“-Lösungen verwendet. Wenn man von Creatives X-Fi-Serie und ein paar wenigen anderen Modellen weiterer Hersteller absieht, dann sind diese Chips leistungsfähiger als die meisten altbekannten Soundkarten und vor allem als ältere Soundcodecs. Den Schwachpunkt bei der Tonausgabe am Computer stellen heute eher die Lautsprecher dar.

Computer werden zunehmend auch für professionelle Musikproduktionen eingesetzt. Rechenleistung und Arbeitsspeicher genügen seit Ende der 1990er Jahre für die Signalverarbeitung in vergleichsweise billigen Computern. Die Kombination aus handelsüblichem PC und hochwertiger Soundkarte bzw. -chipsatz hat seitdem die vorher üblichen spezialisierten Geräte für Aufnahme und Schnitt von Audio im Studio weitgehend verdrängt. Um eine der Studioproduktion angemessene Signalqualität zu erzielen, werden oft Sound-Interfaces verwendet, die nicht direkt in den Computer eingebaut sind. Sie werden meist über ein FireWire-Kabel oder über eine spezielle PCI-Karte mit Breakout-Kabel an den Rechner angeschlossen. Durch die Entkopplung der Audiosignale vom restlichen PC und dessen Störsignalen wird eine Tonqualität erreicht, die auch professionellen Ansprüchen gerecht wird. Für Musikproduktion eignen sich sowohl IBM-kompatible PCs als auch Apple-Macintosh-Computer. Letztere gelten als besonders für Audioverarbeitung optimiert. Für den professionellen Einsatz gedachte Sound-"Karten" lassen sich meist sowohl mit Macs als auch mit PCs verwenden.

Die Hersteller bieten sowohl für einfache als auch professionelle Soundkarten Treibersoftware für Microsoft Windows und Mac OS X an. Freie Projekte entwickeln Treiber, mit denen sich mittlerweile viele professionelle und die meisten einfachen Soundkarten auch mit Linux nutzen lassen, wobei in einigen Fällen nicht alle Funktionen der Soundkarte genutzt werden können.

Beispiele[Bearbeiten]

Aufbau[Bearbeiten]

Basis einer Audiosignal-Verarbeitung im PC ist ein A/D-Wandler, der analoge Audiosignale am Eingang digitalisiert, und ein D/A-Wandler, der digitale Audiosignale am Ausgang in analoge Audiosignale umwandelt. Beide Wandler sind oft auf demselben Chip integriert.

Ein- und Ausgänge[Bearbeiten]

Ein- und Ausgänge existieren in unterschiedlichen Ausführungen: analog, digital oder via MIDI.

Analog[Bearbeiten]

Es gibt analoge Ein-/Ausgänge in Form von Klinkenbuchsen oder Cinchbuchsen. Bei modernen nicht-professionellen Karten, wie auch auf ATX-Hauptplatinen mit integriertem Soundchip oder bei den Audiobuchsen an der Frontseite moderner Computer, sind diese Steckbuchsen zusätzlich zu einem in der Regel eingeprägten Symbol nach internationalem Standard farblich gekennzeichnet (siehe auch Kennfarbe).

farbcodierte Anschlüsse an einer Soundkarte (Jahr 2008)
Farbe Funktion
  rosa Eingang für Mikrofon (mono).
  blau Line-In / Eingang für AUX/externe Quellen (Stereo).
  grün Line-Out / Ausgang für Kopfhörer- oder (Front-)Lautsprecher (stereo)
  schwarz Ausgang für Rücklautsprecher [engl. rear speakers] (stereo)
  weiss Ausgang für Seitenlautsprecher [engl. side speakers] (stereo)
  orange Ausgang für Center- und Tiefbass-Lautsprecher [engl. center speaker, subwoofer]

Während bei nichtprofessionellen Karten die Klinkenbuchsen (außer dem Mikrofoneingang) üblicherweise für das Weiterleiten von Stereosignalen ausgelegt sind, wird bei professionellen Karten pro Klinkenbuchse nur ein Mono-Signal in symmetrischer Übertragungstechnik weitergeleitet.

Technische Daten der Audioeingänge[2]:

  • LINE-IN: Normpegel 1 Volt (je nach Soundkarte ±0,7 Volt bis zu |Uss| max. 2 Volt), Eingangswiderstand 20…70 kOhm
  • MIC-IN: maximaler Eingangspegel je nach Soundkarte von 20 mV bis max. -100…+100 mV (siehe auch Mikrofoneingang)
  • LINE-OUT: 1 Volt Normpegel (je nach Soundkarte ±0,7 Volt bis zu |Uss| max. 2 Volt, Quellwiderstand <50 Ohm bis 1 kOhm)
  • AD/DA-Wandler Auflösung: bis 24 Bit,
  • Samplingrate: variabel bis zu 192 kHz (je nach Soundkarte) [3] [4]

Samplingraten von 44,1 bzw. 48 kHz sind zur Wandlung in Niederfrequenz-Signale (Hörgrenze 20 kHz) gemäß dem Abtasttheorem hinreichend - höhere Samplingraten bringen bei Audiosignalen kaum Qualitätsgewinn. Allgemein kann bei der A/D-Wandlung (Digitalisierung) eine Überabtastung Sinn machen, wenn im Niederfrequenzsignal relevant hohe Anteile >20 kHz enthalten sind, weil diese nicht ausreichend herausgefiltert werden konnten.

Mikrofoneingang[Bearbeiten]

Die Mikrofoneingänge einfacher Soundkarten oder onboard-„Soundkarten“ sind in der Regel nicht ausreichend empfindlich, um Signale von dynamischen Mikrofonen (oft unter 1 mV) genügend gut wiedergeben zu können.

Nach AC’97-Standard liegt hinter dem Mikrofoneingang ein 20 dB-Vorverstärker (Spannungsverstärkung also 10fach).

Elektretmikrofone mit eingebautem Impedanzwandler liefern zwar ausreichenden Pegel (einige 10 mV), benötigen jedoch - sofern sie keine eigene Spannungsversorgung haben - eine sogenannte Tonaderspeisung.

Hierzu liefert bei AC´97-kompatiblen Soundkarten (siehe AC´97 Standard: Mikrofonanschlussproblematik) der mittlere Ring der Klinkenbuchse des Mikrofoneinganges über einen Widerstand (ca. 1…2 kOhm) eine Spannung (5 Volt). Die Spitze des Mikrofon-Klinkensteckers kontaktiert den Mikrofon-Signaleingang.

  • zweipolige Elektretmikrofone können den mittleren Ring mit dem Kontakt an der Spitze (Signaleingang) verbinden und arbeiten so auf den Widerstand im PC als Arbeitswiderstand (siehe hierzu Emitterschaltung)
  • Elektret-Mikrofon-Lösungen für besseren Störabstand sieben diese oft störungsbehaftete Spannung zunächst und verwenden einen eigenen Arbeitswiderstand.
  • Mono-(Mikrofon-)Klinkenstecker schließen die Tonaderspeisung schadlos kurz

Die Tonaderspeisung nach AC´97 kann wegen der geringen Spannung nicht als Phantomspeisung für die Verstärker von Kondensatormikrofonen dienen und ist mit 5 Volt auch geringer als die T-12 Norm (12 Volt) einer „richtigen“ Tonaderspeisung.

Dynamische Mikrofone mit Stereo-Stecker oder symmetrischem Klinkenstecker werden durch die auf wenige Milliampere strombegrenzte Spannung dieser Tonaderspeisung zwar nicht geschädigt, benötigen jedoch meist einen externen Mikrofonverstärker.

Digital[Bearbeiten]

Soundkarten können auch digitale Ein-/Ausgänge in optischer oder koaxialer Form im S/PDIF-Format oder im AES/EBU-Format als XLR-Stecker besitzen.

MIDI und Gameport[Bearbeiten]

MIDI Kabel für den Game Port der Soundblasterkarte AWE von Creative

Manche Soundkarten enthalten auch einen Gameport, meist mit MIDI-Anschluss auf derselben Buchse. Die Datenübertragung über den Gameport funktioniert bei Verwendung als Gamecontroller (z. B. Joysticks oder Gamepads) analog, bei Verwendung als MIDI-Anschluss digital. Früher war dieser Gameport auf fast allen Soundkarten vorhanden, bei den meisten modernen Soundkarten wird darauf verzichtet, da neuere Gamecontroller in der Regel über die USB-Schnittstelle an den Computer angeschlossen werden und Windows ab Vista den Gameport nicht mehr unterstützt.

USB und FireWire[Bearbeiten]

USB-Soundkarten mit und ohne Kabel

Gute Tonqualität ermöglichen auch viele externe Audiointerfaces, die via USB oder FireWire mit dem Computer verbunden werden. Gute Geräte dieser Art bieten oft auch hochwertige Mikrofonvorverstärker, einen Hardwaremixer und teilweise mehr als acht parallel nutzbare Audioeingänge sowie meist einen S/PDIF-Anschluss für die Synchronisation mit einer weiteren Soundkarte.

Anschlusserweiterungen[Bearbeiten]

Front der Breakout-Box einer Soundkarte (2006)

Dem begrenzten Platz auf einem Slotblech wird bei manchen Modellen mit zusätzlichen Kabelpeitschen (einem speziellen Kabel mit vielen Anschlussmöglichkeiten, das den Joystick-Port belegt) oder einer „Breakout Box“ (einem Zusatzmodul in Form eines Einschubs für einen 5,25″-Schacht oder eines externen Gehäuses) begegnet.

Manchmal wird auch eine zusätzliche Slotblende verwendet, die im Gehäuseinneren mittels eines Kabels mit Anschlüssen auf der Soundkarte verbunden wird.

Klassifizierung[Bearbeiten]

Qualitativ unterscheiden sich Wandlerkarten durch die mögliche Bit-Auflösung (Wortbreite, 8 Bit, 16 Bit oder 24 Bit), maximale Abtastrate (z. B. 22, 44, 96 oder 192 kHz), Rauschverhalten, Frequenzgang, Abschirmung gegen rechnerinterne Störsignale und die maximale Anzahl der Kanäle.

Viele Soundkarten unterstützen verschiedene Soundausgabestandards wie EAX, DTS-ES, oder ASIO. Normale heutige Soundkarten verfügen zudem im Gegensatz zu den Onboard-Varianten über einen Beschleunigerchip, der der CPU einiges an Rechenarbeit abnimmt. Einige Billig-Soundkarten verzichten jedoch darauf.

Consumerkarten[Bearbeiten]

Bis etwa Ende der 1990er Jahre enthielten diese Karten oft noch einen FM-Synthesizer-Chip, der das Abspielen von elektronischer Musik durch Klangsynthese und ohne die Nutzung von Samples (digitalisierten Klängen) ermöglichte, was Rechenbedarf und Speicherverbrauch stark verringerte, aber auch weniger flexibel war als die Sample-basierte Wiedergabe. Der nächste die Klangqualität verbessernde Schritt war die Implementierung einer einheitlichen Schnittstelle zur Erweiterung der Soundkarte mittels Wavetable. Aufgrund stetig steigender Rechenleistung und Speichergröße erfolgt die FM- oder Wavetable-Synthese heute softwareseitig mittels Software-Synthesizern. Dadurch wurden FM-Synthesizer-Chip wie auch Wavetable-Erweiterungs-Option weitestgehend unnötig.

Professionelle Karten[Bearbeiten]

Professionelle Karten, die in Tonstudios und DAWs zum Einsatz kommen, werden auch als Recordingkarten bezeichnet. Solche Karten können zumeist mehrere Kanäle getrennt aufnehmen, was beispielsweise bei Schlagzeugaufnahmen oder Aufnahmen von mehreren Musikern bzw. Schallquellen gleichzeitig sinnvoll ist. Sie können grundsätzlich full-duplex arbeiten, also gleichzeitig wiedergeben und aufnehmen. Außerdem werden höherwertige A/D- und D/A-Wandler verwendet, als bei Consumer-Soundkarten. Zudem wird beim Layout der Platine auf die Besonderheiten der EMV Rücksicht genommen und die analogen Schaltungsteile passend abgeschirmt. Die Qualität des aufgenommenen Signals steht in diesem Marktsegment im Vordergrund; der auf Consumer-Soundkarten übliche Gameport für den Anschluss eines Joysticks ist bei professionellen Karten nicht vorhanden. Zur gänzlichen Vermeidung von Störgeräuschen durch die elektromagnetischen Felder im Inneren des Rechners werden die A/D- und D/A-Wandler bei professionellen Geräten häufig in externen Gehäusen („Breakout Box“) untergebracht.

Soundscape Mixtreme mit TDIF-Anschluss und integriertem DSP

Häufig existieren neben analogen und digitalen Ein- und Ausgängen im S/PDIF-Format auch mehrkanalige digitale Audioschnittstellen im ADAT- oder (seltener) TDIF-Format, über die man die Karte mit externen Wandlern und digitalen Mischpulten verbinden kann.

Einige Modelle (so zum Beispiel das im professionellen Bereich weit verbreitete Pro Tools/TDM-System) sowie die System von Universal Audio und Soundscape enthalten außerdem DSP-Chips, welche die gesamte Bearbeitung und Zusammenmischung der Datenströme samt komplexen Effekten direkt auf der Karte gestatten und somit den Hauptprozessor des Rechners nicht belasten. Die Karten können dadurch völlig autark arbeiten; die Effekte und die Mischeinstellungen werden lediglich durch die PC-Software eingestellt.

Soundchip auf der Hauptplatine[Bearbeiten]

AnalogDevices AD1888 AC'97 codec

Erste Versuche, auf ia32-kompatiblen Hauptplatinen einen Soundchip zu integrieren ("onboard sound chip"), wurden Ende der 1990er Jahre unternommen. Dabei handelt es sich um Hauptplatinen mit dem Super-Sockel 7 für AMD K6-2 Prozessoren oder dem Slot 1 für Intel Pentium II Prozessoren. Bei diesen Soundchips handelt es sich logisch um ISA-PnP-Geräte, deren Konfiguration sich mitunter problematisch gestaltet. Die Funktionalität dieser ersten Soundchips beschränkt sich auf Stereo-Audiowiedergabe und Eingänge für Hochpegel und Mikrofon, wobei insbesondere der Mikrofoneingang oft wegen starker Störeinstrahlungen praktisch nicht nutzbar ist. Die Aufnahme- und Wiedergabequalität kann maximal auf „Stereo 44,1 kHz 16-Bit“ eingestellt werden. Außerdem wird eine MIDI-/Gameport-Schnittstelle bereitgestellt. Ungefähr seit dem Jahr 2000 werden die grundlegenden Funktionen von Soundkarten zunehmend häufig durch einen Soundchip auf dem Hauptplatine bereitgestellt. Bei diesen Soundchips handelt es sich logisch um PCI-Geräte, was die Konfiguration gegenüber der ISA-PnP-Variante meist etwas vereinfacht. Anfangs boten diese PCI-Soundchips nicht mehr Funktionalität als die ISA-PnP-Variante. Mit der Zeit wurden aber weitere Funktionen hinzugefügt und auch der Signal-Rausch-Abstand verbessert. Aktuell finden sich auf den Hauptplatinen meist Soundchips, die 7.1-Audiowiedergabe und Eingänge für S/PDIF, Hochpegel und Mikrofon bieten. Die früher übliche MIDI-/Gameport-Schnittstelle ist hingegen weggefallen.

Hersteller (Auswahl)[Bearbeiten]

Consumer-Hardware
Musikerorientierte Sound-/Recordingkarten

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Soundkarte – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Soundkarte – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Stefan Göhler: 1991 - Konkurrenz! - (Advanced) Gravis Ultrasound. In: Phonomenal!. crossfire-designs.de. S. 9. Abgerufen am 21. Januar 2012.
  2. http://didaktik.physik.fu-berlin.de/~nordmei/PhysikKunstMusik/Literatur/AkustikmitderSoundkarte.pdf Verwendung von Soundkarten als Messkarte
  3. http://www.asus.com/Multimedia/Audio_Cards/Xonar_D1#specifications
  4. http://www.auzentech.com/site/products/x-meridian2g.php