Como funcionam as placas de som

Introdução

Antes da invenção da placa de som, um PC conseguia reproduzir um único som: um bip. Embora o computador fosse capaz de alterar a freqüência e a duração do bip, não havia como alterar o volume ou criar outros sons.

Inicialmente, o bip agia como um sinal ou uma advertência. Posteriormente foram desenvolvidas músicas para os primeiros jogos de computador utilizando bips com diferentes espaçamentos e durações. Essas músicas não eram muito realísticas. Você pode ouvir uma amostra de algumas dessas trilhas sonoras em Crossfire Designs (em inglês).

Imagem cedida por HowStuffWorks Shopper
Placa de som de um PC

Felizmente, a capacidade de som dos computadores evoluiu significativamente nos anos 80, quando diversos fabricantes introduziram placas adicionais dedicadas ao controle do som. Hoje, um computador com uma placa de som pode fazer muito mais do que um bip. Pode reproduzir áudio 3D para jogos ou som surround para reprodução de DVDs, além de poder capturar e gravar sons de fontes externas.

Neste artigo, você aprenderá como uma placa de som permite que um computador produza e grave sons reais em alta qualidade

Som 3D x som surround sound

Projetistas de jogos utilizam som 3D para oferecer um som rápido e dinâmico que muda de acordo com a posição de um jogador dentro do jogo. Além de utilizar sons de diferentes direções, essa tecnologia permite reproduções de som realísticas que desviam ou atravessam obstáculos. O som surround também utiliza o som de diversas direções, mas não muda baseado nas ações do usuário. Ele é mais comum em home theaters.

Analógico x digital

Os sons e os dados do computador são fundamentalmente diferentes. Os sons são analógicos, feitos de ondas que viajam pela matéria. As pessoas escutam sons quando essas ondas fazem vibrar seus tímpanos. Computadores, no entanto, comunicam-se digitalmente utilizando impulsos elétricos que representam 0 e 1. Assim como uma placa de vídeo, a placa de som traduz a informação digital de um computador para informações analógicas do mundo exterior e vice-versa.

O som é feito de ondas que viajam por um meio, como a água e o ar

A placa de som básica é uma placa de circuito impresso que utiliza quatro componentes para traduzir as informações analógicas e digitais :

• um conversor analógico/digital (ADC)
• um conversor digital/analógico (DAC)
• uma interface ISA ou PCI para conectar a placa de som à placa-mãe
• conexões de entrada para o microfone e de saída para os alto-falantes

Em vez de conversores A/D e D/A separados, algumas placas de som utilizam um chip codificador/decodificador, também chamado de CODEC, que realiza as duas funções.

Uma placa de som tem que realizar a tradução entre ondas de som e bits e bytes

Na próxima seção, abordaremos as conversões analógico/digital e digital/analógico que acontecem na placa de som.

X-Fi

Um dos mais recentes avanços na tecnologia de placas de som é o X-Fi, ou Xtreme Fidelity (Extrema Fidelidade), da fabricante da SoundBlaster, a Creative. Abaixo estão relacionadas as características do X-Fi.

• "Active Modal Architecture" (Arquitetura Modular Ativa), que proporciona opções de som para jogos, lazer ou criação de músicas.
• Um Processador Digital de Sinais (DSP) com 51 milhões de transistores.
• Mecanismos de processamento múltiplos, cada um realiza operações específicas de som.
• Um Cristalizador de 24 bits, que compensa parte da perda de qualidade sonora natural da gravação de CD de 16 bits.

O ExtremeTech (em inglês) possui um artigo didático com detalhes das características do X-Fi.

Conversores analógico/digital e digital/analógico

Imagine utilizar seu computador para gravar sua voz. Primeiro você fala em um microfone conectado à sua placa de som. O conversor analógico/digital traduz as ondas analógicas da sua voz em dados digitais que o computador possa entender. Para fazer isso, ele cria uma amostragem ou digitaliza o som medindo as ondas de maneira precisa em intervalos freqüentes.

O conversor analógico/digital mede as ondas de som em intervalos freqüentes

O número de medidas por segundo, chamado de taxa de amostragem, é medido em Hz. Quanto mais rápida for a taxa de amostragem de uma placa de som, mais precisa será a reconstrução da onda.

Se você fosse reproduzir a sua gravação pelos alto-falantes, o conversor D/A faria o processo inverso do conversor A/D. Com medições precisas e uma rápida taxa de amostragem, o sinal analógico restaurado pode ser quase idêntico à onda de som original.

Contudo, mesmo altas taxas de amostragem causam alguma redução de qualidade no som. O processo físico de transporte do som por cabos também pode causardistorção. Os fabricantes utilizam duas medidas para descrever essa redução na qualidade do som:

• distorção harmônica total (THD – Total Harmonic Distortion), expressada em percentagem
• relação sinal/ruído (SNR – Signal to Noise Ratio), medida em decibéis

Tanto para a THD quanto para a SNR, valores menores significam maior qualidade. Algumas placas possuem uma entrada digital, o que permite o armazenamento de gravações digitais sem convertê-las para o formato analógico.

Métodos de produção de som

Computadores e placas de som podem utilizar diversos métodos para produzir sons. Um deles é a síntese por modulação de freqüência (FM), na qual o computador sobrepõe múltiplas ondas sonoras para criar formatos de onda mais elaborados. Outro método é a síntese por tabela de ondas, que utiliza amostragens de instrumentos reais para replicar sons musicais. Esse método utiliza normalmente várias amostragens do mesmo instrumento em diferentes timbres para proporcionar sons mais reais. Geralmente, a síntese por tabela de ondas cria reproduções de som mais fiéis do que a síntese FM.

A seguir, veremos outros componentes normalmente encontrados nas placas de som e o que eles fazem.

Outros componentes da placa de som

Além dos componentes básicos necessários para o processamento do som, muitas placas de som possuem hardware ou conexões de entrada e saída adicionais.

• Processador Digital de Sinais (DSP): assim como uma unidade de processamento gráfico (GPU), o DSP é um microprocessador especializado. Ele alivia parte do trabalho da CPU (unidade central de processamento) realizando cálculos para conversões analógicas e digitais. Os DSP podem processar simultaneamente múltiplos sons ou canais. As placas de som que não possuem esse processador utilizam a CPU para essa função.
• Memória: assim como nas placas de vídeo, uma placa de som pode utilizar sua própria memória para proporcionar um processamento de dados mais rápido.
• Conexões de entrada e saída: a maioria das placas de som possui, no mínimo, conexões para microfone e alto-falantes. Algumas delas apresentam tantas entradas e saídas que possuem uma breakout box, que normalmente é instalada em uma das baias de drive. Ela inclui as seguintes conexões:
  • conexões múltiplas de alto-falantes para som 3D e som surround;
  • interface digital Sony/Philips (S/PDIF), um protocolo de transferência de arquivos para dados de áudio. Esse protocolo utiliza uma conexão ótica ou coaxial para entrada ou saída da placa de som;
  • interface digital para instrumentos musicais (MIDI – Musical Instrument Digital Interface), utilizada para conectar sintetizadores ou outros instrumentos eletrônicos aos computadores;
  • conexões FireWire e USB, que conectam áudio digital ou gravadores de vídeo à placa de som.

Imagem cedida por HowStuffWorks Shopper
Uma placa de som PCI

A seguir, veremos as opções de som integrado na placa-mãe e controle de som externo.

Drivers e APIs

Assim como a placa de vídeo, uma placa de som utiliza um software que a auxilia a se comunicar com os aplicativos e as outras partes do computador. Esse software inclui os drivers da placa de som, que permite a comunicação da placa com o sistema operacional. Ele inclui ainda interfaces de programas aplicativos (APIs – Application Program Interfaces), que são um conjunto de regras ou padrões que facilitam a comunicação do software com a placa de som. As APIs mais comuns são:

• Microsoft: DirectSound
• Creative: Environmental Audio Extensions (EAX) e Open AL
• Sensaura: MacroFX
• QSound Labs: QSound

Opções para controle de som

Nem todos os computadores possuem uma placa de som. Algumas placas-mãe oferecem suporte de áudio integrado. Uma placa-mãe que possui seu próprio DSP pode processar múltiplos fluxos de dados. Ela pode suportar também som 3D posicional e som Dolby surround. Apesar de todas essas características, no entanto, a maioria dos críticos acredita que placas de som avulsas oferecem melhor qualidade de som.

Imagem cedida por HowStuffWorks Shopper
Controlador de som externo

Os laptops normalmente possuem sistemas de som integrados à placa-mãe ou pequenas placas de som. Contudo, o controle de espaço e temperatura torna o uso das melhores placas de som internas impraticável. Assim, os usuários de laptop podem comprar controladores de som externos, que utilizam conexão USB ou FireWire. Esses módulos externos podem melhorar significativamente a qualidade de som do laptop.

Comprando uma placa de som

Diversos fatores afetam a capacidade da placa de som de oferecer um som claro e de alta qualidade. Quando for comprar uma placa de som, preste atenção aos seguintes itens:

• capacidade de dados dos conversores A/D e D/A, medida em bits;
• relação sinal/ruído (SNR) e distorção harmônica total (THD);
• resposta em freqüência, ou qual o volume máximo que a placa pode reproduzir sons em diferentes freqüências;
• taxa de amostragem;
• canais de saída, como som surround 5.1 ou 7.1;
• APIs suportadas;
• certificações, como a Dolby Master e a THX.

Qualquer pessoa investindo em uma placa de som top de linha deve possuir também alto falantes de alta qualidade. Mesmo a melhor placa de som não consegue reproduzir um som de alto nível com um alto falante de baixa qualidade.