Iniciantes: entendendo as placas de som

Publicado em 02/01/2010 – 18:31
por Carlos Morimoto

Embora os micros PCs existam desde 1981, as placas de som se tornaram comuns apenas a partir de 1996 a 1998, com a popularização dos "kits multimídia", que incluíam a placa de som, um drive de CD, caixas de som e microfone. Antes disso, a maioria dos PCs incluíam apenas o speaker da placa-mãe, que era usado como uma "placa de som de pobre" por muitos jogos, que tiravam leite de pedra, modulando a frequência e a duração dos bips de forma a produzir sons similares ao que você ouviria em um Atari.

A primeira família de placas de som a se tornar popular foi a Sound Blaster, da Creative. Elas rapidamente se tornaram um padrão para placas de som, levando ao aparecimento de inúmeras placas compatíveis.

A Sound Blaster 16, lançada em 1992, por exemplo já era capaz de reproduzir áudio com qualidade de CD (16 bits e 44.1 kHz). Ela ainda não oferece suporte a múltiplos fluxos de áudio ou ao uso de conjuntos de caixas de som 5.1 ou 7.1 como as placas atuais, mas usando algum PC antigo com slots ISA, você poderia perfeitamente usar uma para ouvir sua coleção de MP3 ou fazer gravações simples, com uma qualidade de som não muito diferente da de uma placa atual:

Além da simples reprodução de arquivos de áudio, outro ponto de disputa entre as primeiras placas de som era a síntese de áudio. Diferente do que temos atualmente, jogos antigos não utilizavam trilas sonoras e sons de efeito armazenados em arquivos WAV ou MP3 (que ocupam muito espaço) mas utilizavam os recursos da placa de som para sintetizar o áudio. Embora a qualidade não fosse das melhores, isso permitia que músicas e efeitos ocupassem apenas alguns poucos kbytes, em vez de vários gigabytes como atualmente.

Graças ao padrão MIDI, qualquer placa de som é capaz de sintetizar o som de instrumentos musicais a partir de comandos simples, que lembram a versão digital de uma partitura. Além de ser exaustivamente usado por músicos e profissionais de áudio, o MIDI era muito usado por jogos antigos para a trilha sonora.

A Sound Blaster 16, assim como outras placas antigas suportavam apenas a síntese por FM (frequências moduladas), que era suficiente para gerar ruídos de tiros e explosões, mas resultava em uma qualidade bastante ruim ao sintetizar o som de instrumentos musicais.

A solução veio com a síntese por wave table, usada a partir da Sound Blaster AWE 32 (lançada em 1994). Ao invés de sintetizar o som através da combinação de várias frequências diferentes, como nos sintetizadores FM, nos sintetizadores wave table são usadas amostras de sons gerados por instrumentos reais, o que garante uma qualidade muito superior.

As notas de cada instrumento são tocadas por um músico e armazenadas em chips de memória ROM, incorporados à placa de som. Ao reproduzir o arquivo MIDI, o sintetizador reproduz estas notas gravadas na ordem e volumes estabelecidos, resultando em um som quase indiscernível do de um instrumento real.

Diferente do que tivemos com as placas 3D e outros periféricos, as placas de som atingiram um nível básico de qualidade na primeira metade da década de 90. A partir daí, a evolução das placas passou a ser mais incremental, com o aumento no número de instrumentos simultâneos (a Sound Blaster AWE32 era capaz de reproduzir 32, enquanto a AWE 64 era capaz de reproduzir 64, por exemplo) e na melhoria geral da qualidade de áudio com melhores taxas de signal-to-noise, uso de algoritmos de pós processamento, suporte a mais canais simultâneos e mais saídas de áudio.

Uma evolução importante foi a introdução das APIs para geração de áudio 3D, que permitem gerar efeitos de posicionamento úteis sobretudo em jogos. Graças a eles, em vez de simplesmente ouvir ruídos estáticos, como em jogos antigos, você têm uma experiência mais próxima da realidade, com sons aparentando vir de todas as direções.

Em muitas placas, você tem também a opção de usar filtros com efeitos 3D ao ouvir música, simulando um show onde a banda está tocando em um estádio à sua frente, por exemplo. Em geral, você encontra uma aba para testar os efeitos 3D dentro do utilitário da placa, como nesse exemplo, de um notebook com um codec da Realtek:

Além da questão da imersão, o os efeitos 3D possuem uma função importante dentro dos jogos atuais, já que permitem que você se oriente com base na direção dos sons e não apenas com base no que aparece dentro do seu campo visual.

Um bom exemplo de aplicação dos efeitos 3D é o Left 4 Dead ou Left 4 Dead 2, onde você pode identificar claramente zumbis atacando pelos lados ou por trás apenas pelo som, a tempo de se virar rapidamente e se defender do ataque. Para melhores resultados, é conselhável usar fones de ouvido, já que diferente de caixas de som (que são difíceis de posicionar corretamente) os fones acompanham seus movimentos, permanecendo sempre na posição ideal.

Efeitos 3D podem ser gerados em estúdio e aplicados em trilhas de áudio que podem ser reproduzidas em qualquer player de mídia. Você pode ver alguns exemplos aqui e no aqui. A grande diferença é que as placas de som são capazes de aplicá-los em tempo real, o que permite que eles sejam usados em jogos e aplicativos.

Continuando, uma das primeiras placas a oferecerem suporte a áudio 3D foi a Sound Blaster Live, de 1998. Ela já era uma placa PCI, que concorreu com placas como a Monster Sound e a Turtle Beach Montego, que não chegaram a ser muito comuns no Brasil.

Diferente das placas anteriores, que utilizavam controladores simples, a SB Live utilizava o EMU10K1, um chip DSP com 2.4 milhões de transistores (dois terços do número de transistores de um Pentium 1), com um poder de processamento estimado em 1 gigaflop.

O aumento no poder de processamento possibilitou vários avanços em relação às placas antigas. Os mais notáveis foram o suporte à reprodução de múltiplos fluxos de áudio via hardware, suporte a áudio 3D e suporte à aplicação de efeitos de áudio através do EAX, como o reverb (efeitos de eco), choir (efeito de dobra, que torna o som mais rico, como se cada nota fosse tocada por vários instrumentos simultaneamente) e assim por diante. Estes efeitos são processados pela própria placa, o que permite que os efeitos escolhidos sejam automaticamente aplicados ao ouvir música.

Em vez de armazenar as amostras de som para a síntese por wave table em um chip ROM como nas placas ISA, na SB Live os samples eram incorporados aos drivers e transferidos para a placa através do barramento PCI. Este mesmo sistema é usado em placas atuais, já que permite usar conjuntos maiores de amostras e ao mesmo tempo cortar custos, eliminando a necessidade de usar o chip de memória ROM.

Esta progressão na capacidade de processamento continuou com a SB Audigy (lançada em 2001), a SB X-Fi (de 2005) e várias concorrentes, que incorporaram mais efeitos, suporte à versões atualizadas das APIs de áudio 3D e o suporte ao processamento de mais fluxos de áudio via hardware. A X-Fi, por exemplo, é baseada no chip EMU20K1, que possui 51 milhões de transistores (quase o mesmo que um Pentium 4 Northwood) e opera a 400 MHz.

O grande problema com placas dedicadas como a Audigy e a X-Fi é que o custo limita o uso a nichos específicos, como no caso de músicos, audiofilicos e gamers que fazem questão de jogar com uma placa dedicada para minimizar a carga sobre o processador.

Como a maioria dos usuários ouve arquivos de áudio com qualidades relativamente baixas (como no caso dos MP3 de 128 kbps) ou não usam caixas de som ou fones de boa qualidade, placas de som mais baratas acabam sendo boas o suficiente, já que embora careçam do processamento de múltiplos fluxos de áudio via hardware e não sejam capazes de aplicar muitos efeitos de pós processamento, a qualidade do som não é tão diferente assim.

Isso nos leva às placas de som onboard, que evoluíram bastante na última década e passaram a ser usadas em praticamente todas as placas-mãe, virtualmente eliminando o mercado de placas de som dedicadas.

As primeiras placas-mãe com som onboard simplesmente integravam os circuitos de uma placa de som regular na placa-mãe. Essa primeira geração não foi muito popular, já que a integração dos componentes complicava os projetos e tornava as placas consideravelmente mais caras.

A solução veio com a criação do padrão AC'97 que foi (previsivelmente :) finalizado em 1997 e se tornou rapidamente bastante popular. Assim como todos os outros sistemas atuais de som onboard, o padrão AC'97 divide os componentes em duas partes: os componentes digitais, integrados à ponte sul do chipset e os componentes analógicos, agrupados em um chip separado, o codec.

No caso dos chipsets Intel da família 8xx, por exemplo é usado um controlador DC97, integrado ao ICH. Ele é um controlador simples, que oferece suporte a até 6 canais de áudio, com até 20 bits de resolução e frequência de 48 kHz, o que é suficiente para assistir DVDs usando um sistema de caixas 5.1.

Similar ao que tínhamos nos softmodems, quase todo o processamento de efeitos em placas AC'97 é feito via software, através de componentes integrados aos drivers. Quando é necessário reproduzir vários fluxos de áudio simultaneamente (como ouvir um MP3 e falar no Skype), por exemplo, o driver de som se encarrega de mesclar todos os fluxos na saída unificada.

Isso permite o uso de áudio 3D e outros efeitos, sem necessidade de usar um caro controlador dedicado, como no caso de placas como a SB Audigy e funciona bem em situações onde o processador está parcialmente ocioso (como ao ouvir um MP3 e editar um documento no OpenOffice, por exemplo). A desvantagem, como pode imaginar, é que o processamento do som reduz o desempenho em tarefas intensivas (como no caso dos jogos) onde parte dos ciclos de processamento são desviados para o processamento do som.

Este foi um tema bastante discutido na época em que as placas AC'97 foram introduzidas. Entretanto, com a evolução dos processadores a diferença foi se tornando cada vez menor, até praticamente desaparecer com a introdução dos processadores dual-core e quad-core, onde quase sempre existe uma boa dose de processamento ocioso. Em um PC atual, você dificilmente notará qualquer alteração perceptível no FPS relacionada ao processamento do som.

Continuando, o controlador DC97 é ligado ao codec através do AC-Link, um barramento digital composto por apenas 5 trilhas (duas para o sinal de dados, duas para o sinal de sincronismo e clock e a última para o comando de reset).

Finalmente, temos a parte mais importante, que é o codec, o chip responsável por transformar o sinal digital enviado pelo chipset de áudio no sinal analógico, que é enviado às caixas de som e de fazer o inverso com o sinal das entradas de áudio, transformando o sinal analógico capturado pelo microfone no sinal digital que é enviado ao chipset.

O codec é um chip pequeno, quase sempre instalado na beirada da placa, próximo aos conectores de áudio do painel ATX:

Este da foto, por exemplo, é um Realtek ACL650, um chip extremamente comum em placas fabricadas entre 2002 e 2006. Embora muito barato, ele oferece uma qualidade de áudio relativamente boa, com uma taxa de signal-to-noise de 90dB (o que não é ruim para um chip de baixo custo) e suporte a até 6 saídas independentes.

Embora tenha sido criado pela Intel, o AC'97 é um padrão aberto. Isso não apenas permitiu que ele fosse usado em chipsets de diversos fabricantes (incluindo a VIA, SiS e até mesmo a AMD) mas também que fossem lançados diversos modelos de codecs diferentes, produzidos por diversos fabricantes, incluindo a Realtek, Yamaha, VIA, Conexant e muitos outros. Os dois componentes são independentes, de forma que o fabricante da placa-mãe pode combinar um chipset da Intel com um codec da Realtek, por exemplo, de forma a cortar custos.

Em 2004, foi finalizado o padrão HD Audio (também chamado de Azalia), que oferece suporte aos sistemas de áudio de alta resolução usados em discos Blu-ray e em um crescente número de jogos e arquivos de mídia, como o Dolby Digital Plus e o DTS-HD.

Ele eleva as taxas máximas para 192 kHz e 32 bits e adiciona suporte a até 10 fluxos de áudio independentes, que possibilitam o uso de saídas de áudio múltiplas. Desde que a placa-mãe inclua os conectores apropriados, você pode assistir um filme usando um conjunto de caixas 7.1 plugado nos conectores traseiros e, simultaneamente, usar o Skype ou jogar usando um fone estéreo ligado à porta frontal do gabinete.

Assim como o AC'97, o HD áudio é um padrão aberto, o que permitiu que ele fosse adotado em chipsets de vários fabricantes. Com exceção de algumas placas de baixo custo (que ainda usam áudio AC'97), ele é encontrado em praticamente todas as placas atuais, incluindo as com chipsets da AMD e nVidia.

Assim como no caso do AC'97, o HD Audio utiliza um codec separado. O mais comum é o Realtek ACL888, que oferece uma taxa de signal-to-noise de 97dB e oferece suporte às 10 saídas independentes especificadas no padrão.

Assim como no AC'97, todo o processamento é feito via software, o que permite que as placas ofereçam suporte a um conjunto bastante completo de APIs e efeitos (os drivers da Realtek para o ACL888, por exemplo, oferecem suporte ao EAX 2.0, Direct Sound 3D, A3D, I3DL2 e ao HRTF 3D), muito embora não incluam um chip DSP dedicado. Como de praxe, o processamento é todo executado pelo processador principal.

As placas com controladores HD Audio incluem tipicamente um conjunto de conectores de áudio como este:

Veja que além das 6 saídas de som analógicas estão disponíveis também duas opções de conexões digitais S/PDIF: uma saída coaxial (o conector RCA ao lado do conector do teclado) e uma saída óptica com conector TOSLINK (o conector fechado, ao lado do mouse).

Elas são usadas por muitos sistemas de home theater que, para evitarem a degradação do som, recebem o sinal ainda em formato digital e fazem a conversão digital/analógico internamente, antes de enviar o sinal para as caixas de som.

Nem todas as placas incluem legendas para os conectores analógicos, já que eles são etiquetados pela cor do conector. Caso esteja em dúvida, aqui vai uma cola rápida:

Azul: Line-in (entrada de áudio)
Verde: Line-out (speakers ou fones estéreo)
Rosa: Microfone
Laranja: Subwoofer e caixa central (em sistemas 5.1 e 7.1)
Preto: Caixas de som traseiras (em sistemas 5.1 e 7.1)
Cinza: Caixas para efeitos surround (em sistemas 7.1)