声卡

定义

声卡是计算机多媒体系统中的基础部件，属于一种适配器类硬件，负责把话筒、磁带、光盘等来源的声音信号转换成计算机可以处理的数字数据，也能把计算机中的数字音频还原成可以驱动耳机、扬声器、扩音机和录音机的电信号，还可以通过乐器数字接口（MIDI）控制乐器发声^[1][2]。部分资料还将其称为音频卡或声效卡，其中声效卡是港台地区的叫法^[3]。

按安装形态区分，声卡主要有三类：早期插在主板插槽上的板卡式独立声卡、直接集成在主板上的板载声卡，以及通过外部接口与主机相连的外置声卡^[2]。它们在电路规模和调节能力上差别较大，但基本结构和转换原理大体一致^[3]。

原理

声音本身是连续变化的模拟量，而计算机只能处理离散的数字量，因此声卡的核心任务是完成两个方向相反的转换。录音时，模拟信号先由模数转换器（A/D 或 ADC）按固定时间间隔取样并量化成数字值存入存储器；回放时，数模转换器（D/A 或 DAC）把数字值重新还原为电压波形，经放大后推动扬声器发声^[4]。这一整套用取样、量化、编码来表示波形的方法通常称为脉冲编码调制^[5]。

转换质量取决于两个参数。采样率是单位时间内取样的次数，采样位数（样本大小）是每次取样可用的取值级数，前者决定能记录的最高频率，后者决定幅度刻画得是否精细；两者越高，还原出的声音越接近原始波形，数据量也越大^[4]。家用声卡常见 8 位或 16 位取样、4000 至 44000 次每秒的采样率，并可分为单声道与立体声两种形式^[6]。

声卡上除转换器外还有若干功能单元：数字信号处理芯片负责记录、播放以及压缩解压、变速等运算；总线接口芯片负责与系统总线交换命令和数据；音乐合成器把波形数据或 MIDI 消息合成为声音；混音器则把话筒、线路输入、光盘音频等多路信号混合并支持软件调节音量^[7]。

flowchart LR

A[话筒/线路输入] --> B[模数转换器 ADC]

B --> C[数字信号处理与混音]

C --> D[存储或系统总线]

D --> C

C --> E[数模转换器 DAC]

E --> F[功率放大]

F --> G[耳机/扬声器]

H[MIDI 消息] --> C

衡量声卡的技术指标除采样率与位数外，还包括信噪比、动态范围、总谐波失真加噪声、频率响应和声道数，后者从单声道、立体声一直延伸到 5.1、7.1 等环绕配置^[8]。早期声卡常用的合成方式有调频合成与波表合成，前者以简单波形组合发声，后者调用预存乐器采样，因而更能接近真实乐器音色^[9]。

发展历程

1984 年，英国的 ADLIB AUDIO 公司推出被称作魔奇音效卡的产品，它让个人计算机第一次能够发出扬声器提示音之外的声音，被视为声卡的开端；但它只具备调频合成音乐的能力，不能处理数字音频信号^[10]。

1989 年，新加坡创新科技公司推出 Sound Blaster（声霸卡），具备 8 位采样和单声道模拟输出，并且能够真正处理数字音频信号，逐步取代 ADLIB 成为当时的业界标准^[11]。此后出现的 Sound Blaster Pro 把输出扩展到立体声^[12]。

1992 年，创新推出 Sound Blaster 16，采样位数提升到 16 位、采样率达到 44.1 千赫，支持立体声输出，理论上可以达到与 CD 相当的回放效果，16 位一度成为此后数年较高档声卡的标志^[11][12]。

1997 年，英特尔联合多家编解码器厂商制定 AC'97 标准，把数字控制器与模拟编解码器分开，前者通常位于芯片组南桥，后者置于主板上，这使主板集成音频的成本明显下降，集成声卡随之普及^[13]。2004 年，英特尔发布高保真音频（HD Audio，代号 Azalia）规范，规格提升到最高 32 位、192 千赫，可支持 7.1 声道，且与 AC'97 不向后兼容^[13][14]。

应用

声卡最基本的用途是音频播放与录制，涵盖音乐欣赏、家庭影院、多媒体演示和音频会议等场景^[15]。借助麦克风输入与语音识别软件，声卡配合计算机还可完成语音输入^[16]。

在专业领域，声卡被用作低成本的信号采集与发生设备。例如有研究利用话筒、计算机声卡与 MATLAB 采集环境噪声并生成高斯白噪声，也有检测系统借助声卡的模数转换通道完成耳声发射等测量，还有装置把声卡作为铸造缺陷声学检测中的采集部分^[17]。

局限

声卡对声音的表达能力受采样率和位数限制，取样过程本身会引入误差，采样率偏低时无法准确刻画高频成分^[4]。以 AC'97 为代表的早期集成方案限定 48 千赫工作频率，其他采样率的音频流须经采样率转换，转换算法会造成细节损失。

主板对低电平模拟信号并不友好，处理器负载较重时，集成音频可能出现毛刺、爆音和音频丢失，难以满足高保真音乐与游戏的需求^[18]。此外，多数声卡板上带有功率放大芯片，在放大有用信号的同时也会放大噪声，其扬声器输出的噪声相对明显，音质主要仍取决于处理芯片与外接音响^[19]。集成声卡的参数一般在主板出厂时设定，可调范围有限^[20]。

参见

• 数模转换器 —— 声卡回放通路中把数字音频还原为模拟电压的器件。

• 模数转换器 —— 声卡录音通路中把模拟声音取样量化为数字信号的器件。

• MIDI —— 声卡可据其控制合成乐器发声的数字乐器接口。

• AC'97 —— 推动主板集成音频普及的早期音频编解码器标准。

• 高保真音频 —— 英特尔于 2004 年提出的 AC'97 后继规范。

• 创新科技 —— 凭借声霸卡系列确立行业标准的声卡厂商。