thumb|250px|Sound Blaster X-Fi XtremeGamer Fatal1ty Pro

Karta dźwiękowa, karta muzyczna – komputerowa karta rozszerzeń umożliwiająca rejestrację, przetwarzanie i odtwarzanie dźwięku, oraz słuchanie muzyki.

Najbardziej znaną grupą kart dźwiękowych jest seria Sound Blaster firmy Creative Labs.

Obecnie układy dźwiękowe wystarczające do zastosowań amatorskich są zazwyczaj wbudowywane w płytę główną komputera, nie stanowiąc już karty rozszerzenia. Z powodów historycznych są jednak określane mianem „zintegrowana karta dźwiękowa”. Pojawiły się również zewnętrzne karty dźwiękowe podłączane do komputera przez port USB.

Historia Pierwsze komputery osobiste posiadały bardzo ograniczone możliwości wytwarzania dźwięku. Komputery z lat 70., takie jak Apple II, jak również początkowe konstrukcje z lat 80. (ZX Spectrum, IBM PC) zawierały jedynie bardzo proste, jednokanałowe generatory, lub po prostu wyjścia dźwięku (lub głośniczki) sterowane samym procesorem.

thumb|left|Klon pierwszej wersji karty Mockingboard dla Apple II. Na przełomie lat 70. i 80. pojawiły się pierwsze układy wielokanałowych generatorów dźwięku. Do pierwszych znanych układów należały: POKEY zastosowany w 8-bitowych komputerach Atari, SID użyty w Commodore 64 oraz AY-3-8910, który znalazł zastosowanie w wielu komputerach domowych (m. in. MSX, Amstrad CPC czy ZX Spectrum 128, +2 i +3), a także w kartach dźwiękowych dla Apple II (Mockingboard).

thumb|Oryginalna karta AdLib Music Synthesizer z 1987 roku (dla komputerów PC). Dynamiczny rozwój powszechnie dostępnych kart dźwiękowych dla komputerów osobistych rozpoczął się dopiero w drugiej połowie lat 80. Zyskujący coraz większą popularność standard komputerów PC, dysponujący jedynie PC Speakerem, dzięki otwartej architekturze stał się platformą, dla której zaczęły powstawać coraz to nowe produkty.

Pierwszą znaczącą, popularną kartą dźwiękową dla komputerów PC był wyprodukowany w 1987 roku AdLib Music Synthesizer. Była to karta dysponująca 11-kanałowym układem syntezatora FM Yamaha OPL-2 generująca dźwięk monofoniczny.

thumb|left|Karta Sound Blaster 1.0. Produktem, który najbardziej przyczynił się do popularyzacji kart dźwiękowych była karta Sound Blaster wyprodukowana przez Creative Labs. Karta ta, będąc zgodną z popularnym już standardem ustanowionym przez AdLib, została rozszerzona o możliwość nagrywania i odtwarzania sampli. Zyskała ona szerokie wsparcie producentów oprogramowania i stała się de facto standardem dla kart dźwiękowych dla komputerów PC. Kolejne produkowane karty, w których dodano stereofonię (Sound Blaster Pro) i ulepszono jakość nagrywanego i generowanego dźwięku (Sound Blaster 16 i kolejne), zachowywały zwykle zgodność z poprzednikami, w tym z pierwszym Sound Blasterem. Podobnie było w przypadku kart konkurencyjnych producentów, które w większości zachowywały zgodność z kartami Sound Blaster.

thumb|Karta LAPC-I firmy Roland. W zastosowaniach muzycznych popularność zdobywał standard MIDI. Dla komputerów osobistych pojawiły się karty umożliwiające pracę w tym standardzie, lecz wysoka cena ograniczyła znacząco liczbę użytkowników. Produkty zgodne z MIDI początkowo były oferowane głównie przez firmę Roland. Należały do nich między innymi karty LAPC-I z syntezatorem MT-32.

thumb|left|Karta Gravis UltraSound. Kolejnym krokiem jeśli chodzi o podniesienie jakości odtwarzanego dźwięku było pojawienie się kart Gravis Ultrasound, w których metoda generacji dźwięku opierała się w całości na samplowanym dźwięku dającym naturalnie brzmiące instrumenty (w przeciwieństwie do "komputerowo" brzmiącej syntezy FM). Udoskonalając kolejne produkty producenci kart rozpoczęli stosowanie tej metody generacji dźwięku w kolejnych modelach, a także oferowano dodatkowe rozszerzenia istniejących kart dające podobne możliwości (jeśli dysponowały one odpowiednim złączem).

W drugiej połowie lat 90., wraz w upowszechnieniem systemu Microsoft Windows, znaczenie dotychczasowych standardów kart dźwiękowych zaczęło maleć. System operacyjny zapewniał ujednolicony interfejs do korzystania z możliwości dźwiękowych komputerów, a same układy dźwiękowe coraz częściej zaczęły być montowane na płytach głównych komputerów osobistych.

Budowa karty dźwiękowej thumb|250px|8-kanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy Cirrus Logic CS4382 na karcie muzycznej Sound Blaster X-Fi Fatal1ty soundextreme music heaphones blaster

Karty dźwiękowe w zależności od stopnia skomplikowania i zaawansowania mogą posiadać następujące elementy: generator dźwięku – występował w starszych kartach i był to zazwyczaj generator drgań o danej częstotliwości połączony z generatorem obwiedni (amplitudy) oraz generator szumu, służył do sprzętowego generowania dźwięków za pomocą modulacji i łączenia fal oraz szumu przetworniki A/C i C/A – umożliwiające rejestrację i odtwarzanie dźwięku (umożliwiające zamianę sposobu reprezentacji sygnału z analogowego na cyfrowy i odwrotnie) bufor – mała (często tylko kilka kilobajtów) pamięć RAM, używana przez przetworniki A/C i C/A, do których cyfrowy dźwięk jest zapisywany i odczytywany przez procesor główny komputera lub odtwarzany po uprzednim wgraniu tam danych mikser dźwięku – służy do łączenia sygnałów dźwięku z generatorów dźwięku, przetworników C/A (w skrócie PCAA), wejść zewnętrznych i innych źródeł wzmacniacz sygnałów wyjściowych - służy do wzmacniania sygnału wyjść przeznaczonych dla urządzeń pasywnych (np. wyjście słuchawkowe) złącza wejściowe i wyjściowe dźwięku (zarówno analogowe, jak i cyfrowe) interfejs do komputera – służący do komunikacji i wymiany danych z kartą dźwiękową, zazwyczaj ISA, PCI lub USB interfejs MIDI – służy do podłączania do komputera cyfrowych instrumentów muzycznych w standardzie MIDI. (opcjonalnie) złącze dla modułu brzmieniowego poprawiającego jakość syntezowanego dźwięku (np. modułu syntezy wavetable)

Próbkowanie

Pojęciem próbkowania (ang. sampling) określa się digitalizację dźwięków. Decydujący wpływ na jakość nagrania ma rozdzielczość digitalizacji. Starsze karty zapisują dźwięk w trybie 8-bitowym, co pozwala na rozróżnienie 256 różnych poziomów amplitudy sygnału (chwilowej głośności dźwięku). Z uwagi na fakt, że taki zakres jest zbyt mały, by uzyskać dobrą jakość, nowsze karty pracują już z rozdzielczością 16 bitową. W przypadku nagrań stereofonicznych poszczególne dźwięki (próbki) są więc zapisywane na 4 bajtach. Takie rozwiązanie pozwala na rozróżnienie 65536 różnych poziomów amplitudy dla każdego kanału stereo, dzięki czemu generowany dźwięk ma już naturalne brzmienie o jakości hi-fi.

Równie istotna jest szybkość próbkowania (samplingu), czyli częstotliwość z jaką generowane są kolejne 16-bitowe sekwencje. Im częściej jest próbkowany oryginalny dźwięk, tym wyższa jest maksymalna częstotliwość dźwięku uzyskiwanego nagrania. Częstotliwość samplingu rzędu 8 kHz odpowiada w przybliżeniu poziomowi jakości rozmowy telefonicznej natomiast do uzyskania jakości płyty CD potrzebna jest częstotliwość 44,1 kHz (pozwala to na rekonstrukcję dźwięku aż do częstotliwości 22 kHz, co jest powyżej górnej granicy słyszalności dźwięków u człowieka, tj. około 20 kHz). W przypadku nagrań stereofonicznych objętość zapisywanych danych ulega podwojeniu, ponieważ rejestrowane są dwie oddzielne ścieżki, po jednej na każdy kanał. Jednominutowe nagranie klasy hi-fi bez kompresji danych zajmuje więc nieco ponad 10 MB (44100 × 4 bajty x 60 sekund).

Jeszcze większą objętość mają dane uzyskane w wyniku miksowania (mieszania) próbek. Praktycznie wszystkie współczesne gry obsługują mieszanie dużej ilości niezależnych wirtualnych kanałów dźwiękowych w jeden wyjściowy (downmixing). Dzięki temu można na przykład słuchać podczas gry odgłosów pięciu przeciwników jednocześnie. Zadania tego zwykle nie wykonuje jednak karta dźwiękowa, lecz procesor komputera co negatywnie wpływa na płynność działania samej gry. Maksymalną liczbę dostępnych kanałów wirtualnych warto więc wykorzystywać tylko na bardzo szybkich komputerach, lub profesjonalnych kartach ze sprzętowym miksowaniem (analogowym lub cyfrowym - odciąża to procesor od miksowania, ale wymaga przesłania większej ilości danych do karty dźwiękowej i większych buforów na niej).

Synteza FM

Karty muzyczne nie tylko nagrywają i odtwarzają gotowe dźwięki, lecz również tworzą je samodzielnie za pomocą syntezy FM (modulacji częstotliwości).

Pierwszym chipem muzycznym wykorzystującym syntezę FM był układ OPL2 firmy Yamaha. Chip ten nie był przeznaczony dla komputerów, lecz podobnie jak OPL1 został opracowany pod kątem organów elektronicznych. Gdy jednak model OPL2 odniósł ogromny sukces rynkowy, firma Yamaha skonstruowała specjalnie dla kart dźwiękowych kolejny układ – OPL3.

Początkowo na rynku dostępne były tylko dwa chipy FM (OPL 2 i 3), ale w 1995 r. patent na syntezę modulacji częstotliwości uległ przedawnieniu. Od tego czasu na kartach dźwiękowych instaluje się różne chipy, w większości kompatybilne z OPL3, a więc również ze standardem Sound Blaster. Wszystkie układy FM działają na tej samej zasadzie: za pomocą prostych funkcji matematycznych generują krzywe drgań, które tylko w przybliżeniu imitują działanie oryginalnych instrumentów muzycznych. W każdym przypadku umożliwiają jednak odtwarzanie plików MIDI. Pliki te – podobnie jak tradycyjna partytura – zawierają bowiem tylko dane sterujące syntezatorem, a nie dane przebiegu fali dźwiękowej.

Synteza WT (wavetable)

Z uwagi na sztuczne brzmienie generowanych dźwięków synteza FM nie nadaje się do zastosowań ogólnych, na przykład realistycznego naśladowania prawdziwych instrumentów. Z tego też względu używa się techniki syntezy wavetable (WT), znanej też pod nazwą AWM (Advanced Wave Memory). Zasada działania syntezy WT jest bardzo prosta. W celu uzyskania na przykład brzmienia gitary chip muzyczny nie generuje sztucznego dźwięku, lecz odtwarza oryginalny dźwięk instrumentu, nagrany wcześniej w studiu. W praktyce nie ma jednak możliwości zapisania w pamięci wszystkich dźwięków generowanych przez 128 instrumentów MIDI. Chip muzyczny musi więc często obliczać wysokość i długość dźwięków na podstawie wzorcowych próbek. Z zadaniem tym poszczególne karty WT radzą sobie bardzo różnie. W niektórych modelach można np. uzyskać lepsze brzmienie instrumentów smyczkowych, w innych - instrumentów dętych. Naprawdę dobre brzmienie dla wszystkich odmian muzyki oferują jak dotąd tylko drogie karty profesjonalne. Niektóre karty umożliwiają użycie dla każdej częstotliwości oddzielnych próbek, jednak zwiększa to zużycie pamięci (dlatego profesjonalne karty mogą posiadać nawet setki megabajtów pamięci RAM, którą można rozszerzać), oraz wymaga czasochłonnego procesu rejestracji próbek w studiu.

MIDI

Koncepcja cyfrowego złącza instrumentów muzycznych (MIDI), wprowadzona we wczesnych latach 80., zrewolucjonizowała rynek, przerastając z czasem oczekiwania swych twórców. MIDI pozwala na wymianę informacji i synchronizację sprzętu muzycznego za pomocą standardowych komunikatów, tworząc spójny system sterowania zestawem muzycznym. Komunikaty MIDI mogą być proste (np. włącz dźwięk pianina na 5 sekund), lub złożone (np. zwiększyć napięcie wzmacniacza VCA w generatorze 6, aby dopasować częstotliwość do generatora nr 1).

Należy tutaj pamiętać, że MIDI nie przesyła dźwięku, lecz informacje o nim (i nie tylko). Na przykład muzyk w czasie koncertu naciśnięciem klawisza może wydobyć nie tylko dźwięk, ale również może synchronicznie sterować błyskami światła, sekwenserami, modułami brzmieniowymi itp. – oczywiście pod warunkiem, że wymienione urządzenia będą zgodne ze standardem MIDI. Posiadając w komputerze kartę dźwiękową FM czy też WT, mamy, praktycznie rzecz biorąc, do czynienia z modułem brzmieniowym syntezatora muzycznego. Komunikację z owym modułem zapewnia port MIDI oraz programy zwane sekwencerami. Sekwencery umożliwiają też edycję zapisu cyfrowego MIDI w postaci standardowych plików (z rozszerzeniem MID).