Report: Onboard-Sound vs. Soundkarte

Soundkarten und Onboard-Lösungen unterscheiden sich im Aufbau kaum voneinander: Für beide gilt: Der Codec wandelt die Signale, der DSP verarbeitet sie. Für Musikanwendungen steht ein MIDI-Port zur Verfügung und Spieler werden mit der digitalen I/O-Sektion für den Anschluss eines Joysticks bedient.

Der Unterschied zwischen Soundkarte und integriertem Sound: Der DSP gehört bei Soundkarten zur Standardausrüstung, bei Mainboards wird er aus Kostengründen oft weggelassen. Manche Hersteller bieten ihre Mainboards auch mit verschiedenen Soundausstattung an. So produziert der taiwanische Hersteller DFI das Mainboard AK74 für den Sockel A in zwei Varianten: Das AK74-SC ist mit einem AC '97-Codec bestückt, das AK74-SU zusätzlich mit einem DSP von Creative Labs.

Der Kunde glaubt, er habe die Wahl zwischen diesen Varianten. Unsere Recherche bei verschiedenen Anbietern aber zeigt: Das Mainboard AK74-SC mit Codec haben die meisten im Programm, das besser bestückte AK74-SU mit zusätzlichem Soundchip keiner. Ein Vertriebsmitarbeiter vom Distributor AlfaNet bestätigt unseren Eindruck: "Boards mit Vollbestückung will kaum jemand, weil die zirka 30 Mark teurer wären. Manchmal wird auch die günstigere Variante zuerst angeboten, und die teurere folgt später."

Die bessere Soundvariante beim DFI AK74 bleibt den OEMs vorbehalten, da hier größere Stückzahlen geordert werden. Händler hingegen befürchten, dass sie die teureren, da besser bestückten Mainboards auf Grund des Preiskampfs nicht verkaufen können.

Grundvoraussetzung: Der Codec

Der Computer kann nur mit digitalen Signalen arbeiten. Deshalb müssen analoge Signale wie Sprache von einem Codec erst in digitale gewandelt werden. Für die Umsetzung von analogen in digitale Signale benutzt man die Pulscodemodulation. Hierbei wird ein wertkontinuierliches Signal wie zum Beispiel Sprache in ein wertdiskretes Signal umgesetzt.

Im ersten Schritt wird das analoge Signal unter Berücksichtigung des Abtasttheorems abgetastet. Im zweiten Schritt werden die Abtastwerte gerundet. Im Bild sehen Sie ein Beispiel. Hier wird auf den nächst liegenden ganzzahligen Amplitudenwert gerundet. Bei diesem Rundungsvorgang, den man auch Quantisierung nennt, entsteht für jeden Abtastwert ein Quantisierungsfehler. In der Summe macht sich das als Rauschen bemerkbar. Das Quantisierungsrauschen lässt sich durch eine hohe Auflösung begrenzen. Im dritten Schritt werden die gerundeten Abtastwerte in Binärzahlen kodiert.

Das Quantisieren und Kodieren geschieht im Analog-Digital-Wandler. Für die Wiedergabe wandelt ein Decodierer (Digital-Analog-Wandler) das Binärsignal in quantisierte, analoge Werte zurück. Diese werden dann noch durch einen Tiefpass zum Ausgangssignal interpoliert. Aktuelle Wandler wie der 18-Bit-Codec Sigmatel STAC '9721 beinhalten zusätzlich Pseudo-3D-Sound wie Surround Stereo Enhancement 3D, um den Sound aufzupeppen.

All-in-One-Chips

Auf Soundkarten sind normalerweise DSP und Codec getrennt. Nur noch billige Karten kommen mit einem ESS Solo-1, der beide in einem Chip vereint. Der Chip bietet zwar 16-Bit-Stereo und eine Samplefrequenz von bis zu 48 kHz, er kann aber MIDI-Klänge nur per Frequenzmodulation erzeugen und versucht Raumklang über den integrierten Spatializer 3D VBX zu produzieren. "Echte" 3D-Sound-Verfahren wie EAX, Sensaura oder A3D beherrscht der ESS-Chip nicht.

Einige Mainboard-Lösungen mit All-in-One-Chips bieten auf dem Papier die gleichen Ausstattungen und Funktionen wie eine Soundkarte. Ein gutes Beispiel ist das Elitegroup-Mainboard P6VAPA mit dem Audio-Modem-Chip CMI 8738 von C-Media. Das Mainboard besitzt einen S/PDIF-in/out, und per Software lässt sich der Line-in zu einem zweiten Line-out schalten. Somit kann ein 4.1-Boxen-System angeschlossen werden. Der CMI 8738 unterstützt neben DirectSound 3D sogar A3D. Doch im Gegensatz zu den meisten Soundkarten wird der Raumklang über Software realisiert, was die meisten Spiele nicht unterstützen.

Mainboards mit Onboard-Sound

Die Mainboard-Hersteller integrieren Sound auf Mainboards zu unterschiedlichen Zwecken. Auf vielen aktuellen PC-133-Boards für den Athlon oder Pentium III ist der Codec bereits auf das Mainboard gelötet. Tyan und ASUS zum Beispiel setzen bei ihren aktuellen Boards Crystal-Codecs wie den E CS4297 oder den E CS4299 ein. Über die standardisierte AC '97-Schnittstelle kommunizieren dann Signalwandler und Chipsatz.

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Onboard-Sound lässt sich mittlerweile auch problemlos deaktivieren, wenn man nachträglich eine Soundkarte installieren will. In der Regel sind keine Konflikte zu befürchten.

AMR und CNR

Ein in der Theorie interessanter Weg, Sound-Funktionalität auf einem Mainboard zu integrieren, ist der Einsatz einer CNR-RiserCard, die den AMR-Standard inzwischen abgelöst hat. CNR spart Kosten bei der Fertigung, da der Hersteller nur noch eine Mainboard-Sorte zu produzieren braucht. Er überlässt es PC-Herstellern, die Mainboards mit verschiedenen CNR-Karten zu bestücken. Die OEMs können somit flexibel auf Kundenwünsche reagieren und statten die Rechner mit Netzwerk, Modem, USB und/oder Sound aus.

Doch CNR hat bislang aus zwei Gründen keine Marktbedeutung: AMR- und CNR-Karten werden nicht an Endkunden abgegeben. Es liegt also an den OEMs, PCs mit RiserCards auszustatten. Doch bisher baut keiner der großen OEMs Compaq, Dell und Gateway PCs mit RiserCards. Dort ist nicht einmal der Begriff CNR bekannt.

ABIT, ASUS, Elitegroup und Gigabyte haben zumindest in den letzten Wochen angekündigt, sie wollten jetzt selbst CNR-Karten produzieren und an den Fachhandel liefern. Ob diese Offensive zu einer höheren Akzeptanz der CNR-Technologie bei Kunden und PC-Herstellern führt, bleibt offen.

Bei unseren Tests stand uns eine der ersten CNR -Karten, die Kingston KCNR104 zur Verfügung. Auf einem ASUS CUSL2-Mainboard können sich die Audiomesswerte sehen lassen: Der Frequenzgang verläuft zwischen 20 Hz und 17 kHz innerhalb von 3 dB. Der Klirrfaktor ist mit 0,078 Prozent befriedigend, der Signalrauschabstand mit 65 dB eher ausreichend.

Signalverarbeitung mit und ohne DSP

Nach der Digitalisierung werden die Signale verarbeitet. Auf einer Soundkarte erledigt diese Aufgabe ein Prozessor, der DSP. Er verarbeitet digitale Signalströme und berechnet zum Beispiel Effekte wie Hall und Chorus, und ist für die Stimmenvielfalt der Karte ausschlaggebend. Der Vorteil: Er entlastet die CPU. Die populärsten DSPs sind derzeit der Vortex 2, der Canyon 3D und der EMU10k1. Auf einigen wenigen Karten steckt auch ein Yamaha YMF7xx. Dieser Chip gilt aber als Auslaufmodell, da sich Yamaha aus dem Soundkarten-Geschäft zurückgezogen hat.

Bei Mainboard-Chipsätzen lässt man aus Kostengründen den DSP weg. Die Rechenleistung für das weitere Verarbeiten der Signalströme liefert die CPU. Sie berechnet zum Beispiel bei einem Spiel in Echtzeit die verschiedenen Soundquellen und Effekte wie Hall und Reverb.

Das AC '97-Interface

Die Schnittstelle zwischen Signalwandler und der Southbridge des Mainboard-Chipsets stellt das AC '97-Interface dar. Es wurde von Intel, ADI, Creative Labs, National Semiconductor und Yamaha definiert. Aktuell ist die Revision 2.1. Sie beschreibt weitgehend das Design und die Anforderungen, die ein moderner Codec erfüllen muss. Der AC '97-Conroller steckt in der Southbridge. Beim VIA Apollo Pro 133, PM133 oder KX133 ist es die VIA VT82C686A, bei Intel-Solano-Boards der ICH 1 beziehungsweise ICH 2.

AC '97 definiert einen Standard, um Bausteine wie Codecs oder All-in-One-Chips an die Schnittstelle anzubinden. AC '97 sieht zum Beispiel vor, die analoge Mixed-Signal-Schaltung von der rein digitalen Komponente (IC) zu trennen. Weiterhin stellt AC '97 Mindestanforderungen an das Design, die Funktionen und die Leistung der Soundchips. Diese müssen ausgestattet sein mit 48 oder 64 Pins, vier analogen Stereo- und zwei analogen Mono-Eingängen, mit einem Mic-Eingang sowie einem Stereo- und Mono-Ausgang.

Jedes AC '97-System muss außerdem mindestens vier analoge Signale gleichzeitig konvertieren können, wobei die Samplefrequenzen zwischen 8 und 48 kHz liegen dürfen. AC '97 2.1 verlangt unter anderem, dass das Ausgangssignal einen Signalrauschabstand von mindestens 85 dB aufweist. Unsere Messungen zeigen aber, dass der Signalrauschabstand meistens unter 70 dB liegt.

Aber auch die Datenwege sind standardisiert: So kommuniziert die digitale AC '97-Schnittstelle mit dem -Controller in der Southbridge des Chipsatzes über ein 5-Leitungen-AC-Link. Alle digitalen Audio-Signale und Kommando- sowie Status-Informationen laufen über diese serielle Verbindung.

Abgesehen von solchen Mindestanforderungen bleibt es den OEMs überlassen, den Audio-Chip durch weitere Funktionen wie einen 3D-Spatializer oder zusätzliche Ein- und Ausgänge aufzuwerten.

Probleme mit Onboard-Sound

Neben dem Sound können Southbridge und CPU auch Modemfunktionen übernehmen. Solange die CPU nicht viel zu tun hat, schafft sie das locker. Doch denkt man an Multiplayer-Spiele im Internet wie Unreal Turnament, bei dem Modem-, Audio-, 3D- und CPU-Leistung gleichzeitig stark gefordert sind, muss man um die verbleibende Frame-Rate fürchten.

Ein weiteres Problem entsteht bei MIDI-Softsound: Der Software-Synthesizer erzeugt eine hohe Prozessorbelastung und kostet Speicherplatz für die Samplesets im RAM. Aber auch aktuelle PCI-Soundkarten legen ihre Samplesets im Hauptspeicher des PCs ab. Lediglich bei Soundkarten mit integriertem Wavetable-ROM oder -RAM (vornehmlich ISA-Karten) tritt dieses Problem nicht auf.

Im Wavetable-ROM oder -RAM befinden sich aufgezeichnete Klangdaten von echten Instrumenten und Klängen. Soll eine Trompete ertönen, wird diese in der gewünschten Tonhöhe abgespielt. Fehlt die Wavetable-Funktion, werden alle Instrumente mit Hilfe der minderwertigen Frequenzmodulation errechnet.

CPU-Belastung

Bei unseren Tests mit einer Kingston CNR -Karte KCNR104 auf einem ASUS CUSL2-Mainboard mit Celeron 500 ermittelten wir eine CPU-Belastung von bis zu 18 Prozent, während eine Creative Labs SBLive! mit maximal 15 Prozent zu Buche schlägt. Kein gravierender Performanceverlust also.

In einem weiteren Test haben wir ein Intel Desktop Board D815EEA mit einem Cristal-Codec 4297A-J0 und einem Creative-DSP ES1373 verwendet. Die Systembelastung lag bei 14,7 Prozent, eine Creative SBLive! kommt auf maximal 14,5 Prozent.

Zum Vergleich haben wir die Systembelastung mit einem Athlon 850 und einem DFI AK74-SC mit Codec (ICE1232) getestet. Der Performanceverlust lag bei maximal 14 Prozent. Wir deaktivierten den Onboard-Codec und ermittelten mit der Creative SBLive! eine Systembelastung von höchstens 12 Prozent.

Ganz ohne Hardware auf dem Mainboard kommt eine Lösung mit USB-Boxen aus. Hier ist der DA-Wandler in den Boxen integriert. Allerdings werden damit nur bereits digitalisierte Daten wie WAV oder MIDI ausgegeben.

Die eigentliche Klangverarbeitung findet weiterhin im PC statt und drückt die Rechenleistung. Bei unseren Tests mit einem ASUS CUSL2-Mainboard belasten die USB-Boxen die CPU mit bis zu 21 Prozent, eine Soundkarte hingegen nur mit maximal 15 Prozent.

Klangqualität im Vergleich

Soundkarten und Onboard-Lösungen klingen bei der Wiedergabe von wav-Stücken nahezu immer einwandfrei. Ist aber bereits der Frequenzgang wie beim DFI-Mainboard AK74-SC oder der Hoontech-Soundkarte 4Dwave-NX katastrophal, fällt das auch beim Hörtest auf.

Raumklang

Mit zusätzlichem 3D-Sound, wie ihn die vordefinierten EAX-Umgebungen (Straße, Konzertsaal, usw.) bieten, lassen sich bei der Sound-Wiedergabe oft gute Effekte aktivieren, welche die Spiele atmosphärischer wirken lassen. Dagegen fehlt der 3D-Sound bei Mainboards und CNR entweder vollständig oder ein 3D-Spatializer (ESS Solo-1) versucht, den Sound aufzupeppen. Was meistens nichts bringt oder furchtbar klingt.

MIDI

Selbst Soundkarten um die 70 Mark lassen MIDI-Stücke recht natürlich klingen. Das hängt aber von den erzeugten Instrumenten ab, die wiederum in den Samplesets stecken. Pop, Techno, Rock bereiten nur den schwächsten Karten Schwierigkeiten - Streicher kann kaum eine natürlich und lebhaft darstellen. Vielen Karten liegt noch ein Equalizer bei, mit dem sich einzelnen Frequenzbänder nachregeln lassen. Bisher haben wir kein Mainboard gesehen, das seine MIDI-Samples in einem eigenen ROM oder RAM aufbewahrt. Die Sets werden im Arbeitsspeicher zwischengespeichert und sind in der Regel 1 bis 2 MByte groß. In den seltenen Fällen verirrt sich auch mal ein qualitativ gutes 6-MByte-Sample auf die Hersteller-CD. In der Regel dürfen Sie nicht viel erwarten; schlimmstenfalls beherrscht das Mainboard nur FM-Synthese, was an den Klang des guten C64 erinnert.

Audiomessungen im Vergleich

Im Folgenden sehen Sie die Messungen von Klirrfaktor und Signalrauschabstand von verschiedenen Mainboards und Soundkarten. Wir haben nur Mainboards und Soundkarten ausgewählt, die mit verschiedenen Codecs und Soundchips bestückt sind. So lässt sich eine praxisnahe Aussage über die Soundqualität einer Soundkarte und einer Onboard-Lösung treffen.

Im Mittel schneiden die Soundkarten sowohl bei der Messung des Klirrgrads als auch des Signal-Rausch-Verhältnisses besser ab - aber nur minimal. Bei den Soundkarten liegt der Klirrfaktor im schlechtesten Fall bei 0,09 Prozent, bei den Mainboards bei 0,13 Prozent. Beides sind durchaus akzeptable Werte. Stellt man den Signalrauschabstand gegenüber, schneiden Mainboards meist etwas schlechter ab als Soundkarten.

Messwerte: Mainboards

Produkt	Codec	Chipsatz-Southbridge	Klirr-out (Prozent)	S/N-out (dB)
Der mit * gekennzeichnete CMI 8738 PCI ist ein All-in-One-Chip.
AOpen AK72	AD1881-JST	VIA VT82C686A	0,07	66,7
Soltek SL-67KV	WM XWM9701A	VIA VT82C686A	0,03	63,1
EPOX EP-7KXA	VIA VT1611A	VIA VT82C686A	0,10	69,7
Tyan Trinity K7 S2380	E CS4297	VIA VT82C686A	0,09	64,9
Kingston KCNR104	AD1885XST	i815E Solano mit ICH2	0,08	65,1
Elitegroup P6BAT-A+	CMI 8738 PCI*	VIA VT82C596B	0,13	67,3

Messwerte: Soundkarten

Produkt	Codec	Soundchip	Klirr-out (Prozent)	S/N-out (dB)
Creative Labs SB Live! Player 1024	Sigmatel STAC '9721T	EMU10K1	0,05	74,0
Guillemot Maxi Sound Fortissimo	Sigmatel STAC '9708T	Yamaha YMF744	0,09	72,3
Hoontech SoundTrack Digital 4DWave NX	Sigmatel STAC '9708T	Trident 3D Wavel-NX	0,08	69,8
TerraTec Base 2 PCI	ESS Solo 1 (ES1938)	ESS Solo 1 (ES1938)	0,06	60,2
Videologic Sonic Vortex 2	Sigmatel STAC '9708T	Aureal Vortex 2	0,03	70,6

Frequenzgänge Soundkarten:

Der ideale Frequenzgang verläuft linear bei 0 dB im gesamten relevanten Spektrum von 20 Hz bis 20 kHz. Die Videologic Sonic Vortex 2 kommt diesem Ideal sehr nahe; weit entfernt davon ist der Frequenzgang der Hoontech 4Dwave-NX.

Viele Soundkarten wie auch die TerraTec 128i PCI haben Schwächen im Bereich der Höhen. Das macht aber nichts, weil wir als Erwachsene Töne ab etwa 17 kHz nicht mehr wahrnehmen.

Frequenzgänge im Vergleich

Auf dieser Seite haben wir die Frequenzgänge verschiedener Mainboards zusammengestellt. Wir zeigen jeweils einen guten, einen schlechten und einen typischen Vertreter je Ansatz.

Zusammenfassend kann man sagen, dass sich bei diesem Qualitätsmerkmal die Onboard-Lösungen kaum von einer Soundkarte bis maximal 200 Mark unterscheiden. Sie liegen im Durchschnitt auf gleich gutem Niveau. Negativ-Beispiele wie das DFI-Mainboard und die Hoontech-Karte 4Dwave-NX lassen sich auf beiden Seiten finden.

Frequenzgänge: Mainboards

Fazit

Die Ausgangsfrage war: Ist der Sound eines Mainboards eine Alternative zu einer Soundkarte? Die Antwort lautet: Ja. Onboard-Sound ist nicht per se schlecht. Es gibt durchaus gute Lösungen, deren Klang überzeugt. Niemand braucht mehr Soundkarten bis etwa 100 Mark.

Soundkarten sind nur dann die bessere Wahl, wenn Spieler höhere Ansprüche an Klangqualität und Funktionen stellen. Das betrifft zum einen Features wie 3D-Sound. Die Raumklangverfahren A3D, EAX und Sensaura werden zunehmend von PC-Spielen unterstützt und vermitteln einen realistischeren Eindruck als 3D-Spatializer, die oft in All-in-One-Chips integriert sind. Zum anderen bieten die aktuellen Soundkarten Anschlüsse für vier Lautsprecher. Bei einer Onboard-Lösung lässt sich meistens nur ein Boxenpaar anschließen.

Anwender, die nicht nur spielen, sondern auch Musik mixen und produzieren wollen, sollten auf hochwertige Soundkarten setzen. Ein leistungsfähiger DSP und digitale Anschlüsse eröffnen vollkommen neue Möglichkeiten. Die Preise dieser Karten beginnen bereits bei 150 Mark (nha)

Testkonfiguration

Die Systembelastung haben wir mit drei verschiedenen Konfigurationen gemessen. Als Benchmark-Programm diente uns die Timedemo 1 von Quake 3 v1.17 bei einer Auflösung von 800x600x32.

Testkonfiguration Systembelastung

Komponente	Daten
Mainboard 1	DFI AK74-SC
Serien-Nr.	D03113463
Firmware	04.08.00
Sonstiges	Rev. A
Soundchip	Codec ICE1232
Soundtreiber	5.12.01.3109
Mainboard 2	Intel Desktop Board D815EEA
Serien-Nr.	INEA01800008 AA A10378-200, E139761
Firmware	EA81510A.86A.0007.P03.0006090912
Sonstiges	kA
Soundchip	Codec Cristal 4297A-J0 und Creative ES1373
Soundtreiber	4.06.1175
Mainboard 3	ASUS CUSL2
Serien-Nr.	07Z0139315
Firmware	1001.A
Sonstiges	Rev. 1.02
Soundchip	--
Soundtreiber	--
Prozessor 1	Athlon 850
CPU ID/ucode ID	0642/00
Prozessor 2	Celeron 500 MHz
CPU ID/ucode ID	0665/03
USB-Boxen	TerraTec Speaker Master USB-Boxen
Soundtreiber	04.10.22
CNR-Karte	Kingston KCNR104
Soundchip	Codec AD1885XST
Soundtreiber	4.06.0604
RAM	Wichmann WorkX MXM256S/PC133
Kapazität	256 MByte
Typ	PC133-SDRAM CAS = 3
Chips	MT 48LC16M8A2
Grafikkarte	Creative Labs GeForce2 GTS
Grafikchip	GeForce2 GTS
Grafikspeicher	32 MByte DDR-SDRAM
BIOS	2.15.03.01.07
Treiber	Detonator 6.18
Soundkarte	Creative Labs SB Live! Platinum
Serien-Nr.	U110066
Modell	CT4760
Treiber	LiveWare 3.0
Netzteil	Channel Well Technology ATX-230
Serien-Nr.	540299070594
Firmware	--
Sonstiges	230W
Festplatte	IBM Deskstar DTLA 305020
Kapazität	20,5 GByte
Schnittstelle	UltraDMA/100
DVD-ROM	Pioneer DVD-303S-A
Serien-Nr.	TGT0059423WL
Firmware	1.09
Sonstiges	--
Tastatur	Cherry RS 6000 M
Serien-Nr.	G06248731L28 4 3
Schnittstelle	PS/2
Sonstiges	--
Maus	Logitech M-S35
Serien-Nr.	LZ84352062
Schnittstelle	PS/2
Sonstiges	3-Tasten