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Disadvantages of onboard sound – Influence of graphics card, headphone sensitivity and motherboard layout | Update 2022

Disclaimer: The following article is machine translated from the original German, and has not been edited or checked for errors. Thank you for understanding!

There is a newer version of this article! Please continue reading here:

Onboard sound disadvantages, problems, workarounds, external and internal solutions, headphone guide and basics

Old review:

External voltage distance and the graphics card

The second point why I think onboard sound is problematic is the current graphics cards and their interaction with the analog audio branch. After all, the signals must somehow be processed and amplified in analog form after the DAC. Here the industry likes to advertise with high-quality capacitors and other stuff, but often enough forgets about elaborate shielding and consideration for the practical circuit board layout. You don’t believe that?

For a better comparison, let’s first start in absolute idle mode, where nothing moves on the screen and even the mouse has a transmission pause once. What we now see as measurement curves is the so-called extraneous or interference voltage. Transients can even be cruel! Here, too, I do not claim laboratory accuracy with the rather simple test setup, but it is always accurate enough to be able to make a reliable statement. The volume control is in the position where the distortion-free maximum level was previously determined.

With approx. 0.0025 Vrms at 500 ohms, the ratio is approx. 1:500 to the maximum possible level of 1,259 Vrms. At 32 ohms, it is still a ratio of almost 1:250 with 0.0019 Vrms to 0.4961 Vrms. It is particularly interesting that the values for Vrms are not that far apart.

But what happens when we run the graphics card at full load with maximum FPS? I determine the values with Witcher 3 in the menu and limit the FPS number to 1000 FPS. If you run the game normally with less than 100 FPS, the peak values for Vrms are on the same level, but the frequency of these peaks is lower. Logical. To do this, I set the audio output to zero in the game, so that I again only measure the extraneous noise at the output.

The jumble of curves on the oscilloscope also harmonizes perfectly with the “coil whine” and the power consumption peaks, which clearly points to the graphics card’s voltage converters as the cause. At 0.0151 Vrms, the value at 500 ohms is now over 6 times higher than at idle, resulting in a ratio of just over 1:83. At 32 ohms, it’s still about 5 times what was measured at idle with 0.0095 Vrms, which results in a ratio of 1:49. Here, one then also quickly reaches the perceptible range.

If you’ve been paying close attention, you’ll also notice that the above values coincide with my finding that the setting of the volume control for the speaker/headphone output doesn’t really matter in the absence of a useful signal. One hears these unwanted mixed products unfortunately always!

Therefore, if you connect an analog amplifier, you should always select the distortion-free maximum level on the PC and better turn down the volume on the speaker. This significantly increases the distance between the signal and the interference voltage. This is only cosmetic, but at least helpful.

 

Intermodulation: Mixed products of a different kind

Don’t be afraid of the bulky term, I’ll explain it to you. Intermodulation (IM) is the creation of new (mixed) frequencies when at least two (or more) different frequencies enter a system with a nonlinear transfer function and are then processed (amplified). On the one hand, we have the audible frequency band of what music or games provide us with, and on the other hand, there are the voltage converters, for example, which clock at about 400 KHz. But not only these.

However, the resulting mixed products are then quickly also in the audible range and you “hear what you see”. The so-called cross modulation is a special form of intermodulation and arises e.g. at nonlinearities of the amplifiers. The higher the quality and shielding of the analog signal path, the lower the levels of these mixed products (“wave salad”). But that’s exactly what you almost always miss with motherboards.

I don’t want to make it too complicated, but I have a nice example of how such a mixed product can negatively affect and even distort our original signal. I first apply a 50 Hz signal at idle and control the amplifier so that the curve is not yet distorted:

The waveform is just perfect and you hear exactly what you expect. How a nicely zoomed out and clean half wave looks, we just had on the previous page.

But what happens when I start the game like I just did? Instead of the gaming sound, I just let the 50 Hz signal continue and record this curve as well. If you look closely, you can see unsightly fringes, especially at the tips of the curves. Unfortunately, they are not the only ones there.

Since it’s hard to see, I’m zooming out another half wave here as well. Only what I see now has nothing to do with a clean 50 Hz curve! Due to the intermodulation this frequency is also influenced and as a product a jittery curve is created! This is annoying, but can no longer be fixed by artifices and tricks.

If the trick with the volume control helped with the signal-to-noise ratio, the distortion of the original signal cannot be eliminated! Even the most expensive DAC doesn’t help, and the most golden capacitors become bored extras when the graphics card hits in such a way. And in Nvidia’s defense, it is fair to say that AMD’s Vega is no less hard to hit and hit again.

 

Remedy: extra sound card

Let’s first look at the internal solution and install the Creative Sound Blaster X AE5. Let’s now take a look at the 50 Hz curve. This already looks much, much better, but….

… it’s not quite perfect either. But it is quite enough, because who still hears this, may have his ears gilded at state expense.

The fact that the back of the sound card doesn’t have a shielding backplate, but the board is fully in the graphics card’s “radar”, might be disturbing here. The great shield unfortunately points in the direction of the power supply, how convenient! Please think along and improve! We can also see very nicely that we can have a whopping 1.2 Vrms at 32 ohms here when you need it. Running!

A real decoupling can only be achieved at the digital output with an external sound card (USB, SPDIF), which can certainly cost a bit more. I’ll save these curves now, because they are as smooth as a baby’s bottom and thus as you would actually expect them to be. Visual impression see previous page.

Interim summary

If the motherboard is not really one of the extra class, the wheat is separated from the chaff when using a potent graphics card at the latest. You even get the annoying chirping on the desktop when scrolling and the workaround with the adjusted levels only helps against the interference voltages as such, but not against intermodulation products, which unfortunately can also audibly distort the original signals. Of course, everyone will react differently to it and only the practiced or trained ear will normally hear it out. Only beautiful unfortunately goes differently, one way or another.

 

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Case39

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2,503 Kommentare 929 Likes

Erstmal frohes Fest allen im Forum. Wie verhält es sich mit Stereolautsprechern und Onboard Sound (und wo wir grad dabei sind, welche kannst du empfehlen?)

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Igor Wallossek

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10,198 Kommentare 18,815 Likes

Aus der Sicht der Transienten und Intermodulation würde ich gar nichts analog Angeschlossenes empfehlen.

Wer es clever anstellen will: einfach einen Satz Aktivlautsprecher mit eigenen Wandlern bestellen (USB oder SPDIF). Klingt hörbar besser und ist frei vom üblichen DSP-Gedöns der Treiber. Für den Desktop (Geld vorausgesetzt) ein Paar Nubert nuPro A100 oder A200 und ggf. einen Sub dazu. Ansonsten Wavemaster, Edifier oder gleich einen Satz Aktivmonitore aus der Studiotechnik. Die gibt es schon recht günstig:

https://www.thomann.de/de/aktive_nahfeldmonitore.html?ref=search_prv_0

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Deridex

Urgestein

2,213 Kommentare 846 Likes

Schöne Analyse Igor.

Aus Entwicklungs- und Layouttechnischer Sicht, wäre es meiner Meinung sogar möglich, die Störungen und das Überkoppeln zu reduzieren.
1. Jeden PCIe-Slot mit mehrstufigen Block-Kondensatoren ausstatten. Ist leider mit einem einzigen Kondensator nicht getan, da man ja einen größeren Frequenzbereich abdecken will
2. Konsequente Trennung von Analog und Digitalteil auf dem Layout. Hier muss durchaus etwas Abstand zwischen den Leiterbahnen gehalten werden, da die digitalen Flanken sonst kapazitiv überkoppeln
3. Saubere Trennung der Massen.

So oder so ist das mit Aufwand und Kosten verbunden. Zusätzlich verschlimmert eine dimmbare RGB-Beleuchtungen die Thematik noch weiter.

Edit: Wünsche euch allen schöne, ruhige und entspannten Feiertage! Und Tippfehler korrigiert.

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Dezor

Veteran

492 Kommentare 215 Likes

Zunächst mal danke für diesen (wiedermal) umfangreichen Test.

Als ich mir vor ~2 meinen Beyerdynamic Kopfhörer gegönnt habe, musste ich mir auch ein neues externes Soundinterface zulegen, der Unterschied war mehr als deutlich zu hören, selbst bei meinen "Holzohren". Inzwischen hängt das Mischpult am MacBook und der PC Sound wird beim Zocken von der internen Soundkarte durchgeschleift. Ja, man hört die Störgeräusche leider mehr als deutlich. Aber da ich über das MacBook Videos gucke, Musik höre und Teamspeak benutze, ist mir das so wichtiger. Die meiste Zeit ist der Sound vom PC sowieso aus.

Zum Test: Ein kleiner Fehler ist mir auf Seite 2 aufgefallen. Die Sinusleistung liegt bei 14 mW, nicht bei 1,4 mW (oder ich finde meinen Denkfehler nicht). Zudem könntest du wenn du Langeweile hast mal gucken, ob du die Störgeräusche durch Fouriertransformation oder Abziehen eines Sinus von den gemessenen Werten noch deutlicher machen kannst.

Ansonsten: schöne Feiertage.

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Vielen Dank Igor für diesen Test. Wäre es möglich für die Zukunft auch den Mikrofoneingang zu messen? Ein Freund von mir hat mit seiner internen Soundkarte massive Probleme mit dem Mikrofoneingang, wenn seine Grafikkarte auf volle Leistung in Spielen getrieben wird. Im Teamspeak klingt seine Audioübertragung dann so, als ob er in einem Hubschrauber sitzt. Man kann sehr gut das Taktverhalten der Grafikkarte hören, die dann in den Mikrofonkanal Störgeräusche einstrahlt. Das ist ihm zuerst aufgefallen, als er sich ein ModMic für seine Beyerdynamic Kopfhörer geholt hat. Zuerst hat er sich mit dem Onboard Mikrofoneingang beholfen, nutzt nun aber ein USB-Audiointerface (Yamaha AG03). Das ModMic wurde mittlerweile von einem Kondensatormikrofon (Rode NT-1A) abgelöst.

Kann es sein, dass bei der Rechnung (0,678 V)² / 32 Ohm = 1,4 mW Sinus ein kleiner Fehler drin ist? Wenn ich das ausrechne, komme ich auf 14,37 mW. Dann wäre bei einem reinen Sinus Signal die Leistung doppelt so hoch wie beim Vrms Wert. Das würde dann auch den abfallenden Lautstärke Effekt erklären, den viele Personen bei komplexeren Signalen empfinden. Bei einfachen Signalen ist die Lautstärke ausreichend und bricht dann bei komplexeren Signalen ein.

Ich wünsche allen fröhliche Weihnachten

Edit: War grade am schreiben, als Dezor den gleichen Gedanken wie ich mit der Rechnung auf Seite 2 geposted hat.

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Igor Wallossek

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10,198 Kommentare 18,815 Likes

Klar. Kommastelle und so. Danke fürs Finden :)

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Passiert mir auch immer wieder ;) Gerade bei kleinen Werten passiert das ganz schnell. War nur etwas stutzig geworden, da das Ergebnis der Rechnung mit dem größeren Wert ein kleineres Ergebnis ergab. Deswegen hatte ich das nochmal nachgerechnet.

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Igor Wallossek

1

10,198 Kommentare 18,815 Likes

Ich hatte unlängst eine längere Diskussion mit einem Audiotechniker und -Entwickler, was die RMS-Angaben betrifft. Früher gab es Sinusleistung und Musikleistung, mache schrieben von Impulsleistung und dem, was ein "weiches" Netzteil mit möglichst großen Kondensatoren ausmacht. Auch diese Dinge waren nicht zwingend pauschal zu verstehen und zu verallgemeinern. :D

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g
ge0815

Neuling

8 Kommentare 5 Likes

Erstmal: Frohe Weihnachten auch an Dich und Dein Team!
Wunderbarer Artikel mal wieder. Um ehrlich zu sein, haben mich Lautsprecher- und Kopfhörertests nie so brennend interessiert, aber das hier ist wirklich erste Sahne und weckt das Interesse für die anderen Artikel.
Ich sehe es schon kommen, dass in nicht mal einem Jahr einige Motherboard-Herstelle auch angesprochene Werte angeben und wieder mehr Wert darauf legen.
Igor setzt eben Maßstäbe :)

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Ich kann mich auch noch an diese abstrusen PMPO Angaben erinnern, wo einfache Boxen auf einmal 1000 W haben sollten. Das es sich dabei nur um kurzzeitige Impuls Werte gehandelt hat, haben die Marketingabteilungen von so manchem Discounter nicht interessiert.

Bei Instrumentenverstärkern ist das auch ähnlich. Als ich damals mit dem E-Bass angefangen habe, wurde immer empfohlen, einen Verstärker mit der drei- bis fünffachen Leistung des Verstärkers des Gitarristen zu nehmen. Ich habe mir aber bewusst einen kleineren Übungsverstärker mit 150 W besorgt, den ich über die Anschlüsse auch ins Mischpult und die PA-Anlage speisen kann. Auch waren die Tipps zum Soundmischen aus dem Bereich Homerecording sehr hilfreich. Durch die Tipps haben wir die Instrumente von den Frequenzen her etwas entzerrt, um Interferenzen zu verhindern. Das hat aus einem muffig klingenden Sound einen recht knackigen Sound gemacht. Man muss halt immer über den Tellerrand schauen und sich nicht mit den allgemeinen Tipps zufrieden geben :D

Und um wieder zurück zum Thema zu kommen ;):

Wie könnte man auf einem Mainboard den Audioteil gut vor Störsignalen der Grafikkarte abschirmen? Da auf dem Mainboard alles so eng zusammenliegt, könnte ich mir das durchaus als schwierige, wenn nicht sogar als unmögliche Aufgabe vorstellen. Wobei ich vermute, dass vor allem die Eingangsseite (Mikrofon) am schwierigsten abzuschirmen ist.

Das die Empfehlung zu einer vollkommenen elektrischen Trennung von Computer und Audioverstärker mittels optischer Signalübertragung der beste Weg ist, steht außer Frage. Nicht umsonst haben viele professionelle Audiogeräte optische Ein- und Ausgänge.

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D
Deridex

Urgestein

2,213 Kommentare 846 Likes

Bei kleinen Mainboards dürfte das wirklich schwierig werden. Allerdings erscheint es mir durchaus machbar bei einem AM4 oder LGA1151 Board im ATX-Format, das Layout so anzupassen, das der Audioteil weniger gestört wird.

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K
KalleWirsch

Veteran

186 Kommentare 91 Likes

Sehr gut und verständlich geschrieben. Daher ein dickes Lob.

Allerdings wird hier immer vom Szenario Kopfhörer an Soundkarte ausgegangen. Wie kann man die Erkenntnisse denn auf die Situation übertragen, wenn man mit dem analogen Audio Signal erst mal in einen Verstärker geht und dort den Kopfhörer anschließt?

Im Grunde braucht man doch eh immer einen externen Verstärker, den für mich ist ein Kopfhörer irgendwie immer erst mal ein Komfort-Problem, welches das Hör-Erlebnis erheblich beeinträchtigt.

Ich vermute das Problem mit den Störsignalen ist da genauso hoch? Oder größer oder niedriger?
Das Problem mit der zu niedrigen Ausgangspannung für Kopfhörer dürfte ja je nach Verstärker eher ausgeschlossen sein.

Wenn schon Kopfhörer am PC, dann doch am liebsten einen Mittelklasse HIFI-Verträrker in der Tastatur oder am Monitor, so das man das Problemlos ein und austecken kann.

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D
Dezor

Veteran

492 Kommentare 215 Likes

Grundsätzlich schon. Dann müsste die GPU wahrscheinlich möglichst weit unten sitzen und der Audio-Chip dort, wo normalerweise der erste Slot für Erweiterungskarten ist. Ansonsten müsste man auf dem Weg zu den Klinkenbuchsen wieder an der GPU vorbei.

Das Problem ist, dass du das gestörte Signal verstärkst und damit auch die Störungen. Allerdings könnte es tatsächlich etwas besser sein, wenn du in Windows den maximalen Pegel wählst und dann beim Verstärker die Lautstärke dann regelst. Aber das hängt davon ab, wo die Störungen eingekoppelt werden.

Da kommt es dann drauf an, wo der DA-Wandler sitzt. Weit entfernt von der GPU ist schonmal gut, aber ich vermute mal stark, dass in Tastaturen und Monitoren keine wirklich hochwertige Hardware zum Einsatz kommt. Die Soundqualität dürfte damit deutlich schlechter sein als bei hochwertigen externen Soundkarten. Aber die Störgeräusche, um die es in diesem Artikel primär geht, sollten dadurch weitgehend verhindert werden.

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Igor Wallossek

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10,198 Kommentare 18,815 Likes

Steht alles im Artikel. Seite 3.

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Corro Dedd

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1,815 Kommentare 674 Likes

Digitale Aus- bzw. Eingänge haben aber anscheinend auch ihre Tücken. Habe meinem Kumpel die Edifier Studio R2000DB empfohlen, diese sollte er über Toslink anklemmen, hat soweit auch funktioniert, nur hat er zwei Probleme:

Zum einen ist seine Steckerleiste und der PC auf der linken Seite vom Tisch, zudem auch die optische Leitung nicht lang genug, also sind die Seiten vertauscht. Ohne Drittanbietersoftware war es (auch im Treibermenü) nicht möglich unter Windows 10 die Kanäle zu tauschen. Also doch analog angeschlossen mit dem beigelegten Klinke-Cinch Kabel war es dann auch ganz einfach physikalisch möglich die Kanäle zu tauschen.

Gut, man könnte jetzt halt ein Verlängerungskabel kaufen, ein längeres Toslink und das Problem wäre gegessen, aber dann bleibt noch ein weiteres Problem mit dem Digitaleingang: Er hatte ein Knacksen in den Lautsprechern, auch wenn keine Audioquelle ein Signal ausgab. Viele Meinungen besagen, das sind Störungen, eingestreut durch Kühlschrank, Backofen, whatever, oder eine fehlerhafte Auto-Mute Funktion der Lautsprecher, wenn kein Signal anliegt, mein Tablet macht so ähnliche Geräusche beim Abspielen von YouTube Videos im Browser zum Beispiel.

Man kann bei den Edifiern wohl die Firmware updaten, das Auto-Mute Problem ist schon länger bekannt. Aber ich weiß nicht, ob der das schon gemacht hat. Dafür hat er weiter recherchiert und nun scheint es eine Kombination aus NVidia Grafikkarte, Z370 Chipsatz, ALC 1220 Chip und Digital-out zu sein, wobei die Ursache wohl im Nvidia Treiber liegen soll. Andererseits hat er ein Board mit Z390.

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Igor Wallossek

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10,198 Kommentare 18,815 Likes

Z390 ist quasi Z370. Hochgelabelt ;)

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FfFCMAD

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670 Kommentare 174 Likes

Schoener Artikel, Igor

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arcDaniel

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1,601 Kommentare 862 Likes

Ich habe den Artikel spannend gelesen und noch einen weiteren Fall wo ich deine @Igor Wallossek Einschätzung lesen möchte.

Wenn ich nun meine aktiven Lautspecher am Bildschirm anschliesse und welcher wiederum den "digitalen sound" übers DisplayPort oder HDMI bekommt, in welcher Katergorie würden wir uns denn bewegen? Externe Soundkarte? MB Intern im Idle? Kann der Monitor stärkere Stögeräusche als das Innenleben eines PCs verursachen? oder vielleicht weniger?

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g
guggi

Mitglied

27 Kommentare 17 Likes

Hab mich jetzt auch endlich angemeldet, super Artikel seit der Umstrukturierung!
Die "Macht" einer Grafikkarte musste ich auch erst vor kurzem erleben, hatte seit Ewigkeiten Probleme mit dem WLAN und war kurz vorm verzweifeln. Ein Slot mehr Abstand zur Graka und schon war das Problem deutlich gelindert, dafür hörte man jede mausbewegung in den Lautsprechern, da sich jetzt die Soundkarte zur Graka kuscheln durfe. Also wurde es eben eine externe Lösung fürs Netzwerk.
Aber zurück zum Thema: Wie schlägt sich denn eine vor Jahren gern empfohlene Budget-Headset-Lösung gegen aktuelle (onboard)-Hardware? Konkret handelt es sich dabei um einen umgelabelten Superlux-kopfhörer, den Presonus HD7 in Kombination mit einer Xonar DGX. Die Soundkarte musste sein, da die onboard des billig-am3+ bretts einfach grausam war. Naja Schülerbudget zu der Zeit eben.
Mittlerweile leg ich doch etwas mehr Wert auf Klangqualität und frage mich, ob es Empfehlungen gibt, die mich nicht mein letztes Hemd kosten?

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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