Cân bằng giữa nghe nhạc & gia đình

Có đồ mới để lên bài.
Mua về mới để ý thấy cái kim VU của Dan D'Agostino nó làm theo Breguet kim cổ ngỗng, font mặt đồng hồ cũng y chang. Rất hợp lý cho anh em mê đồng hồ & cũng mê audio.
Sắp tới lại phải tìm cái kệ rồi.
Càng chơi kệ lại càng gọn gàng. Chắc vài tháng nữa em chơi loa Bluetooth

 

Khi nào thì Momentum em ơi,kk

 

Vì trước khi mua cái gì, anh em cũng thường đọc/ review rất nhiều về món định mua.

Cho nên, ở topic này em cũng cố gắng cung cấp các thông tin để các bác "lỡ" có nhu cầu có thêm 1 kênh tham khảo.

Dan D'Agostino Progression tại Hoàng Hải, ngày xuất xưởng 9/2024 về tới VN coi là bản mới nhất.


Về các version của Progression, các bác phân biệt ở các chi tiết sau:

Đời I: Được giới thiệu 9/2019 tại Munich High End 2019. Nhấn mạnh nền tảng mạch Super Rail của hãng - khai thác tối đa & mang lại khả năng điều khiển, độ trung thực vượt trội cho bất kỳ loa nào được kết nối.
Link: D'Agostino phát hành bộ khuếch đại tích hợp tiến trình mới | Cao cấp 2019 - pt. ÂM THANH

Ảnh 1: Phiên bản năm 2019​

Đời II: Ngoại hình có đôi chút thay đổi & Mạch cải tiến.
Đặc điểm ở đời này là núm xoay được làm tinh tế hơn rồi. Biến áp đời này vẫn từ Kean Ocean sản xuất độc quyền cho Daniel theo tiêu chí riêng. Dùng chung cho các đời Momentum MxV Integrated, M350 Mono Block,...

Ở đời này, Progression sử dụng 1 biến áp, bảng mạch nhiều dây inter bạc, đồng mạ bạc với tối ưu chịu tải cao.

Ảnh 2: Mặt đồng hồ ở đời II

​

Ảnh 3: Phía trong bản II​

Sử dụng 1 BA - Dây rối - Hàng tụ góc 13h và 17h màu đen của mạch Preamp. PCB màu xanh.



Đời III: Từ năm 2023-2024:

• Hoàn thiện bóng, mặt đồng hồ có chạm khắc lazer kỹ & tinh tế hơn.
• Vân ở bề mặt được xử lý vảy cá tạo hiệu ứng 7 màu.

Ảnh 4: Phiên bản năm 2023-2024​

• Dùng thêm 1 BA cho phần pre
• BA Kean Ocean có ghi 2200 - Có khả năng hãng đã nâng từ 2000va lên 2200va và đó là một mẫu cải tiến công suất từ Kean - là một công ty nghiêm túc trong số các nhà sản xuất máy biến áp cho các ứng dụng y tế. Mẫu này được sản xuất riêng theo yêu cầu từ Daniel.
• Nâng cấp dàn tụ 2 mạch Pre thành tụ Wurth đỏ (ảnh)

Từ cuối năm 2024 đến đầu 2025 tại Việt Nam (hoặc có thể tùy thị trường)
- Nâng cấp & thay đổi tụ mạch Pre thành Nichicon Gold Fine Vàng, PCB màu đỏ thay vì màu xanh.

Ảnh 5: Phiên bản cuối 2024-2025​

Trải nghiệm thực tế khi ghép nối với hệ thống (thu iPhone):
Nguồn điện: Powertank 5kva
CDP: dCS Puccini + U-Clock

 

Hôm rồi em có nhận được 1 bản Ổ cắm lọc điện phiên bản mới nâng cấp từ ổ năm trước em đã từng đánh giá (page 1). Để đỡ mang tính PR nọ kia em xin không public thông tin. Em chỉ note lại như 1 dạng nhật ký cắm rút mà thôi.
Về mặt nâng cấp thì năm nay, bác technical đã nâng cấp các thành phần sau:
1. Mặt đế thoát mass làm dày hơn
2. Tụ tị được nâng cấp dùng tụ Wurth bản mới với thông số cao hơn, chịu tải 20A cao hơn bản cũ.
3. Các cuộn cảm cũng dùng bản cao hơn của Wurth - Germany
4. Công tắc "thuỷ lực từ tính" gì gì đó tên tiếng anh em không nhớ. Nói chung search ổ cắm hãng Shuyata là ra.
5. Các dây nối được chuyển hết thành thanh đồng mạ bạc thật - cái này hay à nha. Nhìn rất xịn xò.
6. Nâng cấp chân rung bi gốm đi kèm.
7. Mạch được tinh chỉnh - nhìn gọn & sướng mắt. 2 lớp lồng chống nhiễu.

Ngoài ra, theo yêu cầu cá nhân em thì em yêu cầu làm cho em 1 ổ trực tiếp không qua lọc để nối thằng vào Dan Agostino. Đi dây 8awg đồng mạ bạc của Oehbach.
Vì hãng có ghi rõ, với tải peak 32A không khuyến cáo dùng qua lọc:




Ngoài ra, em cũng có mượn dây nguồn V16 của 1 bác đồng nghiệp để thử xem hiệu ứng lọc giữa dây nguồn & ổ lọc khác gì so với cắm lưới, hoặc cắm qua powertank. Và tổng thể khi kết hợp toàn bộ giải pháp xử lý điện lại thì sẽ như thế nào.

 

Tụ mới nâng cấp khá ngon

 

[Trải nghiệm và so sánh dCS Puccini + U-Clock & dCS Bartók – Khi âm thanh là ánh sáng giữa không gian số]
- thử nghiệm bài viết gen bằng chatGPT từ những gạch đầu dòng chính, những thông số nếu cần xác thực lại sẽ được cập nhật sau khi đăng. Mọi thông tin chỉ mang tính chất tham khảo dưới góc độ người yêu nhạc.​

Tháng 4/2025
Một ngày ngồi lại với âm thanh​

Có buổi chiều Hà Nội mát lành, nơi ánh sáng xuyên qua tấm kính đôi cách âm như tan chảy vào không gian. Tôi ngồi trong phòng nghe quen thuộc – căn phòng đầy mùi gỗ, mùi da, và sự tĩnh lặng đến mức từng nhịp tim cũng dường như vọng lại.

Hôm nay có buổi nghe thử ấm áp với bạn bè, cùng một chút đồ uống có cồn nhẹ đủ để tâm hồn ta thả lỏng:

• CDP dCS Puccini + U-Clock – tượng đài CD playback của hơn một thập kỷ trước,
• dCS Bartók, người kế nhiệm đầy tham vọng mang linh hồn Vivaldi;

Không phải là buổi so găng – mà là một cuộc đối thoại âm thanh giữa hai thế hệ. Tôi chuẩn bị những CD/bản nhạc yêu thích để trải lòng cùng hai cỗ máy:

Danh sách nhạc thử & buổi nghe bắt đầu

• Clair de Lune – Claude Debussy (hi-res 24bit/96kHz)
• Blue in Green – Miles Davis (DSD64)
• Ain’t No Sunshine – Bill Withers (CD rip)
• Take Five – Dave Brubeck Quartet (Vinyl rip 24bit/192kHz)
• Adagio for Strings – Samuel Barber, Berlin Philharmonic (FLAC 24/192)

|1. Clair de Lune – Debussy: Bản thể âm sắc
Với Puccini + U-Clock, từng phím đàn ngân lên mượt như nước chảy, decay mềm, kéo dài như ánh trăng soi mặt hồ. Âm trường rộng rãi, dải trung ngọt, dải cao không gắt mà óng ánh như được phủ một lớp nhung. U-Clock làm việc xuất sắc trong việc ổn định thời gian – từng cú đạp pedal piano hiện rõ, nhịp nhạc tự nhiên, thở. Puccini đưa tôi về những ngày tháng cũ – nơi DAC chưa cần quá nhiều định nghĩa kỹ thuật, chỉ cần truyền cảm xúc

Khi chuyển sang Bartók, sự khác biệt lập tức được cảm nhận. Mọi thứ trở nên sắc nét hơn, rõ ràng hơn – giống như máy ảnh vừa điều chỉnh đúng nét sau nhiều năm bị lệch một chút. Âm thanh Bartók không “ve vuốt” bạn như Puccini, nó đưa bạn vào một khung cảnh được dựng bằng laser: cực kỳ chính xác, đầy thông tin, tĩnh nền sạch đến đáng kinh ngạc.

|2. Blue in Green – Miles Davis: Hơi thở của trumpet
Đến Blue in Green, trumpet của Miles hiện lên ấm, có hồn, mang một chút khói thuốc và tĩnh lặng. Âm sắc giàu harmonic, không khô mà có phần ngọt – rất analog. Dải trung là điểm mạnh rõ ràng của Puccini, nhưng khi đẩy sang các đoạn dynamic phức tạp (Adagio for Strings), tôi nhận ra hạn chế nhẹ về headroom và không gian – vẫn rất tốt, nhưng không rộng mở như các thiết kế Ring DAC mới trên Bartók.

Puccini khiến cây kèn của Miles như tan ra trong không gian. Có gì đó rất “người” – một chút xước, một chút mờ, nhưng đầy hồn. Nền âm hơi ấm, giống chất bán dẫn cổ. Bass có lực vừa phải, cymbal hơi mờ nhẹ – nhưng tổng thể quyến rũ, như một bản ghi analog đúng nghĩa.

Bartók thì khác. Nó bóc tách từng lớp nhạc cụ – tiếng trumpet không chỉ hiện ra, mà còn có texture rất thật: từng rung động, từng lần bấm piston kèn đều có độ nổi 3D rõ ràng. Âm nền sạch kinh khủng – đến mức nghe thấy… khoảng lặng.

|3. Ain’t No Sunshine – Bill Withers: Mộc mạc & tình cảm
Bản này là phép thử với vocal. Puccini đưa Bill đến gần, giọng khàn, ấm, có không khí. Không quá chi tiết nhưng rất “mượt tai”. Đàn guitar nền mềm mại, decay của dây nylon rõ. Một chút màu analog dễ cảm.
Bartók đẩy giọng Bill về đúng kích thước thật hơn, nhưng… ít chiều sâu cảm xúc hơn Puccini. Đổi lại, nhạc cụ cực kỳ rõ – guitar dây rung, finger picking hiện lên chân thực. Tùy gu người nghe – nếu bạn yêu sự mộc, có lẽ Puccini chạm đến trái tim hơn.

|4. Take Five – Dave Brubeck: Nhịp jazz, độ động
Take Five là nơi Bartók phô diễn sự vượt trội: timing của bộ gõ được tái hiện với độ chính xác gần như tuyệt đối – từng chuyển động không khí, từng tiếng cymbal tan vào nền đen tĩnh lặng. Trong Adagio, không chỉ có dải động ấn tượng, mà cả sự phân lớp nhạc cụ, chiều sâu sân khấu cũng được mở rộng – như thể phòng nghe trở thành khán phòng Berliner Philharmonic.

Đây là bài test tốc độ và timing. Puccini trình diễn ổn – âm hình đủ, drum có lực, saxophone bay. Nhưng ở những đoạn phức tạp, timing chưa thật gắt – nhạc cụ hơi chồng nhẹ.

Bartók thì như một chiếc đồng hồ cơ cấp chronometer: từng nhát snare, từng cú ride cymbal gõ xuống, đều nằm đúng vị trí không lệch nửa beat. Điều ấn tượng là dynamic không hề khô – Bartók điều tiết từng tầng năng lượng rất tốt. Không gian phòng thu tái hiện đầy đủ, saxophone có hơi thở thật hơn.

|5. Adagio for Strings – Barber: Cảm xúc lớn và kiểm soát dải động
Puccini thể hiện phần này đầy xúc cảm. Dù dải động không quá rộng, nhưng cách nó fade in/fade out làm bạn nghẹn ngào. Strings mang màu analog nhẹ, có sự thổn thức.
Bartók đẩy dàn nhạc lên một tầm cao khác – âm hình mở rộng, phân lớp tốt, dynamic sâu. Nhưng nếu bạn nghe để “chết lặng”, Puccini có thể mang lại cảm xúc “người” hơn – trong khi Bartók thể hiện bản nhạc như một nhạc trưởng người Đức: kỹ lưỡng, tuyệt đối, kiểm soát.


Cảm nhận (rất) cá nhân
Nếu Puccini là một nghệ sĩ lãng mạn bước ra từ thế kỷ trước, thì Bartók là một kiến trúc sư hiện đại, lạnh lùng và thiên tài.
Puccini + U-Clock phù hợp với người chơi yêu nhạc xưa, giàu cảm xúc, yêu chất âm analog, và sẵn lòng đầu tư hệ thống phối ghép đồng bộ. Nó là một “vũ trụ hoài niệm” dành cho tai nghe nhạc hơn là đọc specs.
Bartók, ngược lại, dành cho người chơi nhạc số hiện đại, đề cao sự chính xác, khả năng kết nối mạnh, linh hoạt với mọi nguồn phát cao cấp. Trên thử nghiệm của tôi, khi làm tốt Lan input (switch, router được phân tách cách ly tốt) Bartók sẽ tăng được 1 chút độ động. Nó chính xác đến mức bạn sẽ cần một hệ thống thật trung thực để phát huy hết tiềm năng.

Âm thanh đôi khi không cần khoa học, nó chỉ cần khiến người nghe im lặng thật lâu sau một bản nhạc. Cả hai thiết bị dCS đều làm được điều đó – theo những cách khác nhau.
Tôi rời khỏi phòng nghe khi ngoài cửa sổ trời đã tối. Nhưng trong tâm trí, Clair de Lune vẫn còn ngân – trong sự hòa quyện giữa hoài niệm và hiện tại.

Bạn chọn điều gì? Một trái tim – hay một trí tuệ?

”
Tiêu chí Puccini Bartók
Âm sắc ★★★★☆ ★★★★☆
Chi tiết ★★★★☆ ★★★★★
Dải động ★★★★☆ ★★★★★
Tính analog ★★★★★ ★★★★☆
Độ mở âm trường ★★★★☆ ★★★★★
Khả năng xử lý phức hợp ★★★★☆ ★★★★★
Tính linh hoạt hệ thống ★★☆☆☆ ★★★★★
Hỗ trợ & cập nhật ☆☆☆☆☆ ★★★★★
Đầu tư dài hạn ★★★☆☆ ★★★★★

 

Bác test và viết công phu quá!

Bác thử cho Bartok “ăn” clock rời và xả nhiễu Entreq xem sao nhé (xả Entreq qua dây đầu RJ45). Chắc chắn sẽ ngạc nhiên đấy bác

Chúc bác nghe nhạc vui!

 

Tháng 4/2025
Một ngày ngồi lại với âm thanh

Có buổi chiều Hà Nội mát lành, nơi ánh sáng xuyên qua tấm kính đôi cách âm như tan chảy vào không gian. Tôi ngồi trong phòng nghe quen thuộc – căn phòng đầy mùi gỗ, mùi da, và sự tĩnh lặng đến mức từng nhịp tim cũng dường như vọng lại.
Quá hay! một con người chắc thật sự là rất tuyệt vời nên mới có nhứng cảm súc dã man đến vậy.

 

Giới thiệu về chuyển đổi số sang tương tự và công nghệ độc đáo bên trong tất cả các DAC của dCS

Hiểu về dCS Ring DAC™
Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) là một thành phần căn bản của mọi hệ thống âm thanh kỹ thuật số. Thiết kế của chúng có ảnh hưởng sâu sắc đến cách chúng ta trải nghiệm âm nhạc và hiệu suất hoạt động của hệ thống âm thanh.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá những kiến thức cơ bản về chuyển đổi số sang tương tự và các loại DAC hiện có ngày nay, trước khi đi sâu tìm hiểu dCS Ring DAC™ – công nghệ chuyển đổi số sang tương tự độc quyền được tích hợp trong mọi DAC của dCS.

Chúng ta sẽ khám phá thiết kế của Ring DAC và chứng minh cách nó khác biệt so với các Ladder DAC truyền thống, đồng thời cho thấy Ring DAC giải quyết các vấn đề dẫn đến méo tiếng như thế nào, mang lại hiệu suất đứng đầu phân khúc, thể hiện được những chi tiết tinh tế nhất trong âm nhạc và làm rõ mọi khía cạnh của âm thanh.

Tóm tắt nội dung
dCS Insights & Innovation
Hiểu về dCS Ring DAC™

Âm thanh kỹ thuật số: những điều cơ bản
Để hiểu cách Ring DAC hoạt động, cần nắm được các kiến thức cơ bản về âm thanh kỹ thuật số và các phương pháp dùng để thu và lưu trữ âm thanh.

Âm thanh là tín hiệu tương tự, được tạo ra khi áp suất không khí thay đổi khiến các phân tử không khí dao động và va chạm lẫn nhau – quá trình tạo ra sóng dọc (longitudinal waves). Điều này tương tự như khi bạn nhờ hai người kéo giãn một chiếc lò xo (slinky) và đẩy một đầu, tạo ra một ‘gợn sóng’ đi qua từng vòng lò xo, đẩy vòng tiếp theo tiến về phía trước và nén lại. Mỗi lần một vòng lò xo mới bị đẩy lên, vòng trước đó sẽ co lại hoặc ‘giãn ra’. Sóng nén này lan truyền dọc theo lò xo đến đầu kia.

Quá trình này cũng diễn ra với âm thanh. Khi ai đó nói, dây thanh quản kích thích và đẩy không khí xung quanh họ đi tới đi lui, tạo ra các sóng dọc trong không khí. Khi sóng này tới tai người, các biến đổi áp suất không khí được chuyển đổi thành tín hiệu điện, và não bộ sẽ nhận biết đây là âm thanh.

Mục đích của việc thu âm nhạc là ghi lại những biến đổi áp suất không khí này và lưu trữ chúng theo cách có thể tái tạo lại sau này qua thiết bị chuyển đổi như loa hoặc tai nghe, giúp người nghe trải nghiệm âm thanh nguyên bản như khi nó được tạo ra.

Ngày nay, việc này thường được thực hiện bằng cách sử dụng một hoặc nhiều micro và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC). Một buổi biểu diễn âm nhạc được ghi lại qua micro, chuyển năng lượng động học của các phân tử không khí thành năng lượng điện (điện áp). Bộ ADC chuyển điện áp này thành định dạng số để máy tính lưu trữ hoặc truyền tải qua mạng internet. ADC đo điện áp vào từ thiết bị thu âm như micro hoặc bàn trộn, xác định điện áp tại mỗi điểm thời gian, và lưu nó dưới dạng chuỗi các bit nhị phân (1 và 0), gọi là một ‘word’.

PCM, độ sâu bit và tốc độ lấy mẫu
Định dạng phổ biến nhất để mã hóa âm thanh số là PCM (Pulse Code Modulation). PCM có hai biến số quan trọng: tốc độ lấy mẫu (sample rate) – tần suất lấy mẫu, và độ sâu bit (bit depth) – số bit trong mỗi mẫu âm thanh.

Biểu đồ dưới đây minh họa cách một sóng âm tương tự có thể được biểu diễn bằng mã PCM 16 bit với tốc độ lấy mẫu 44.100 mẫu mỗi giây.

This diagram shows how an analogue sound wave can be represented with 16-bit 44,100 samples per second PCM encoding.

Độ sâu bit (Bit Depth)
Độ sâu bit biểu thị số lượng bit có thể dùng để mô tả vị trí tuyệt đối của sóng âm trong quá trình ghi âm kỹ thuật số. Nhiều định dạng âm thanh kỹ thuật số, bao gồm CD, sử dụng độ sâu bit 16, nghĩa là ADC có thể chọn một trong 65.535 giá trị khác nhau tại mỗi điểm lấy mẫu.

Thông thường, tai người được cho là có khả năng cảm nhận tương đương 20 bit dải động, khoảng 140 dB (giới hạn trên là ngưỡng đau). Âm thanh CD với 16 bit đạt khoảng 96 dB dải động (khoảng cách giữa âm lượng lớn nhất và nhỏ nhất có thể lấy mẫu được). Sử dụng kỹ thuật dither (thêm nhiễu nhỏ) có thể nâng dải động này lên hơn 120 dB, là một cải tiến đáng kể. Khi chuyển sang định dạng hi-res 24 bit, dải động này tăng lên 144 dB – với điều kiện thiết bị có khả năng thực sự xử lý 24 bit.

Một hiểu nhầm phổ biến là 24-bit chỉ đơn giản là ghi được âm thanh lớn hơn hoặc nhỏ hơn so với 16-bit, nhưng thực tế không phải vậy. Độ sâu bit cao hơn cho phép đo sóng với nhiều bước nhỏ hơn, từ đó mô tả biên độ sóng chính xác hơn.

Hãy tưởng tượng bạn đo chiều cao cửa sổ một tòa nhà cao tầng. Nếu chỉ đo được theo bước 1 mét, cửa sổ cao 10,7 m có thể được làm tròn thành 10 hoặc 11 mét, dẫn đến sai số. Nếu bạn đo theo bước 0,2 m, bạn có thể làm tròn thành 10,6 hoặc 10,8 m, gần với giá trị thật hơn. Đó là cách độ sâu bit cao hơn giúp giảm sai số đo trong âm thanh kỹ thuật số.

Sai số này trong âm thanh gọi là nhiễu lượng tử (quantisation noise), gây ra tiếng ồn khó chịu khi tái tạo.

Khi làm việc với âm thanh hi-res, mỗi bit thêm vào độ sâu bit giảm một nửa sai số lượng tử, giảm 6 dB nhiễu lượng tử.

Tốc độ lấy mẫu (Sample Rates)
Nếu tai người chỉ nghe được âm thanh lên đến 20.000 Hz, thì có lý do gì để dùng tốc độ lấy mẫu cao hơn 20.000 Hz không? Câu trả lời là có.

Một trong những yếu tố quan trọng nhất của âm thanh kỹ thuật số là Định lý Nyquist, quy định rằng tốc độ lấy mẫu số phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất mà ta muốn ghi lại trong tín hiệu tương tự ban đầu.

Vì giới hạn thính giác của con người được chấp nhận là 20.000 Hz, nên tốc độ lấy mẫu phải ít nhất 40.000 Hz để có thể tái tạo toàn bộ dải âm nghe được.

Vì một số lý do sẽ được đề cập sau (liên quan đến bộ lọc kỹ thuật số bên trong bộ chuyển đổi số sang tương tự), các bản ghi đầy đủ dải tần thường được lấy mẫu với tốc độ cao hơn một chút, ví dụ CD audio lấy mẫu ở 44.100 Hz.

Tốc độ lấy mẫu này được gọi là sample rate, và xác định số lượng mẫu được lấy mỗi giây.

Việc chạy âm thanh số ở tốc độ lấy mẫu cao hơn cũng cho phép sử dụng các bộ lọc chống nhiễu (anti-aliasing filters) nhẹ nhàng hơn. Tốc độ lấy mẫu cao và lọc nhẹ giúp giảm tác động của bộ lọc lên tín hiệu, hạn chế các hiện tượng như tiền rung và hậu rung (pre- and post-ringing), từ đó cải thiện chất lượng âm thanh.

Hai thông số này — tốc độ lấy mẫu và độ sâu bit — chính là những gì định nghĩa âm thanh PCM. Khi một sản phẩm dCS phát lại dữ liệu PCM, màn hình sẽ hiển thị như 24/192 khi phát luồng PCM với tốc độ 192 kHz và độ sâu 24 bit.

Mô hình minh họa
Biểu đồ minh họa cách một sóng âm tương tự có thể được biểu diễn bằng mã PCM 24 bit với tốc độ lấy mẫu 176.400 mẫu mỗi giây.

Tốc độ lấy mẫu cao hơn CD cho phép biểu diễn chi tiết hơn theo trục X (thời gian), trong khi độ sâu bit cao hơn cho phép biểu diễn biên độ sóng chính xác hơn trên trục Y.

Điều chế mật độ xung (Pulse Density Modulation - DSD)
Khác với âm thanh PCM, trong quá trình lấy mẫu ADC, giá trị điện áp tương tự tuyệt đối được lấy ở mỗi điểm thời gian, thì trong DSD (hay PDM - Pulse Density Modulation), việc lấy mẫu dựa trên khoảng thời gian giữa hai mẫu liên tiếp để xác định xem sóng đang tăng hay giảm biên độ.

Nếu các mẫu gần nhau hơn, sóng đang tăng biên độ. Nếu các mẫu cách xa nhau, biên độ sóng đang giảm.

Không thể biết được giá trị biên độ tuyệt đối của sóng khi xem từng mẫu riêng lẻ như trong PCM, nhưng khi ghép nhiều mẫu lại, tín hiệu DSD có thể tái hiện sóng gốc khá chính xác.

Giới hạn của phương pháp DSD
Điểm hạn chế của phương pháp này là độ phân giải động (dynamic resolution) rất thấp, chỉ 1 bit, nên tốc độ lấy mẫu phải rất cao so với PCM.

Trong khi PCM thường lấy mẫu ở 44.100 mẫu/giây, DSD hoạt động tối thiểu ở 64 lần tốc độ này, tức khoảng 2.800.000 mẫu/giây.

Quá trình mã hóa này tạo ra nhiều tiếng ồn hơn do độ sâu bit thấp và tốc độ lấy mẫu cao, đòi hỏi phải sử dụng kỹ thuật noise shaping để đẩy nhiễu lượng tử ra ngoài dải tần nghe được (trên 20 kHz).

Kết quả là hiệu suất gần tương đương với 24 bit trong dải âm nghe được (0 – 20 kHz) và băng thông tín hiệu mở rộng trên 100 kHz.

Đổi lại, phương pháp 1 bit này gây ra lượng lớn tiếng ồn ở vùng siêu âm (20 kHz – 1,4 MHz), nhưng thường không gây ảnh hưởng tới thính giác con người.

Phương pháp này là nền tảng của định dạng Digital Stream Direct (DSD) và là cơ sở của các bộ chuyển đổi Bitstream Sigma-Delta DAC.

Phát triển thêm của DSD
Có nhiều phiên bản DSD với tốc độ lấy mẫu ngày càng cao:

• DSD/64 (Single Speed DSD) chạy với tốc độ gấp 64 lần tốc độ CD audio.
  
  
• DSD/128 (Double Speed DSD) chạy với tốc độ gấp 128 lần CD.
  
  
• Tiếp tục với DSD/256 và DSD/512.

Kích thước file DSD
Ngay cả ở tốc độ DSD/64 tiêu chuẩn, kích thước file cũng rất lớn, với tốc độ dữ liệu 5644.8 kbps cho âm thanh stereo 2 kênh.

Chuyển đổi D/A (Digital to Analogue Conversion)
Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) là một thành phần thiết yếu trong hầu hết các hệ thống phát nhạc hiện đại dưới nhiều hình thức khác nhau. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển thể buổi biểu diễn âm nhạc gốc của nghệ sĩ thành trải nghiệm nghe cho người dùng cuối.

Khái niệm cơ bản của DAC là chuyển dữ liệu âm thanh số — dù được phát trực tuyến từ Spotify hay Tidal, lưu trên thiết bị nghe nhạc kỹ thuật số (DAP) hay trên hệ thống lưu trữ mạng (NAS) — thành điện áp tương tự để điều khiển các thiết bị chuyển đổi như loa hoặc tai nghe.

Khi thực hiện chuyển đổi số sang tương tự, có hai yếu tố cần xem xét:

1. Bộ chuyển đổi có thể tái tạo chính xác biên độ gốc của sóng âm khi nó được ghi lại hay không (tức là có phát ra đúng điện áp tương ứng hay không).
   
   
2. Bộ chuyển đổi có thực hiện việc đó đúng thời điểm hay không.

Khả năng tái tạo đúng điện áp tùy thuộc vào mạch DAC, còn khả năng thực hiện đúng thời điểm phụ thuộc vào hệ thống đồng hồ (clocking) của toàn bộ thiết bị.

Cách lưu trữ âm thanh số
Âm thanh số được lưu dưới dạng nhị phân (1 và 0) theo chuỗi các mẫu gọi là ‘samples’. Số lượng bit liên tiếp dùng để mô tả một mẫu âm thanh gọi là độ sâu bit. Ví dụ, âm thanh 16 bit có 16 bit liên tiếp cho mỗi mẫu, tất cả là 1 hoặc 0.

DAC cần chuyển đổi số nhị phân này thành điện áp tương tự, và điện áp này điều khiển thiết bị chuyển đổi để tạo ra âm thanh. DAC làm việc này bằng cách sử dụng một loạt các nguồn dòng điện – các linh kiện điện tử tạo ra một lượng điện áp tương ứng.

Ladder DAC
Một trong những cách phổ biến nhất để thực hiện chuyển đổi D/A là sử dụng Ladder DAC. Trong đó, mỗi nguồn dòng được dành riêng cho một bit của tín hiệu số.

Ví dụ, một nguồn dòng luôn theo dõi bit đầu tiên (bit quan trọng nhất) của tín hiệu số. Nguồn dòng tiếp theo theo dõi bit thứ hai, và cứ thế tiếp tục cho đến hết số nguồn dòng cần thiết.

Khi số nguồn dòng tăng, lượng dòng mà mỗi nguồn tạo ra giảm dần (mỗi bước giảm còn một nửa so với bước trước). Khi nhìn vào sơ đồ bố trí các linh kiện này, cấu trúc trông giống một chiếc thang, do đó gọi là Ladder DAC.

Để đảm bảo điện áp do mỗi nguồn dòng tạo ra nhỏ dần theo chuỗi, các điện trở được sử dụng giữa các nguồn dòng. Giá trị và cách bố trí các điện trở này phân loại Ladder DAC thành hai loại chính: R-2R DAC và Binary Weighted DAC.

R-2R DAC
R-2R DAC (một dạng Ladder DAC) sử dụng hai loại điện trở với giá trị R và 2R để kiểm soát điện áp tạo ra bởi mỗi nguồn dòng.

Điện trở R nối giữa các phần nguồn dòng, trong khi điện trở 2R đặt song song với mỗi nguồn dòng. Khi một bit trong tín hiệu số lên mức cao (1), công tắc tương ứng bật, khiến nguồn dòng đó hoạt động.

Tất cả các nguồn dòng đầu ra sẽ được kết nối vào một bus tổng hợp để tạo thành tín hiệu đầu ra của DAC.

Binary Weighted DAC
Trong Binary Weighted DAC, điện trở có giá trị giảm dần để tạo ra các bước điện áp nhỏ hơn theo từng nguồn dòng.

Nếu điện trở đầu tiên có giá trị R, điện trở tiếp theo là 2R, rồi 4R, 8R, 16R, và tiếp tục như vậy theo cấp số nhân để tạo các bước điện áp tương ứng.

Cách sắp xếp giá trị điện trở như vậy tạo nên tên gọi Binary Weighted.

Sai số linh kiện (Margins of Error)
Điểm yếu chính của cả hai loại Ladder DAC trên là sai số trong giá trị điện trở do linh kiện điện tử có dung sai nhất định.

Ví dụ, điện trở có dung sai vàng thường đảm bảo giá trị trong phạm vi ±5% giá trị ghi trên thân.

Điều này nghĩa là dòng điện do mỗi phần của Ladder DAC tạo ra có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn mức lý tưởng.

Vấn đề quan trọng là Ladder DAC sử dụng cùng một nguồn dòng cho cùng một bit mỗi lần, nghĩa là sai số được lặp lại và tương quan với tín hiệu âm thanh.

Điều này dẫn đến sự méo tuyến tính trong tín hiệu, tạo ra các thành phần hài không mong muốn.

Vấn đề với sai số bit quan trọng nhất
Đặc biệt, các nguồn dòng lớn hơn (tương ứng với các bit quan trọng hơn trong tín hiệu số) có sai số ảnh hưởng nhiều hơn.

Ví dụ, trong Ladder DAC 24 bit, sai số 1% ở bit quan trọng nhất (MSB) có thể lớn hơn toàn bộ giá trị bit thứ 7, và lớn hơn bit thứ 24 đến 104 dB.

Để đạt được độ phân giải 24 bit, MSB cần chính xác đến 0,000006%.

Méo điểm giao nhau (Zero Crossing Point Distortion)
Một vấn đề khác Ladder DAC gặp phải là méo tại điểm giao nhau của tín hiệu.

Ví dụ, với DAC 16 bit, khi chuyển từ biên độ 32.767 sang 32.768, bit quan trọng nhất thay đổi trạng thái từ thấp sang cao, trong khi các bit còn lại thay đổi ngược lại.

Sai số liên quan đến từng nguồn dòng trong quá trình chuyển đổi này có thể lớn, dẫn đến sự thay đổi biên độ tín hiệu vượt quá một bước nhỏ nhất (LSB), gây ra méo tuyến tính không mong muốn.

 

Giải pháp: Ring DAC
Làm thế nào để khắc phục các vấn đề nêu trên của Ladder DAC? Một DAC được thiết kế từ đầu để tách rời sai số trong chính DAC và loại bỏ méo tiếng sẽ như thế nào?

Đó chính là vai trò của dCS Ring DAC.

Ring DAC
Làm thế nào để giải quyết những vấn đề đã mô tả trước đó ở Ladder DAC? Một bộ DAC được thiết kế từ đầu nhằm hiệu quả trong việc tách rời (de-correlate) các lỗi bên trong chính DAC và loại bỏ méo tiếng phát sinh sẽ như thế nào? Đó chính là chỗ công nghệ dCS Ring DAC phát huy tác dụng.

Ring DAC là công nghệ DAC độc quyền được tích hợp trong tất cả các thiết bị DAC của dCS. Về mặt hình thức, Ring DAC có thể trông giống như Ladder DAC. Mỗi nguồn dòng đều có một latch (khóa) và một điện trở, và các nguồn dòng này được cấp vào một bus tổng hợp.

Tuy nhiên, điểm khác biệt then chốt giữa Ring DAC và Ladder DAC là Ring DAC sử dụng các nguồn dòng có giá trị bằng nhau. Đây được gọi là kiến trúc DAC ‘đơn vị trọng số’ (unitary-weighted) hay ‘mã nhiệt kế’ (thermometer coded).

Một khác biệt quan trọng nữa là Ring DAC, không giống Ladder DAC, không sử dụng cùng một nguồn dòng cho cùng một bit mỗi lần. Trong Ring DAC có 48 nguồn dòng, tất cả tạo ra lượng dòng bằng nhau.

Việc điều khiển Ring DAC bởi FPGA (Field Programmable Gate Array) cho phép các nguồn dòng được bật tắt theo cách mà các sai số linh kiện được trung bình hóa theo thời gian. Việc bật cùng một bit ba lần trên Ring DAC có thể cho ra một lần tín hiệu đầu ra hơi cao, lần kế tiếp hơi thấp, lần tiếp nữa ở mức trung bình, thay vì luôn cho ra tín hiệu hơi cao hoặc hơi thấp như Ladder DAC.

Vận hành Ring DAC
Việc vận hành một DAC mã nhiệt kế đòi hỏi rất nhiều sức mạnh xử lý tín hiệu và kiến thức chuyên môn để đạt hiệu quả tối ưu, nhưng lợi ích là gần như hoàn toàn loại bỏ được méo tuyến tính trong tín hiệu.

Cần nhớ rằng, sự méo tiếng nhân tạo mà nhiều DAC tạo ra rất dễ nhận biết với con người và gây ảnh hưởng tiêu cực tới chất lượng âm thanh.

Khái niệm tách rời lỗi (Decorrelating Errors)
Quá trình Ring DAC có thể hiểu là việc tách rời các lỗi.

Tiếng ồn nền (lỗi không tương quan – không liên quan trực tiếp đến tín hiệu âm thanh) rất phổ biến trong tự nhiên, còn sự méo tiếng nhân tạo (lỗi có tương quan) thì không.

Điều này giúp Ring DAC có hiệu suất méo tiếng hàng đầu, đặc biệt ở mức tín hiệu thấp.

Điều này có nghĩa là, trong trải nghiệm nghe, Ring DAC cho phép người nghe cảm nhận được nhiều chi tiết tinh tế hơn trong âm thanh.

Quy luật vận hành do dCS Mapper quy định
Cách thức chính xác Ring DAC quyết định bật hoặc tắt nguồn dòng nào tại từng thời điểm để tạo ra tín hiệu chính xác được quy định bởi bộ quy tắc cực kỳ tinh vi trong hệ thống dCS Mapper.

“Quá trình Ring DAC có thể được coi là tách rời các lỗi”
Mặc dù có vẻ như ngẫu nhiên, nhưng thực tế đây là kết quả của ba thập kỷ làm việc liên tục, tạo nên một bộ mẫu được tính toán cẩn thận nhằm giảm thiểu tiếng ồn, méo tiếng và nhiễu chéo, đồng thời duy trì mức độ tuyến tính cao nhất bằng cách trung bình hóa các đóng góp từ linh kiện sai lệch theo thời gian.

Các cải tiến liên tục đối với Mapper giúp giảm nền tiếng ồn, trong khi vẫn giữ được đặc trưng âm thanh tuyến tính vốn có của Ring DAC.

Mapper cho phép đẩy tiếng ồn phát sinh ra ngoài dải tần nghe được và lọc triệt để.

Sơ đồ hoạt động cơ bản của Ring DAC
Mapper hoạt động ở mức 5 bit, nên dữ liệu PCM khi đến Ring DAC được quá mẫu (oversampling) lên 706,8 kHz hoặc 768 kHz trước tiên.

Sau đó, dữ liệu này được điều chế thành 5 bit với tốc độ từ 2,822 MHz đến 6,144 MHz (tùy thiết bị, cài đặt và tần số mẫu nội dung) và đưa vào Mapper.

Mapper phân phối tín hiệu này đến các nguồn dòng trong DAC.

Bitstream Delta-Sigma DACs
Một điểm chung quan trọng giữa các kiến trúc DAC đã được thảo luận trước đó là tất cả đều nhận đầu vào là dữ liệu âm thanh số PCM. Dữ liệu này có thể có nhiều độ sâu bit khác nhau, nhưng thường ít nhất là 16 bit.

Tuy nhiên, các DAC Bitstream Delta-Sigma chỉ sử dụng 1 bit.

Việc cố gắng tái tạo một dạng sóng phức tạp chỉ bằng một tín hiệu bật hoặc tắt có vẻ là một cách làm khá kỳ lạ.

Tuy nhiên, điểm khác biệt chính là tín hiệu 1 bit không cố gắng xác định chính xác biên độ sóng tại một thời điểm cụ thể (điều này là cách Ladder DAC hoạt động và là nền tảng của âm thanh Pulse Code Modulation - PCM).

Thay vào đó, thời gian từ bit này đến bit kế tiếp cho biết sóng đang tăng hay giảm biên độ, và tăng giảm bao nhiêu.

Điểm lợi của phương pháp chuyển đổi số sang analog này là nó loại bỏ hoàn toàn các lỗi do sai số linh kiện (điện trở) trong các nguồn dòng vì tất cả đều tham chiếu tự thân: chúng hoặc bật hoặc tắt.

Tuy nhiên, vấn đề là một lượng lớn nhiễu lượng tử được tạo ra và phải được xử lý noise-shaping để đẩy ra ngoài dải tần nghe được.

Điều này đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cực kỳ cao, và càng bật tắt nhanh thì càng tạo ra nhiều tiếng ồn.

Thêm vào đó, vì duy nhất điều biết về bitstream là thời gian bật hoặc tắt nên jitter (dao động thời gian) trở thành một vấn đề lớn.

Có sự đánh đổi giữa tốc độ hoạt động của hệ thống và mức jitter cũng như nhiễu phát sinh.

Do những lý do này, các hệ thống 1 bit hiện nay khá hiếm gặp.

Ngay cả các hệ thống DSD bitstream cũng thường giảm mẫu tín hiệu thành định dạng đa bit để xử lý DSP như trộn tín hiệu hay cân chỉnh âm sắc.

Lọc trong âm thanh số

Hầu hết các bộ DAC đều có thông tin trong phần thông số kỹ thuật về loại bộ lọc mà chúng sử dụng. Vì các bộ lọc này là phần cực kỳ quan trọng của sản phẩm, nên rất đáng để giải thích tại sao và như thế nào chúng được áp dụng.

Để hiểu lý do vì sao cần bộ lọc, chúng ta nên bắt đầu từ giai đoạn đầu tiên — khi tín hiệu analog được đưa vào bộ ADC trong quá trình thu âm hoặc sản xuất. (Điều này rất quan trọng vì bộ lọc trong ADC có ảnh hưởng gần tương đương đến chất lượng âm thanh mà chúng ta nghe được khi phát lại như bộ lọc trong DAC.)

Trước đây chúng ta đã bàn về cách âm thanh được lấy mẫu qua ADC — điện áp analog được chuyển đổi thành dạng số, với một chuỗi các “mẫu” được lấy để tạo thành đại diện số đó. Tần số lấy mẫu thấp nhất thường dùng trong âm thanh là 44.100 mẫu trên giây (samples per second - S/s). Lý do sử dụng tần số lấy mẫu 44.1 kS/s chủ yếu dựa trên Định lý Nyquist. Định lý này nói rằng tần số lấy mẫu của âm thanh số cần phải ít nhất gấp đôi tần số cao nhất trong tín hiệu âm thanh được lấy mẫu. Tần số cao nhất có thể lấy mẫu được (bằng một nửa tần số lấy mẫu) gọi là “tần số Nyquist”. Vì dải tần nghe của con người trải rộng đến 20.000 Hz, việc lấy mẫu chính xác dải tần này yêu cầu tần số lấy mẫu ít nhất phải là 40.000 S/s.

Tuy nhiên, điều gì xảy ra nếu tín hiệu chúng ta lấy mẫu không “vừa khít” trong phạm vi hợp lệ của tần số lấy mẫu, tức là nằm giữa 0 Hz và tần số Nyquist? Nếu vậy, các thành phần tần số vượt quá tần số Nyquist sẽ bị “alias” (nhiễu chồng tần số) xuống dưới tần số Nyquist. Điều này nghe có vẻ phi lý trực giác, nhưng nó được minh họa như sau:


Các đồ thị trên thể hiện hai tín hiệu: một tín hiệu ở tần số 1kHz và một tín hiệu ở tần số 43,1kHz, cả hai đều được lấy mẫu ở tần số 44.100 mẫu mỗi giây (44.1kS/s). Lưu ý rằng khi lấy mẫu tín hiệu 43.1kHz, kết quả thu được là các mẫu không thể phân biệt với tín hiệu 1kHz (mặc dù có đảo pha). Nếu tín hiệu 43.1kHz này được đưa qua ADC, các mẫu thu được sẽ giống hệt với mẫu của tín hiệu 1kHz — và khi phát lại, chúng ta sẽ nghe được tông 1kHz. Điều này có nghĩa là ADC phải loại bỏ mọi tín hiệu không nằm trong phạm vi từ 0Hz đến tần số Nyquist, để tránh các ảnh nhiễu chồng (alias) này ảnh hưởng đến âm thanh.

Việc loại bỏ các thành phần không nằm trong phạm vi 0Hz đến tần số Nyquist được thực hiện bằng bộ lọc thông thấp (low-pass filter). Bộ lọc này loại bỏ tất cả các thành phần tần số trên một ngưỡng nhất định, đồng thời cho phép các thành phần tần số thấp hơn ngưỡng đó đi qua mà gần như không thay đổi. Bộ lọc này có thể được triển khai ở dạng kỹ thuật số hoặc tương tự (analog).

Giải pháp rõ ràng nhất để giải quyết vấn đề aliasing do ADC chạy ở tần số 44.1kHz gây ra là thiết kế một bộ lọc không tác động gì đến tần số 20.000Hz, nhưng cắt bỏ hoàn toàn mọi tần số trên 20.001Hz. Cách làm này sẽ loại bỏ các ảnh alias không mong muốn trong quá trình chuyển đổi A/D, đồng thời giữ nguyên dải tần âm thanh cần thiết. Tuy nhiên, đây là một bộ lọc không khả thi và không được khuyến khích. Thứ nhất, nếu sử dụng bộ lọc kỹ thuật số, yêu cầu tính toán để chạy bộ lọc này sẽ rất lớn. Bộ lọc hoạt động bằng cách giảm dần biên độ tín hiệu trên một dải tần nhất định theo dạng dốc (đo bằng decibel trên mỗi quãng tám). Do đó, tín hiệu âm thanh thường được lấy mẫu ở tần số cao hơn mức tối thiểu gấp đôi tần số cao nhất cần ghi (thực tế là 44.100Hz thay vì 40.000Hz), để tạo không gian cho việc lọc. Điều này có nghĩa bộ lọc có thể hoạt động ở vùng tần số từ 20.000Hz đến 22.050Hz mà không gây ra hiện tượng aliasing, đồng thời giữ nguyên dải tần âm thanh mà con người có thể nghe được.

Sơ đồ này minh họa một bộ lọc thông thấp (low-pass filter) dành cho âm thanh có tần số lấy mẫu 44.1kHz.

Đây vẫn là một “dải chuyển tiếp” (transition band) cực kỳ hẹp để xử lý. Nếu sử dụng bộ lọc tương tự (analog filter), bộ lọc sẽ phải rất dốc — điều này gây ra vấn đề bởi vì các bộ lọc analog không tuyến tính pha (phase linear), tức là bộ lọc sẽ làm trễ các tần số khác nhau không đồng đều, dẫn đến những vấn đề nghe được rõ ràng. Ngoài ra, các bộ lọc này cũng khó có thể đồng nhất tuyệt đối về đặc tính. Điều này có thể chấp nhận được khi hoạt động ở tần số cao, ví dụ 100kHz, nhưng ở tần số 20kHz thì trở nên cực kỳ khó khăn và không thực tế. Vì vậy, bộ lọc dùng để loại bỏ mọi tín hiệu từ tần số Nyquist trở lên thường được thực hiện trong miền số, thông qua xử lý tín hiệu số (DSP - Digital Signal Processing).

Trong thu âm, việc sử dụng ADC có tần số lấy mẫu cao hơn và thực hiện lọc tại tần số Nyquist trên dữ liệu số là một thực hành phổ biến. Phương pháp này được gọi là “ADC quá mẫu” (Oversampling ADC). Sơ đồ khối của một ADC oversampling của hãng dCS cho dữ liệu 16-bit, 44.1kHz được minh họa như sau:

Bộ lọc thông thấp analog loại bỏ các tần số cao trên 100kHz khỏi tín hiệu analog, vì những tần số này sẽ gây ra hiện tượng aliasing. Như đã thảo luận trước đó, bộ lọc analog hoạt động ở 100kHz có thể được thiết kế nhẹ nhàng và hoạt động trong vùng mà các phi tuyến tính không quá nghiêm trọng.

Giai đoạn ADC sau đó chuyển đổi tín hiệu thành dữ liệu số tốc độ cao. Trong ADC của dCS, giai đoạn này sử dụng Ring DAC trong một vòng phản hồi, tạo ra dữ liệu 5-bit với tần số lấy mẫu lên tới 2.822 triệu mẫu mỗi giây.

Bộ giảm mẫu (Downsampler) chuyển đổi dữ liệu số này về 16-bit, 44.100 mẫu mỗi giây. Dữ liệu sau đó được truyền qua một bộ lọc kỹ thuật số sắc nét, hiệu quả loại bỏ mọi thành phần trên 22,05kHz (bởi vì tần số trên này nếu không được lọc sẽ gây ra aliasing). Bộ mã hóa PCM tiếp theo sẽ định dạng dữ liệu thành các chuẩn nối tiếp tiêu chuẩn như SPDIF, AES/EBU và SDIF-2, kèm theo thông tin trạng thái và tin nhắn.

Bộ lọc kỹ thuật số sử dụng trong bộ giảm mẫu có các đánh đổi riêng. Đơn giản hóa, bộ lọc kỹ thuật số hoạt động bằng cách truyền từng mẫu qua một chuỗi các bộ nhân (multipliers), với các bộ nhân này phối hợp để lọc bỏ các tần số cao khỏi tín hiệu. Cách các bộ nhân này được sắp xếp gọi là “hình dạng bộ lọc” (filter shape) — có thể là bộ lọc đối xứng (symmetrical hoặc ‘half-band’) hoặc không đối xứng (asymmetrical). Mỗi hình dạng bộ lọc sẽ ảnh hưởng khác nhau đến đặc tính âm thanh.

Hình dưới minh họa ví dụ về đặc tính đáp ứng của một bộ lọc kỹ thuật số đối xứng. Bộ lọc này được gọi là đối xứng vì nó tạo ra hiện tượng “rung” (ringing) đối xứng khi chịu một xung kích (impulse hay transient). Điều này dẫn đến hiện tượng phản hồi không nhân quả (acausal response) xảy ra trước cả xung kích. Hiệu ứng này càng rõ rệt hơn khi tần số lấy mẫu thấp:

Hình dưới đây minh họa một ví dụ về đặc tính đáp ứng của bộ lọc không đối xứng (asymmetrical filter). Loại bộ lọc này có phản ứng xung (impulse response) hoàn toàn khác — ở đây, không có hiện tượng rung (ringing) trước xung, nhưng lại có rung mạnh hơn sau xung so với bộ lọc đối xứng (symmetrical filter):

Xét về thực tế là ADC phải sử dụng bộ lọc để loại bỏ các ảnh nhiễu chồng (alias), và bộ lọc kỹ thuật số hoạt động tại tần số Nyquist được ưu tiên hơn so với bộ lọc analog có đặc tính dốc, thì sẽ có hiện tượng rung trước (pre-ringing) và/hoặc rung sau (post-ringing) được tạo ra ngay từ giai đoạn ghi âm nhờ bộ lọc kỹ thuật số trong ADC. Đây là một sự đánh đổi hợp lý và việc lựa chọn bộ lọc tại đây đóng vai trò rất quan trọng.

Hầu hết ADC hiện nay sử dụng bộ lọc đối xứng (symmetrical filter). Điều này có nghĩa rằng, bất kỳ bản ghi số nào cũng sẽ có sẵn hiện tượng rung trước và rung sau — điều này là bắt buộc do bộ lọc được áp dụng. Điểm mấu chốt ở đây là tất cả các bản ghi kỹ thuật số đều đã bao gồm rung từ bộ lọc, ngay cả trước khi tín hiệu tới DAC, nhưng đây là phương pháp tốt nhất — với điều kiện bộ lọc được thiết kế và triển khai đúng chuẩn trong ADC.

Mặt khác, khi đến phần DAC, tín hiệu âm thanh số đã được ghi bởi ADC sẽ được chuyển lại thành tín hiệu analog để phát lại.

Khi DAC tái tạo sóng analog từ các mẫu số, sẽ xuất hiện một hiệu ứng tương tự aliasing. Hiện tượng này xảy ra do mối quan hệ giữa tần số tín hiệu âm thanh analog và tần số lấy mẫu của tín hiệu số, khi các “bản sao” (images) của phổ âm thanh có thể xuất hiện ở các vùng tần số cao hơn trong phổ âm thanh. Mặc dù những hình ảnh này nằm ngoài phạm vi nghe của con người, sự hiện diện của chúng vẫn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng âm thanh.

Có hai lý do cho điều này. Thứ nhất, các tần số trên 20.000Hz vẫn có thể tương tác và ảnh hưởng nghe được đến các tần số thấp hơn trong dải nghe được (0–20.000Hz).

Thứ hai, nếu các ảnh này — gọi là ảnh Nyquist — không được loại bỏ khỏi tín hiệu âm thanh, các thiết bị trong hệ thống âm thanh có thể cố gắng tái tạo chúng, gây áp lực thêm cho các bộ chuyển đổi âm thanh (transducer), đặc biệt là các thiết bị tái tạo tần số cao, cũng như các bộ khuếch đại. Việc loại bỏ ảnh Nyquist giúp bộ khuếch đại có nhiều công suất hơn để tập trung vào việc tái tạo chính xác các phần âm thanh mà ta muốn nghe, từ đó cải thiện hiệu suất và chất lượng âm thanh.

Tương tự như trong ADC, giải pháp cho vấn đề ảnh Nyquist trong quá trình chuyển đổi D/A là dùng bộ lọc thông thấp để lọc bỏ mọi thành phần tần số trên tần số cao nhất mong muốn trong tín hiệu âm thanh. Điều này cho phép loại bỏ ảnh Nyquist mà không làm ảnh hưởng đến phần nhạc mà chúng ta muốn nghe. Tuy nhiên, câu hỏi về cách thiết kế bộ lọc thông thấp là một chủ đề phức tạp và rất nhạy cảm — và cần lưu ý rằng không có một giải pháp “chuẩn” cho tất cả mọi trường hợp.

Tất nhiên, khi làm việc với nguồn âm thanh có tần số lấy mẫu cao hơn 44.1kHz, như các nguồn nhạc hi-res streaming, yêu cầu bộ lọc trong DAC sẽ thay đổi. Dải chuyển tiếp tự nhiên rộng hơn, nên yêu cầu về bộ lọc cũng khác. Hầu hết các nhà sản xuất DAC chỉ cung cấp một bộ lọc duy nhất được xếp tầng (cascaded) cho các tần số lấy mẫu khác nhau. Nhưng với các yêu cầu lọc khác nhau khi chuyển đổi nhiều tần số lấy mẫu, cách tiếp cận này không phải là tối ưu cho các hệ thống âm thanh cao cấp.

Vì vậy, các bộ lọc trong sản phẩm dCS và Ring DAC được các kỹ sư dCS thiết kế riêng biệt cho từng tần số lấy mẫu. Hơn nữa, với mỗi tần số lấy mẫu trong sản phẩm dCS, người dùng có thể chọn từ nhiều bộ lọc khác nhau. Không có câu trả lời duy nhất cho việc lựa chọn bộ lọc, bởi vì nó phụ thuộc vào sở thích người nghe và đặc tính âm thanh tái tạo, nên một loạt bộ lọc chất lượng cao, được thiết kế riêng cho Ring DAC và tần số lấy mẫu của tín hiệu, được cung cấp cho người dùng lựa chọn.

Bài viết tiếp theo sẽ đi sâu vào chi tiết cách các bộ lọc kỹ thuật số được thiết kế để sử dụng trong sản phẩm âm thanh, khám phá các yếu tố như tần số cắt, độ dài bộ lọc và kỹ thuật windowing.

DAC không Oversampling / không Lọc (Non-Oversampling / Non-Filtering DACs)
Một số nhà sản xuất âm thanh cho rằng việc sử dụng oversampling và bộ lọc đi kèm có tác động tiêu cực đến chất lượng âm thanh của DAC.

Lý do của họ là các bộ lọc có thể tạo ra các hiệu ứng không mong muốn như tiền rung hoặc hậu rung tùy thuộc vào loại bộ lọc, hoặc các vấn đề pha.

Do đó, một số thiết kế DAC loại bỏ hoàn toàn việc lọc.

Tuy nhiên, cách làm này gặp phải thách thức là các ảnh hưởng giả tạo (aliasing) tại tần số Nyquist vẫn còn tồn tại trong phổ âm thanh.

Vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn khi dùng tốc độ mẫu thấp, ví dụ như âm thanh CD.

Ví dụ, tín hiệu 20 kHz được tái tạo cùng với ảnh Nyquist ở 24,1 kHz.

Hai tần số này tương tác tạo ra dạng sóng giống như hình minh họa.

Mặc dù tần số 24,1 kHz không nghe được trực tiếp, nhưng nếu bộ khuếch đại và loa không có hiệu suất tương tác tốt, tần số 4,1 kHz sẽ xuất hiện, gây ảnh hưởng đến âm thanh.

Nếu không có hiện tượng tương tác này, tín hiệu 20 kHz sẽ giữ biên độ tối đa ổn định.

Điều này cho thấy việc không dùng lọc kỹ thuật số có thể là một sự đánh đổi đáng nghi vấn về chất lượng âm thanh.

Trường hợp DAC không oversampling nhưng có lọc
DAC không oversampling có thể sử dụng bộ lọc tương tự với tần số cắt khoảng 22,05 kHz.

Do không có oversampling, không thể dùng bộ lọc số hiệu quả (bộ lọc số sẽ hoạt động cùng tần số với bộ lọc tương tự).

Vì vậy, bộ lọc tương tự cố định phải áp dụng cho mọi tốc độ mẫu.

Do bộ lọc cố định, dải thông qua (pass band) không thể mở rộng khi chơi nội dung có tốc độ mẫu cao như 192 kHz.

Nhược điểm của DAC không oversampling hoặc không lọc
Hầu hết các DAC không oversampling hoặc không lọc thường tạo ra méo tiếng rất lớn, làm suy giảm tín hiệu gốc và loại bỏ nhiều chi tiết âm nhạc.

Méo tiếng thường được điều chỉnh để nghe dễ chịu hơn với tai người (tai có xu hướng thích một số dạng méo tiếng, ví dụ như trên ampli đàn guitar), nhưng méo tiếng này làm thay đổi vĩnh viễn hiệu suất âm nhạc.

Hầu hết nhà sản xuất đồng ý rằng DAC nên là liên kết trong suốt giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự, điều mà DAC không oversampling hoặc không lọc khó đạt được.

Chip DAC
Nhiều hệ thống âm thanh cao cấp không sử dụng thiết kế DAC tùy chỉnh riêng. Thay vào đó, họ sử dụng chip của bên thứ ba để thực hiện việc chuyển đổi số sang tương tự.

Kết hợp chip này với nguồn điện và tầng đầu ra, ta có một sản phẩm có thể sử dụng được.

Tuy nhiên, mặc dù cách tiếp cận này có ưu điểm là nhanh hơn và tiện lợi hơn khi tạo ra hệ thống bằng các linh kiện đã được lắp ráp sẵn, thay vì xây dựng một hệ thống chuyển đổi số sang tương tự riêng biệt từ đầu, vẫn tồn tại một số hạn chế mà người dùng nên lưu ý khi so sánh giữa DAC sử dụng chip và thiết kế độc quyền.

Trong nhiều trường hợp, chip bên thứ ba đi kèm với bộ lọc chống ảnh (anti-imaging filters) cố định và không thể tắt được.

Đối với các nhà sản xuất âm thanh, điều này làm mất đi khả năng thêm bộ lọc tùy chỉnh hoặc chọn bộ lọc phù hợp nhất với loại âm thanh cụ thể.

Sự thiếu linh hoạt này có thể dẫn đến hiệu suất không mong muốn ở nhiều khía cạnh.

Vì lý do đó, nên tránh dùng các chip có bộ lọc chống ảnh cố định.

Việc sử dụng chip thương mại cũng tiềm ẩn rủi ro lỗi thời.

Nếu thiết kế và khả năng của chip cố định, hiệu suất của hệ thống không thể được nâng cấp khi xuất hiện các nền tảng và định dạng mới.

Giải pháp cho vấn đề này, như dCS áp dụng, là sử dụng nền tảng dựa trên FPGA.

FPGA có thể được lập trình lại và cập nhật từ xa, cho phép bổ sung các tính năng, chức năng và cải tiến qua các bản cập nhật phần mềm theo thời gian, giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm và đảm bảo nó luôn dẫn đầu về cả tính năng và hiệu suất.

 

Phần 1 – Những Kiến Thức Cơ Bản về Đồng Bộ Thời Gian (Clocking)

Đồng bộ thời gian là một phần không thể thiếu trong âm thanh kỹ thuật số, và hầu như tất cả các thiết bị âm thanh đều có một bộ đồng hồ (clock) bên trong. Như đã đề cập trong chuỗi bài trước về chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC), các bản ghi âm số bao gồm một chuỗi các mẫu (samples). Một thiết bị âm thanh như DAC cần biết khi nào phải xử lý các mẫu nhận được tại đầu vào, bất kể công việc đó là gì — và đây chính là vai trò của bộ đồng hồ.

Trong lĩnh vực điện tử số, thuật ngữ “clocking” (đồng bộ thời gian) ám chỉ một tín hiệu giữ cho toàn bộ các mạch trong hệ thống hoạt động đồng bộ và cùng thời điểm. Để tạo ra tín hiệu chính xác và ổn định, hệ thống clock cần một nguồn: một thứ định nghĩa thời gian của một chu kỳ. Nguồn này thường là một bộ dao động (oscillator) — một mạch điện cung cấp sự lên và xuống điện áp đều đặn.

Tại dCS, chúng tôi sử dụng bộ dao động tinh thể thạch anh làm nền tảng cho hệ thống đồng hồ. Thạch anh là vật liệu áp điện (piezoelectric), nghĩa là khi có điện áp đặt vào nó, nó sẽ biến dạng vật lý và dao động qua lại. Tinh thể này có thể được thiết kế để cộng hưởng cơ học ở một tần số nhất định (ví dụ, mỗi 1/44.100 giây) và với một mạch điện được thiết kế đúng đắn, cộng hưởng này có thể được chuyển đổi thành điện áp dao động.

Tần số cộng hưởng của tinh thể giúp hệ thống biết được độ dài của một khoảng thời gian cụ thể (chẳng hạn 1/44.100 giây). Qua việc đo đạc các khoảng thời gian này, hệ thống có thể phân bố chính xác các mẫu âm thanh theo thời gian, tránh được hiện tượng mẫu bị “dịch chuyển” không mong muốn. Nếu hiện tượng này xảy ra trong quá trình chuyển đổi từ số sang tương tự, nó sẽ gây ra hiện tượng méo tiếng khi phát lại.

Thiết kế đồng hồ trong âm thanh số (cả đồng hồ nội bộ và đồng hồ chủ bên ngoài) là một chủ đề cần được cân nhắc nghiêm túc khi mua bất kỳ hệ thống âm thanh cao cấp nào. Có thể nói, đồng hồ ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh không kém gì mạch DAC, và việc xem xét thiết kế cũng như triển khai toàn bộ hệ thống đồng hồ là rất quan trọng, thay vì chỉ chọn các linh kiện có thông số kỹ thuật ấn tượng trên giấy.

Vì đồng hồ xác định thời điểm các hoạt động của DAC, nó chịu trách nhiệm đảm bảo các mẫu được chuyển đổi đúng thời điểm, điều này rất quan trọng để âm thanh phát ra đúng như mong đợi.

Jitter

Nếu hệ thống đồng hồ không tạo ra tín hiệu chính xác trong quá trình chuyển đổi D/A, hoặc tín hiệu không thể truyền đúng tới DAC, chúng ta sẽ gặp phải hiện tượng gọi là jitter, điều này rất không mong muốn trong âm thanh.

Jitter được mô tả là bất kỳ sự bất thường nào trong thời gian của tín hiệu clock mà DAC sử dụng, và nó có thể sinh ra bởi nhiều nguyên nhân khác nhau. Có thể là do thiết kế analog kém, nhiễu điện từ, cáp âm thanh kỹ thuật số chất lượng thấp, hoặc một số nguyên nhân khác mà chúng tôi sẽ thảo luận trong các bài viết tiếp theo.

Ảnh hưởng nghe được của jitter phụ thuộc vào tính chất của nó, nhưng nó có thể tác động đáng kể đến chất lượng âm thanh. Nếu jitter có tính chu kỳ, các dải sóng phụ (sidebands) sẽ xuất hiện hai bên tần số tín hiệu, tạo ra hiện tượng méo tiếng gắt do các thành phần nhân tạo được thêm vào âm thanh. Nếu jitter có tính chất nhiễu (noisy), nó sẽ làm “mờ” năng lượng tín hiệu, từ đó làm tăng nền nhiễu của hệ thống và che khuất các chi tiết tinh tế trong bản nhạc.


Các đồ thị trên minh họa ví dụ về những gì có thể xảy ra khi hệ thống đồng hồ hoạt động kém. Trong cả hai trường hợp, một sóng sin được tái tạo bởi DAC sử dụng 25 mẫu. Mỗi mẫu có biên độ chính xác như nhau ở cả hai đồ thị; yếu tố duy nhất thay đổi là thời điểm chuyển đổi một số mẫu. Kết quả là tín hiệu bị suy giảm rõ rệt về mặt hình ảnh. Nếu tín hiệu này được phát qua thiết bị chuyển đổi âm thanh (transducer), tín hiệu ở đồ thị phía dưới sẽ nghe kém hơn rõ rệt so với đồ thị phía trên do ảnh hưởng của jitter.

Dù ví dụ trên có phần phóng đại, nhưng nó minh họa rằng mẫu đúng nhưng lấy sai thời điểm cũng bằng mẫu sai. Điều này cho thấy tầm quan trọng sống còn của việc đồng bộ thời gian chính xác trong hệ thống phát lại âm thanh số.

Tai và não người rất nhạy cảm với những bất thường trong thời gian của âm thanh. Nếu DAC gặp phải jitter và không thể chuyển đổi tín hiệu sang điện áp analog đúng thời điểm, cảm giác không gian của màn trình diễn âm nhạc có thể bị lệch nặng hoặc thậm chí mất hẳn. Đó là lý do tại sao các kỹ sư dCS rất chú trọng để giảm thiểu jitter trong mọi khía cạnh thiết kế của chúng tôi.

Nếu jitter được tạo ra ngay từ giai đoạn ghi âm, nó sẽ tồn tại trong tín hiệu vĩnh viễn. Mặc dù có thể áp dụng các biện pháp ngăn chặn sự suy giảm thêm của tín hiệu (như tái đồng bộ tín hiệu – re-clocking, hoặc lưu tạm trong bộ nhớ RAM rồi xuất lại), nhưng không thể sửa chữa hoặc loại bỏ jitter phát sinh trong quá trình ghi âm.

Ở giai đoạn phát lại, jitter cần được giảm thiểu tối đa để tránh tín hiệu chúng ta nghe bị ảnh hưởng hoặc biến đổi. Miễn là bản ghi có chất lượng tốt, việc DAC tái tạo các mẫu âm thanh chính xác đúng thời điểm sẽ giúp người nghe trải nghiệm một tái hiện trung thực nhất sự kiện âm thanh gốc. Một tín hiệu từ nguồn ngoài, chẳng hạn như đầu phát CD, thực tế có thể đến DAC với các mẫu bị lệch thời gian khá nhiều (mức độ này chúng tôi sẽ đề cập trong các bài viết sau), nhưng nếu chính DAC chuyển đổi các mẫu này với khoảng thời gian đều đặn, chất lượng âm thanh vẫn không bị ảnh hưởng.

Hai bài viết tiếp theo của chúng tôi sẽ đề cập đến hai loại jitter chính: jitter nội tại (intrinsic) và jitter giao diện (interface).

 

Phần 2 – Jitter (bản chất nội tại)
Có hai loại jitter chính: jitter nội tại (intrinsic) và jitter giao diện (interface). Jitter nội tại là jitter phát sinh bên trong thiết bị, ví dụ như trong một DAC, thông qua các hiệu ứng như nhiễu pha (phase noise) trên bộ dao động (oscillator). Jitter giao diện là jitter bị thu nhận qua các giao diện dùng để truyền tín hiệu âm thanh và đồng hồ. Jitter giao diện có thể xuất hiện do nhiễu nhiễu tín hiệu trên dây cáp, hoặc do cáp hoạt động như một bộ lọc tần số làm biến dạng tín hiệu xung vuông (sóng vuông) – tín hiệu đầu ra của mạch đồng hồ – khi đi qua.

Có nhiều loại bộ dao động tinh thể thạch anh khác nhau, trong đó Bộ dao động tinh thể điều khiển điện áp (VCXO – Voltage Controlled Crystal Oscillator) và Bộ dao động tinh thể điều khiển bằng lò (OCXO – Oven Controlled Crystal Oscillator) là hai loại phổ biến nhất trong lĩnh vực audio.

Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO – Voltage Controlled Oscillator) cũng được sử dụng trong các sản phẩm audio, nhưng hoạt động dựa trên nguyên lý điện tử thuần túy, không sử dụng vật liệu điện cơ như thạch anh để tạo tín hiệu dao động.

Bộ dao động thạch anh thường có đặc tính nhiễu pha (phase noise) tốt hơn so với VCO, nghĩa là bộ dao động này ít bị jitter nội tại hơn. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế mạch đồng hồ tổng thể: trong một DAC sử dụng bộ dao động thạch anh, mạch khóa pha (PLL – Phase Locked Loop) – mạch điều chỉnh tần số clock của DAC sao cho đồng bộ với clock của tín hiệu âm thanh đầu vào – có thể được thiết kế với băng thông hẹp hơn, tập trung loại bỏ jitter giao diện.

Điều này khả thi bởi vì bộ dao động thạch anh bản thân nó ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu pha và jitter. Vì thế, nếu trên giao diện có jitter (ví dụ như tín hiệu AES bị jitter), jitter này sẽ không được truyền đến DAC, vì nó đã xảy ra và biến mất trước khi PLL phản hồi kịp. Thay vào đó, DAC dựa vào bộ dao động để đảm bảo độ chính xác thời gian giữa các mẫu riêng lẻ, và trong trường hợp sản phẩm dCS với bộ đồng hồ tinh thể thạch anh, độ chính xác này đạt mức rất cao.

Một lựa chọn thay thế là dùng VCO làm bộ dao động. Tuy nhiên, do hiệu suất nhiễu pha của VCO thường kém hơn bộ dao động thạch anh, PLL bên trong thiết bị có thể phải được thiết kế với băng thông rộng hơn để ưu tiên loại bỏ jitter nội tại (do bộ dao động dễ bị nhiễu pha hơn). Việc này làm cho các nhiễu trên giao diện hoặc hiệu ứng lọc tín hiệu của dây cáp ảnh hưởng trực tiếp hơn đến tín hiệu âm thanh, điều mà trong một số trường hợp là không mong muốn.

Nếu vậy, bạn có thể thắc mắc tại sao một số sản phẩm vẫn dùng VCO làm nguồn đồng hồ. Một lợi thế của VCO so với bộ dao động thạch anh là phạm vi điều chỉnh tần số (pull range) rộng hơn, nghĩa là VCO có thể khóa vào dải tần số rộng hơn (ví dụ các tín hiệu đầu vào có tần số dao động nhanh hơn hoặc chậm hơn mức chuẩn).

Theo kinh nghiệm của chúng tôi trong hệ thống phát lại âm thanh số cao cấp, chất lượng clock của DAC không nên bị đánh đổi vĩnh viễn để chấp nhận một nguồn tín hiệu đầu vào không tối ưu. Tại dCS, chúng tôi chọn bộ dao động tinh thể thạch anh với độ chính xác và ổn định cao, cho phép phạm vi điều chỉnh tần số +/- 300 phần triệu (PPM), phù hợp với tiêu chuẩn AES.


Các đồ thị này minh họa một ví dụ phóng đại về ảnh hưởng của jitter lên sóng vuông đầu ra từ mạch đồng hồ. Như đã đề cập trước đó, jitter đã tác động lên cả thời điểm chuyển tiếp của sóng và điện áp đỉnh mà sóng có thể đạt được. Điều này dẫn đến thay đổi điểm mà hệ thống sẽ nhận biết, ví dụ, một mức logic 0 chuyển thành mức logic 1. Các hệ thống đồng hồ thường theo dõi “cạnh lên” (rising edge) của tín hiệu clock, nơi điện áp tăng lên, do đó điểm trên cạnh lên mà biên độ vượt qua mức 0.5 đã được đánh dấu trên đồ thị. Thời điểm này diễn ra đều đặn trong đồ thị đầu tiên – các điểm chuyển tiếp trên các cạnh lên nằm lần lượt tại 2, 4 và 6 trên trục X. Khi jitter xuất hiện, các điểm chuyển tiếp này bị dịch về trước hoặc sau tùy thuộc vào tính chất của jitter. Thời điểm này không đều, mà mang tính ngẫu nhiên.

Có nhiều yếu tố có thể gây ra nhiễu pha (phase noise) và do đó sinh ra jitter trên bộ dao động, và tất cả các yếu tố này cần được tính đến khi thiết kế hệ thống đồng hồ.

Rung vật lý
Cơ sở của đồng hồ thạch anh là tính chất áp điện (piezoelectric) của tinh thể (sự chuyển động vật lý của tinh thể khi có điện áp tác động), vì vậy bất kỳ rung động vật lý bên ngoài nào cũng có thể gây sai số cho đồng hồ. Chuyển động ngoài không cần mạnh cũng đủ gây sai số, ví dụ như rung động của cơ chế đầu CD bên trong sản phẩm. Bất kỳ biện pháp nào có thể thực hiện để cách ly mạch đồng hồ khỏi rung động vật lý bên ngoài đều nên được áp dụng, vì điều này nâng cao hiệu suất hoạt động của đồng hồ.

Nguồn cấp điện
Khả năng duy trì tần số dao động ổn định của tinh thể thạch anh (hoặc bất kỳ vật liệu áp điện nào) phụ thuộc vào việc có một nguồn DC ổn định, không nhiễu và đúng thông số kỹ thuật. Đối với cả VCXO và OCXO, điều này đồng nghĩa với việc cấp nguồn DC sạch cho mạch. Đặc biệt với VCXO, điện áp điều khiển phải ổn định (trong loại bộ dao động này, điện áp điều khiển được dùng để điều chỉnh tần số tinh thể một cách chính xác). Nếu nguồn điện cung cấp cho tinh thể có sự biến đổi, tần số cộng hưởng của tinh thể sẽ thay đổi. Trong các sản phẩm sử dụng đồng hồ dựa trên tinh thể thạch anh, người thiết kế luôn cố gắng cấp nguồn sạch nhất có thể cho tinh thể, với điện áp và tần số phù hợp theo tiêu chuẩn khu vực sản phẩm hoạt động.

Nhiễu cảm ứng (Crosstalk)
Các mạch điện tử có thể sinh ra rò rỉ điện từ trường (EM leakage). Hiện tượng này thường thấy khi truyền tín hiệu tốc độ cao như tín hiệu audio số qua các đường mạch đồng trên PCB (bo mạch in). Các đường mạch đồng này về cơ bản hoạt động như các anten, phát tán tín hiệu số ra khỏi bo mạch. Nhiễu này có thể ảnh hưởng đến các mạch đồng hồ gần đó, làm giảm hiệu suất đồng hồ.

Cách giải quyết chính xác là thiết kế PCB sao cho giảm thiểu tối đa nhiễu cảm ứng. Thứ hai là đảm bảo các phần nhạy cảm được tách biệt khỏi các phần gây nhiễu. Một phương pháp hiệu quả hơn nữa là loại bỏ hoàn toàn các nguồn nhiễu EM tiềm năng trong sản phẩm nếu có thể, chẳng hạn bằng cách dùng Master Clock (đồng hồ chủ tách biệt, với mạch và nguồn riêng biệt).

Tần số đồng hồ
Cách thiết kế đồng hồ tối ưu cho sản phẩm audio là dùng hai bộ dao động: một bộ dao động hoạt động ở bội số trực tiếp của 44.1kHz, bộ kia hoạt động ở bội số trực tiếp của 48kHz. Lý do là hầu hết các tốc độ mẫu (sample rate) trong audio số đều là bội số của hai tần số “cơ sở” này (bao gồm cả DSD, với các bội số rất cao của 44.1kHz). Nếu đồng hồ không chạy ở bội số trực tiếp của tốc độ mẫu cần clock, việc tính toán sẽ phức tạp hơn và các linh kiện điện tử dùng để tạo tần số cần thiết sẽ dễ phát sinh jitter hơn.

Ví dụ, cố gắng clock tín hiệu 44.1kHz bằng đồng hồ 10MHz sẽ yêu cầu tổng hợp 44.1kHz từ 10MHz, điều này về mặt toán học không gọn gàng. Do đó, đồng hồ này phải dùng các phương pháp như chuyển đổi tỉ lệ bất đồng bộ (asynchronous rate conversion) để nhân hoặc chia tần số cho đúng. Các phương pháp này thường làm phổ tần số đồng hồ “bẩn” hơn, khiến hệ thống dễ sinh jitter.

Sản phẩm dCS dùng hai bộ dao động chạy ở bội số 2^9 của tần số cơ sở audio (44.1kHz và 48kHz), tương ứng 22.5792MHz và 24.576MHz. Việc chia tần số dễ dàng xuống bất kỳ tốc độ nào cần thiết giúp tạo ra phổ đồng hồ sạch hơn, và kết quả là giảm jitter.

Nhiệt độ đồng hồ (Clock Temperature)

Mặc dù nhiệt độ của đồng hồ không phải là nguồn gây nhiễu pha (phase noise), nhưng nó có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ dao động. Tần số cộng hưởng của tinh thể thạch anh tỷ lệ nghịch với kích thước vật lý của nó và theo đó, tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Khi nhiệt độ của tinh thể tăng lên, nó giãn nở về mặt vật lý. Khi nhiệt độ giảm, nó co lại. Sự thay đổi kích thước vật lý này làm thay đổi tần số cộng hưởng của tinh thể. Do đó, các biến đổi nhiệt độ trong hệ thống số cần được tránh hoặc giảm thiểu tối đa.

Đã có nhiều phương pháp để khắc phục ảnh hưởng của biến đổi nhiệt độ trong bộ dao động tinh thể. Một cách tiếp cận là sử dụng OCXO tiêu chuẩn công nghiệp. OCXO nhằm loại bỏ biến đổi nhiệt độ của tinh thể bằng cách dùng bộ gia nhiệt Curie để giữ cho nhiệt độ tinh thể ổn định. Thiết bị Curie là bộ gia nhiệt điện trở có đặc tính điện trở tăng mạnh khi đạt đến một nhiệt độ nhất định, từ đó tự động giảm công suất gia nhiệt. Nhiệt độ có thể vượt quá điểm đặt ban đầu rồi ổn định quanh nhiệt độ yêu cầu. Khi nhiệt độ của sản phẩm chưa ổn định (ví dụ khi mới bật nguồn từ trạng thái lạnh), do trễ nhiệt, sẽ có dao động nhiệt độ và do đó dao động tần số trong quá trình hệ thống “tìm kiếm” nhiệt độ mục tiêu. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tinh thể đã ổn định, đồng hồ sẽ xuất ra tần số ổn định.

Cách tiếp cận khác là sử dụng VCXO được hỗ trợ bởi vi điều khiển, như đã áp dụng trong nhiều sản phẩm dCS. Cách này không dùng bộ gia nhiệt để bù nhiệt độ. Thay vào đó, tận dụng khả năng xử lý lớn từ thiết kế dựa trên FPGA trong sản phẩm để liên tục điều chỉnh điện áp điều khiển cấp vào VCXO, bù trừ cho sự thay đổi nhiệt độ.

Trong trường hợp đồng hồ chủ (Master Clock) của dCS như Rossini Clock hoặc Vivaldi Clock, các điều chỉnh này dựa trên dữ liệu đo lường nghiêm ngặt thu thập trong quá trình sản xuất. Trong quá trình này, đồng hồ (cùng bảng mạch gắn đồng hồ) được đặt trong buồng môi trường (Environmental Chamber). Buồng này đo tần số đồng hồ tương ứng với nhiệt độ môi trường kiểm soát và lưu lại dữ liệu vào FPGA bên trong sản phẩm. Nhiệt độ được thay đổi, đồng hồ đo lại và hiệu suất tiếp tục được ghi nhận. Quá trình này được lặp lại trong 18 giờ. Nhờ vậy, chúng ta có được biểu đồ chính xác cách VCXO trong đồng hồ chủ hoạt động ở từng mức nhiệt độ, dữ liệu này được lưu trữ trong sản phẩm.

Dữ liệu này được ứng dụng trong sản phẩm bằng cách điều chỉnh điện áp điều khiển cấp vào VCXO. Điện áp cao hơn hoặc thấp hơn sẽ tạo ra tần số cộng hưởng tương ứng cao hơn hoặc thấp hơn. Kết hợp với kiến thức về hiệu suất theo nhiệt độ của sản phẩm, điều này đảm bảo tần số xuất ra của đồng hồ luôn ổn định. Ở bất kỳ nhiệt độ hoạt động bình thường nào, tần số xuất ra của đồng hồ cũng duy trì nhất quán.

Quá trình này diễn ra liên tục trong Rossini và Vivaldi Clocks, với nhiệt độ đồng hồ được đo thường xuyên, và điện áp điều khiển được điều chỉnh nếu nhiệt độ đồng hồ thay đổi. Kết quả là một đồng hồ Vivaldi mới có thể đạt độ chính xác trên +/- 1 phần triệu (PPM) khi xuất xưởng. Khi đồng hồ đã ổn định trong môi trường, độ chính xác thường tăng lên khoảng +/- 0.1 PPM.

Trong bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu loại jitter chính còn lại: jitter giao diện (interface jitter).

 

Phần 3 – Jitter (Giao diện)

Nếu một thiết bị khóa đồng hồ (clock) vào tín hiệu đồng hồ của nguồn bên ngoài, chẳng hạn như đầu đọc CD kết nối với DAC, thì các nhiễu được dây cáp tín hiệu audio số giữa các thiết bị có thể làm mờ các thời điểm chuyển tiếp trong dữ liệu đồng hồ của tín hiệu — về cơ bản làm thay đổi thời điểm mà mức logic 0 chuyển thành 1 hoặc ngược lại.

Dây tín hiệu cân bằng (balanced lines) giúp giảm nhiễu cảm ứng trên cáp. Đây là lý do định dạng AES/EBU sử dụng cáp xoắn đôi có trở kháng 110Ω và được che chắn (shielded). Lớp che chắn này hiệu quả bảo vệ dây dẫn khỏi phần lớn nhiễu điện từ (EMI) và dẫn hết nhiễu nhận được xuống đất, loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu. Bất kỳ EMI nào lọt qua dây dẫn sẽ bị triệt pha (phase-cancelled), vì mỗi dây dẫn nằm lệch pha nhau chính xác 180 độ. (Vì các cặp dây chạy cùng nhau, nhiễu gây ra trên cả hai dây có pha đồng bộ nên sẽ bị triệt tiêu.)

Điều quan trọng là phải đảm bảo cáp có băng thông đủ cho tín hiệu số. Sóng vuông mang tín hiệu có thời gian chuyển đổi rất nhanh giữa mức thấp và cao (0 và 1). Thời gian chuyển đổi nhanh tương ứng với tần số rất cao, trong phạm vi megahertz. Vì vậy, nên sử dụng cáp 110Ω chất lượng tốt cho truyền tín hiệu AES, và cáp 75Ω cho truyền S/PDIF, được thiết kế chuyên biệt cho dữ liệu audio số.

Khi tín hiệu số đi qua cáp, cáp sẽ có tác dụng lọc tín hiệu ở mức độ nhất định. Cáp thiết kế kém, không phù hợp với giao diện dùng (ví dụ AES3), có thể lọc mất các thành phần tần số cao của tín hiệu trước khi đến DAC từ nguồn phát.

Điều này gây ra hiện tượng tương tác giữa hai bit dữ liệu liên tiếp trong tín hiệu, gọi là nhiễu giữa các ký hiệu (intersymbol interference). Tùy thuộc vào mối quan hệ giữa bit thứ nhất và bit thứ hai, thời điểm chuyển đổi giữa hai bit này có thể bị kéo dài về thời gian (temporal smearing). Đường thẳng đứng lý tưởng của sóng vuông trở nên nghiêng dốc hơn, khiến thời điểm chính xác mà 0 chuyển thành 1 hoặc ngược lại trở nên mờ nhạt. Nói cách khác, jitter có thể phát sinh chỉ do tương tác nội tại trong dữ liệu.

Nếu dữ liệu thời gian trong tín hiệu audio được dùng để khóa clock của DAC theo clock nguồn, nhiễu giữa các ký hiệu này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng âm thanh, vì nó có thể gây jitter cho clock của DAC. Tuy nhiên, nếu hệ thống audio sử dụng Master Clock và thông tin thời gian nhúng trong tín hiệu AES3 (ví dụ) không còn được dùng để khóa clock, thì hiệu ứng nhiễu giữa các ký hiệu sẽ bị loại bỏ. Mặc dù hiệu ứng lọc của cáp và tương tác dữ liệu vẫn xảy ra, nhưng nhiễu giữa các ký hiệu không gây jitter. Lý do là tín hiệu Word Clock từ Master Clock có tính đều đặn và không thay đổi như tín hiệu AES.

Cần lưu ý rằng do PLL trong sản phẩm dCS có phản hồi chậm và mạch thu hồi clock rất mạnh, nên hiệu ứng nhiễu giữa các ký hiệu được giảm thiểu tối đa trong trường hợp DAC phải khóa theo thông tin clock nhúng trong tín hiệu audio (như khi không có Master Clock).

Bài viết tiếp theo sẽ bàn về đồng bộ hóa clock, ví dụ cách sử dụng Phase Locked Loop để đồng bộ hai miền clock khác nhau, như giữa DAC và thiết bị Transport kết nối.

 

Phần 4 – Đồng bộ hóa Clock (Clock Synchronisation)

Có một vấn đề phát sinh khi nhiều thiết bị audio số, mỗi thiết bị có bộ đồng hồ nội tại riêng, cần làm việc phối hợp với nhau. Lấy ví dụ khi cấp tín hiệu từ đầu đọc CD (CD transport) vào một DAC. DAC có bộ đệm (buffer) — một vùng nhớ tạm thời lưu các mẫu âm thanh nhận từ đầu đọc CD. Clock của đầu đọc quyết định thời điểm mẫu được gửi đến DAC, trong khi clock của DAC quyết định thời điểm mẫu đó được sử dụng và chuyển đổi thành điện áp analog.

Trong thế giới lý tưởng, clock của DAC và đầu đọc sẽ chạy cùng tốc độ chính xác mà không có biến động thời gian. Tuy nhiên thực tế, clock sẽ có sự biến thiên trung bình theo thời gian (có thể do jitter nội tại đã đề cập trước đó). Đây là một vấn đề khác với jitter.

Nếu clock của hai thiết bị chạy với tốc độ khác nhau về trung bình trong một khoảng thời gian dài, và không có phương pháp đồng bộ, sẽ xảy ra tình huống bộ đệm DAC bị cạn mẫu do đầu đọc gửi mẫu quá chậm hoặc DAC xử lý mẫu quá nhanh; hoặc bộ đệm bị tràn do đầu đọc gửi mẫu quá nhanh hoặc DAC xử lý mẫu quá chậm. Điều này gây ra hiện tượng mất tiếng tạm thời (dropout), khi DAC phải bỏ toàn bộ và khóa lại clock theo tín hiệu audio để lấy lại dòng mẫu đúng cách.

Có hai phương pháp chính để giải quyết vấn đề này. Thứ nhất, có các thông tin thời gian nhúng trong tín hiệu audio số (như S/PDIF hoặc AES) mà đầu đọc phát ra. DAC có thể đọc thông tin này và điều chỉnh tốc độ clock nội tại cho khớp, nhờ đó clock của nguồn và DAC chạy cùng tốc độ, tránh dropout.

Phương pháp thứ hai là khóa cả nguồn và DAC vào một Master Clock. Master Clock là thiết bị đứng ngoài hệ thống, phát tín hiệu clock gọi là Word Clock đến các thiết bị còn lại trong hệ thống. Clock nội tại của các thiết bị khác sẽ khóa vào tín hiệu này, đồng nghĩa về trung bình tất cả thiết bị chạy cùng tốc độ Master Clock. Nhờ đó, DAC không bị dropout hay cần khóa lại do bộ đệm tràn hay cạn, vì mẫu gửi từ nguồn và tiêu thụ bởi DAC đều cùng tốc độ.

Điểm chung của hai phương pháp trên là đều cần dùng cơ chế đồng bộ tín hiệu đến với clock nội tại của thiết bị qua PLL (Phase Locked Loop). Trên thị trường cao cấp có nhiều DAC không có khả năng thay đổi miền clock để khớp với nguồn vào, vì bộ dao động chạy tần số cố định. Điều này dẫn đến việc thiết bị phải bỏ hoặc lặp lại mẫu ngẫu nhiên (hành vi không mong muốn) và độ trễ biến thiên, không thể dùng cho video do lệch đồng bộ môi miệng (lip-sync drift).

Cần lưu ý, việc dùng Master Clock trong hệ thống dCS không thay thế clock nội tại trong DAC. Nó chỉ đóng vai trò làm chuẩn ổn định để DAC khóa vào, giúp đồng bộ DAC và nguồn mà không bị jitter phát sinh do nhiễu trong dữ liệu audio. Clock nội tại của DAC vẫn quyết định thời điểm chuyển đổi mẫu, chỉ điều chỉnh tần số theo thời gian để khớp với Master Clock. Điều này giúp DAC vẫn có clock chất lượng cao gần mạch chuyển đổi, trong môi trường kiểm soát chặt chẽ, đồng thời đồng bộ với hệ thống.

Mạch Khóa Pha (Phase Locked Loop – PLL)

PLL là mạch dùng để khớp tần số tín hiệu vào với tín hiệu ra. PLL thường dùng để đồng bộ clock nội tại DAC với tín hiệu vào, ví dụ SPDIF từ đầu đọc CD. Bộ dò pha (phase detector) trong PLL cố gắng khớp pha tín hiệu SPDIF vào với clock nội tại của DAC. Mục tiêu là giảm sai số pha tối đa, đảm bảo theo thời gian hai clock chạy cùng tốc độ trung bình, giúp bộ đệm DAC không bị tràn hoặc cạn.

PLL phổ biến nhất trong sản phẩm audio thường nằm trong chip nhận SPDIF “off-the-shelf”. Chip này thường dùng trên đầu vào SPDIF, kết hợp khối chuyển đổi SPDIF sang I2S và PLL. Việc dùng giải pháp bên thứ ba như vậy có thể gây ra vấn đề. Với chip này, rất khó tách riêng chức năng chuyển đổi tín hiệu và khớp miền clock. Điều này gây khó khăn khi dùng tín hiệu Word Clock làm chuẩn cho DAC. Thêm nữa, nếu chip không đạt hiệu suất tốt thì không thể thay đổi. Ví dụ điển hình là trích clock từ AES, khá khó để làm tốt; do cấu trúc các mã không hợp lệ trong tín hiệu, dễ gây jitter do dấu hiệu kênh (channel block marker) xuất hiện mỗi 192 mẫu (cấu trúc SPDIF/AES phức tạp nhưng về cơ bản tín hiệu có chu kỳ 3 bit 0 hoặc 1 liên tiếp để khóa PLL).

Tại dCS, chúng tôi chọn hướng tiếp cận khác. DAC dCS vẫn dùng PLL nhưng thiết kế dạng hybrid, phát triển hoàn toàn nội bộ. Một phần PLL là kỹ thuật số, thực hiện qua DSP bên trong FPGA của sản phẩm, phần còn lại là analog. Cách làm này rất linh hoạt và hiệu suất cao hơn nhiều. Ngoài ra, nó hoàn toàn độc lập với nguồn tín hiệu vào. Chúng tôi còn có thể điều chỉnh mạnh mẽ băng thông PLL, cho phép DAC khóa nguồn rất nhanh nhờ băng thông rộng, sau đó thu hẹp băng thông để giảm jitter.

Cách làm này giúp trong sản phẩm dCS, đường clock và đường dữ liệu luôn độc lập. FPGA có phần chuyên dụng để trích clock nhúng trong tín hiệu AES vào (thiết kế riêng, không dùng chip sẵn); phần khác để nhận dữ liệu audio, một phần khác để định tuyến và xử lý tín hiệu...

Điều này cho phép chúng tôi xử lý linh hoạt như Dual AES: có thể chạy tín hiệu, có đầu vào Master Clock riêng, cho phép DAC làm Master Clock cho toàn hệ thống, chịu được dây cáp Dual AES dài khác nhau, xử lý bù pha giữa clock và audio, tất cả không làm tăng trễ âm thanh, vẫn tích hợp tốt với video. Chúng tôi cũng có thể ẩn lệnh trong phần bit không phải âm thanh của AES, cho phép ví dụ DAC Vivaldi (không có mạng) điều khiển bằng app dCS Mosaic Control.

Sơ đồ này minh họa ví dụ đơn giản về cách một nguồn số (Rossini Transport), một DAC (Bartók Headphone DAC) và một đồng hồ chủ (Rossini Clock) làm việc phối hợp với nhau. Hiệu suất tổng thể của hệ thống phụ thuộc vào việc từng thành phần này hoạt động chính xác — mỗi bộ dao động, PLL và tầng xuất tín hiệu cần vận hành ở mức cao để đạt hiệu suất tối ưu.

Dither Clock
Cài đặt Dither có thể tìm thấy trên các đồng hồ dCS Rossini và Vivaldi. Dither thường được dùng trong audio số để phơi bày độ phân giải động thấp hơn bit ít quan trọng nhất (LSB). Tuy nhiên, trong các đồng hồ kể trên, dither được áp dụng ở miền thời gian thay vì miền biên độ.

PLL có đặc điểm gọi là ‘vùng chết’ (dead band) trong bộ dò pha (phase detector). Khi tần số tín hiệu vào và ra gần như đồng bộ, PLL mất độ nhạy. PLL sẽ trôi dạt cho đến khi độ lệch tần số đủ lớn để bộ dò pha hoạt động lại và điều chỉnh PLL trở về trạng thái đồng bộ.

Lúc này, dither phát huy tác dụng: Mặc dù nghe có vẻ nghịch lý, nếu có những biến đổi ngẫu nhiên rất nhỏ về thời gian của cạnh tín hiệu clock khi sai số pha rất thấp, chúng sẽ tạo cho PLL một điểm để bám vào và hiệu chỉnh (đẩy sai số pha hơi lệch trở lại vùng mà bộ dò pha có thể điều chỉnh hiệu quả). Dither sau đó bị lọc bỏ trong PLL trước khi xuất ra tín hiệu clock cuối cùng. Trong thực tế nghe, đây là sự đánh đổi tốt và thực sự cải thiện hiệu suất hệ thống. Về cơ bản, cài đặt dither trên Rossini Clock giữ cho clock của Bartók DAC rất chính xác ngay cả khi PLL hoạt động trong vùng ít nhạy với sai số pha thấp.

 

Phần 5 – Nguồn bất đồng bộ – USB & Audio Mạng

Âm thanh truyền qua định dạng bất đồng bộ (asynchronous) như phát nhạc qua Spotify trên smartphone, chơi nội dung từ NAS qua Roon, hay chơi nhạc từ máy tính qua USB, phần nào là ngoại lệ so với các quy tắc đã đề cập trước đó, vì jitter không phải là yếu tố ảnh hưởng đến dữ liệu âm thanh cho đến khi nó đến điểm cuối và được chuyển đổi lại thành định dạng phù hợp (như PCM hoặc DSD).

Với audio mạng, giao diện dùng để truyền dữ liệu âm thanh qua mạng gọi là TCP (Transmission Control Protocol). Dữ liệu cần truyền, ví dụ một bản nhạc, được chia thành nhiều “gói dữ liệu” (packet). Các gói này không chỉ chứa dữ liệu (payload), mà còn có thông tin gắn nhãn nguồn gốc, đích đến, tổng số gói trong chuỗi và cách ghép các gói lại để phục hồi dữ liệu gốc không thay đổi.

Ví dụ, một bản nhạc từ Qobuz được stream đến DAC dCS Bartók. Nếu một gói dữ liệu bị mất hoặc lỗi, theo chuẩn TCP, Bartók có thể yêu cầu gửi lại gói đó. Khi tất cả các gói đã được Bartók nhận đúng, chúng được giải nén trở lại định dạng dữ liệu chuẩn (ví dụ PCM) và lưu vào bộ đệm trước khi đưa vào DAC. Giai đoạn giải nén và đệm này thực tế đã loại bỏ hoàn toàn liên kết thời gian giữa các gói TCP và tín hiệu âm thanh cuối cùng. (Bạn nên đọc lại câu này vì rất quan trọng.)

Khi dữ liệu đã được đệm trong Bartók, các yếu tố như đã bàn trên sẽ trở nên liên quan trở lại. Dữ liệu lúc này được điều khiển trực tiếp bởi clock của Bartók, và jitter bắt đầu trở thành yếu tố ảnh hưởng. Độ chính xác của clock Bartók sẽ quyết định thời điểm DAC chuyển các mẫu số về điện áp analog, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng âm thanh. Trước điểm này, jitter không phải là yếu tố ảnh hưởng từ góc độ âm thanh.

Âm thanh USB bất đồng bộ hoạt động tương tự. Không có liên kết thời gian nào giữa nguồn (ví dụ máy tính) và điểm cuối (ví dụ Bartók). Không quan trọng nếu khi truyền dữ liệu USB, các bit không được cách đều hoàn hảo thành sóng vuông sạch. Miễn là Bartók nhận đúng các bit (ví dụ một bit 1 không bị đọc nhầm thành 0), thời gian truyền hầu như không quan trọng. Bởi vì, giống như audio mạng, dữ liệu được đệm trước khi đưa vào DAC. Cho đến lúc này, thời gian mới trở thành yếu tố, vì dữ liệu lúc đó mới được chuyển từ định dạng USB trở lại định dạng audio số (ví dụ PCM hoặc DSD).