Phần 1. Âm thanh kỹ thuật số là gì?

Ngọc Icar

05/01/2019

Tìm hiểu về âm thanh kỹ thuật số

Ngày nay chúng ta nghe rất nhiều đến thuật ngữ “Âm thanh kỹ thuật số”, nhưng chắc hẳn còn rất nhiều người chưa biết Âm thanh kỹ thuật số (digital) là gì, và nó khác gì với âm thanh tương tự (analog). Vậy thì nếu bạn chưa biết về âm thanh kỹ thuật số và muốn tìm hiểu hoặc bạn đã biết nhưng muốn hiểu sâu thêm thì mời bạn tham khảo bài viết dưới đây để cùng iCar Việt Nam đi tìm lời giải đáp cho câu hỏi “Âm thanh kỹ thuật số là gì?” nhé!

1. Âm thanh kỹ thuật số là gì

Âm thanh kỹ thuật số là công nghệ có thể được sử dụng để ghi chép, lưu trữ, tạo ra, chỉnh sửa và tái tạo lại bằng cách sử dụng các tín hiệu âm thanh đã được mã hóa dưới dạng số (0 và 1). Sau những tiến bộ đáng kể trong công nghệ âm thanh kỹ thuật số những năm 1970, nó dần dần thay thế công nghệ âm thanh analog trong nhiều lĩnh vực sản xuất âm thanh, ghi âm (hệ thống băng đĩa được thay thế bằng hệ thống ghi âm kỹ thuật số), kỹ thuật âm thanh và viễn thông trong năm 1990 và 2000.

Âm thanh kỹ thuật số và âm thanh tương tự

Hình 1. Đồ thị biểu diễn tín hiệu âm thanh Analog và Digital

Một microphone chuyển đổi âm thanh (giọng của một ca sĩ hay của một nhạc cụ) thành một tín hiệu điện tương tự (đây là dạng tín hiệu sóng hình sin, thay đổi độ lớn theo thời gian), sau đó một bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog Digital Converter – ADC) được sử dụng để điều chế xung, chuyển đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tín hiệu kỹ thuật số này sau đó có thể được ghi lại, chỉnh sửa hoặc thay đổi bằng cách sử dụng các phần mềm hoặc sử dụng các công cụ âm thanh kỹ thuật số. Khi các kỹ sư âm thanh muốn nghe đoạn ghi âm trên tai nghe hoặc loa (hoặc khi chúng ta muốn nghe một tập tin âm thanh kỹ thuật số của một bài hát), một bộ chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (Digital Analog Converter – DAC) thực hiện quá trình ngược lại với quá trình chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, lúc này nó sẽ chuyển đổi một tín hiệu kỹ thuật số trở lại một tín hiệu tương tự (là tín hiệu mà con người sẽ cảm nhận được), tuy nhiên các tín hiệu này thường rất nhỏ do vậy sau đó các mạch tương tự sẽ phải khuếch đại và truyền ra loa phát thanh.

Hệ thống âm thanh kỹ thuật số có thể bao gồm nén, lưu trữ, xử lý và truyền tải các thành phần, chuyển đổi sang một định dạng kỹ thuật số cho phép thao tác thuận tiện, lưu trữ, truyền tải và thu hồi một tín hiệu âm thanh. Không giống như các âm thanh tương tự, khi thực hiện bản sao của một bản ghi âm sẽ dẫn đến suy giảm chất lượng tín hiệu. Sử dụng âm thanh kỹ thuật số chúng ta có thể sao lưu vô số bản sao mà không làm xảy ra suy giảm chất lượng tín hiệu. Nói cách khác, bản gốc và bản sao là y hệt nhau 100%.

Công nghệ âm thanh kỹ thuật số trong năm 2010 được sử dụng trong việc ghi âm, lưu trữ, sản xuất hàng loạt và phân phối đến người dùng. Bản ghi kỹ thuật số bao gồm các bản ghi âm của bài hát, nhạc cụ, podcast, hiệu ứng âm thanh cũng như những âm thanh khác. Phân phối âm nhạc trực tuyến hiện đại phụ thuộc vào ghi âm kỹ thuật số và nén dữ liệu. Sự sẵn có và tiện lợi của các file âm nhạc giống như là một file dữ liệu chứ không phải là đối tượng như vật lý kiểu băng từ hay đĩa than đã làm giảm đáng kể chi phí phân phối. Trước khi có âm thanh kỹ thuật số, ngành công nghiệp âm nhạc phân phối và bán âm nhạc bằng cách bán các bản sao vật lý của album dưới dạng băng từ, đĩa than và sau đó là đĩa CD. Với hệ thống phân phối âm thanh kỹ thuật số trực tuyến như iTunes, các công ty sẽ bán các file âm thanh kỹ thuật số trực tiếp đến người tiêu dùng qua Internet. Mô hình phân phối âm thanh kỹ thuật số qua internet này ít tốn kém hơn nhiều so với sản xuất bản sao vật lý của các bản ghi âm sau đó đóng gói chúng và vận chuyển đến các cửa hàng.

Một hệ thống âm thanh analog ghi lại âm thanh và chuyển đổi dạng sóng vật lý của âm thanh thành tín hiệu điện thay đổi độ lớn theo thời gian (thay đổi điện áp, dòng điện,…) bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi, chẳng hạn như một microphone. Những âm thanh này sau đó được lưu trữ trên băng hoặc truyền đi. Quá trình này được đảo ngược để phát lại các tín hiệu âm thanh, được khuyếch đại và sau đó chuyển thành dạng sóng vật lý thông qua một loa. Âm thanh Analog giữ lại đặc điểm giống như dạng sóng ban đầu của nó trong suốt quá trình lưu trữ, chuyển đổi, sao chép, và khuếch đại.

Tín hiệu âm thanh Analog rất nhạy cảm với tiếng ồn và dễ bị biến dạng do các đặc tính bẩm sinh của mạch điện tử và các thiết bị liên quan. Ngược lại, các nhiễu trong hệ thống kỹ thuật số không dẫn đến lỗi cho tín hiệu trừ khi có các trục trặc rất lớn trong hệ thống dẫn đến hỏng dữ liệu. Do đó, nhìn chung âm thanh kỹ thuật số hoàn toàn không có tiếng ồn hoặc bị méo tín hiệu trong quá trình truyền dẫn và sau đó được chuyển đổi trở lại tín hiệu tương tự.

Một tín hiệu âm thanh kỹ thuật số có thể được mã hóa để sửa chữa bất kỳ lỗi nào có thể xảy ra trong quá trình lưu trữ hoặc truyền tải, nhưng điều này không hoàn toàn là một phần bắt buộc của âm thanh kỹ thuật số. Kỹ thuật này được gọi là “Kênh mã hoá”, đây là điều cần thiết để phát sóng hoặc các hệ thống truyền tải tín hiệu kỹ thuật số nhằm duy trì độ chính xác của tín hiệu gửi và nhận. Các tín hiệu nhị phân (0 và 1) rời rạc theo thời gian cho phép một bộ giải mã tái tạo được tín hiệu tương tự khi phát lại. 8-14 bit được sử dụng trong âm thanh Compact Disc (CD).

2. Quá trình chuyển đổi

Một hệ thống âm thanh kỹ thuật số bắt đầu với một ADC nhằm chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Các ADC chạy ở tốc độ lấy mẫu quy định và chuyển đổi ở độ phân giải bit được chọn (độ phân giải càng lớn thì độ chính xác càng lớn).

– Tốc độ lấy mẫu là số lần lấy mẫu trong 1 giây, số lần lấy mẫu càng nhiều tín hiệu số càng ít làm mất đi độ chính xác và chi tiết của tín hiệu analog ban đầu .

– Độ phân giải trong âm thanh kỹ thuật số đại diện cho mức chi tiết của quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Độ phân giải của tín hiệu được đánh giá bằng số bit, khi có n bit thì sẽ có 2^n giá trị. Ví dụ, độ phân giải 8 bit thì có 2^8 = 255 giá trị; độ phân giải 16bit thì có 2^16 = 1024 giá trị. Khi đó giả sử tín hiệu tương tự là tín hiệu điện có hiệu điện thế là 1V (1000mV) thì độ chính xác của 8bit = 1000mV/255 = 3,9 mV, nghĩa là các giá trị giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp mà chênh lệch không quá 3,9mV được hiểu là như nhau, trong khi độ chính xác của 16 bit là 1000mV/1024 = 0,97mV. Nhìn trên biểu đồ dạng sóng Digital Sound Wave ở hình 1b các bạn dễ dàng hiểu được điều này, tín hiệu hình sin ban đầu (đường sin màu vàng) bị chuyển thành dạng bậc thang, mỗi bậc thang là một lần lấy mẫu, khi số lần lẫy mẫu ít thì những thay đổi của tín hiệu tương tự giữa hai lần lấy mẫu sẽ không được phát hiện ra và bỏ sót. Khi số bit lấy mẫu ít thì sự chênh lệch ít của tín hiệu tương tự bị bỏ qua. Đường màu vàng là tín hiệu âm thanh hình sin ban đầu, đường màu xanh lục là tín hiệu lý tưởng khi chuyển đổi, tuy nhiên vì số bit lấy mẫu ít khiến giá trị nằm giữa mức 003 và 006 không phân biệt được và bộ chuyển đổi phải quy về giá trị số nhị phân gần nhất 0000100 và 0000111, điều này khiến cho đường đồ thị màu tím bị lệch, tín hiệu sau khi chuyển đổi từ tín hiệu số về tín hiệu analog là đường màu xanh lam bị khác so với tín hiệu analog ban đầu. Đó là lý do làm méo tiếng của bộ chuyển đổi khi tần số lấy mẫu và bit lấy mẫu ít. Các bộ ADC và DAC cao cấp ngày nay thường lấy mẫu ở tần số 192KHz thay vì 44,1KHz như nhạc cho đĩa CD trước đây, đồng thời số bit lấy mẫu lên đến 24 bit hoặc 32 bit thay vì 16 bit trước đây.

Hình 1b. Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của tốc độ lấy mẫu, số bit lấy mẫu đến tín hiệu âm thanh sau khi chuyển đổi

Nhìn chung tốc độ lấy mẫu (Sampling rates) và số bit lấy mẫu càng cao thì kích thước file nhạc tạo thành càng lớn. Kích thước file nhạc sau khi chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ở dạng chưa nén (giống như nhạc trong đĩa CD) được tính như sau:

Kích thước file = Số kênh âm thanh x Tốc độ lấy mẫu x Số bit lấy mẫu, (bit/giây).

Ví dụ, âm thanh CD có 2 kênh (Trái và Phải) có tốc độ lấy mẫu 44.1 kHz (44.100 mẫu trên giây) và có độ phân giải 16-bit cho. Như vậy, kích thước file nhạc sẽ là:

Kích thước = 2 kênh x 44100 mẫu/s x 16 bit/mẫu= 1.411.200 bit/s = 176.400 Byte/s = 172,265625 kByte/s = 0,1682281494140625 MB/s

(1Byte = 8bit; 1kByte = 1024 Byte; 1MB = 1024 kByte)

Như vậy một file nhạc dài 5 phút = 5 x 60 = 300 giây sẽ có kích thước là 0,1682281494140625 x 300 = 50,46 MB.

Tương tự, một file nhạc số có 2 kênh tiếng với tần số lấy mẫu 192kHz và 32 bit dài 5 phút sẽ nặng:

2 kênh x 192.000 mẫu/giây x 32 bit/mẫu x 300 giây = 439,453125 MB (rất nặng đúng không nào?)

Chính vì khả năng lưu trữ có giới hạn mà trước đây người ta phải để tần số lấy mẫu âm thanh và số bit vừa phải, ngày nay khả năng lưu trữ đã tốt hơn với các thế hệ đĩa và ổ cứng mới, âm nhạc chất lượng cao càng ngày càng được ưa chuộng hơn. Và ở đây cũng thấy luôn, âm thanh số đạt chất lượng cao nhất chính là bằng âm thanh analog ban đầu!

Tín hiệu tương tự phải được đưa qua một bộ lọc chống răng cưa trước khi chuyển đổi để ngăn chặn sự biến dạng gây ra bởi các tín hiệu âm thanh có tần số cao hơn tần số nghe được của con người.

Một tín hiệu âm thanh kỹ thuật số có thể được lưu trữ hoặc truyền đi. Âm thanh kỹ thuật số có thể được lưu trữ trên một đĩa CD, một máy nghe nhạc âm thanh kỹ thuật số, một ổ đĩa cứng, một ổ đĩa flash USB, hoặc bất kỳ thiết bị lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số nào. Các tín hiệu kỹ thuật số sau đó có thể được thay đổi thông qua xử lý tín hiệu kỹ thuật số, nơi nó có thể được lọc hoặc có thay đổi. Kỹ thuật nén dữ liệu âm thanh chẳng hạn như MP3, AAC, Ogg Vorbis, hoặc FLAC, thường được sử dụng để giảm kích thước tập tin. Âm thanh kỹ thuật số có thể được xem trực tiếp trên các thiết bị khác.

vong-doi-cua-am-thanh

Vòng đời của âm thanh

Để phát lại, âm thanh kỹ thuật số phải được chuyển đổi sang tín hiệu tương tự với một DAC. DAC chạy với tốc độ lấy mẫu và bit độ phân giải cụ thể, nhưng có thể sử dụng oversampling, upsampling or downsampling để chuyển đổi tín hiệu đã được mã hóa với tốc độ lấy mẫu khác nhau. iCar Việt Nam cung cấp Đầu android ô tô có chíp DAC rời 32bit và tần số lấy mẫu đến 392KHz cho chất âm thanh tuyệt vời