Giới thiệu : Tín hiệu trong thế giới thực là tín hiệu analog : ánh sáng , âm thanh ...Trong quá trình xử lý, tín hiệu thực này được chuyển đổi ra digital bằng cách dùng một mạch gọi là ADC (Analog-to-Digital Converter) trước khi chúng được sử dụng bởi các thiết bị số. Khi nào chúng ta cần lại tín hiệu analog, chuyển đổi ngược lại bằng mạch DAC (Digital-to-Analog Converter) Nhưng tại sao phải là digital ? Có nhiều lý do cơ bản để dùng tín hiệu digital thay cho analog,nhiễu là một lý do. Vì tín hiệu analog có thể ở bất kỳ giá trị nào,nhiễu được biểu thị như là một phần của tín hiệu gốc.Ví dụ khi bạn nghe máy đĩa phono,vì là đường ghi là analog cho nên kim chạy trên đường ghi nó không phân biệt được tín hiệu âm nhạc với nhiễu lẫn vào do bụi đất hoặc vết nức trên đĩa. Trái lại ,hệ thống digital chỉ có thể hiểu được hai số,số 0 và số 1.Bất kỳ cái nào khác với hai số này đều bị gạt ra.Đó là lý do tại sao bạn không nghe bất kỳ một âm thanh lạ nào khi nghe audio CD,cho dù bạn đã sử dụng hàng ngàn lần trước đó(Thật ra tuỳ thuộc vào hệ thống mà bạn có thể nghe một số tín hiệu nhiễu,nhưng nhiễu này được gọi là nhiễu trắng nó không do môi trường CD mà do mạch khuếch đại hoặc trên đường cáp và nó chỉ nhiễm vào đường audio sau khi âm thanh digital trên đĩa CD được chuyển sang analog – như bạn thấy, vấn đề nằm trong phần analog. Một lợi ích khác của hệ thống digital hơn hẵn analog là khả năng nén dữ liệu. Lấy Mẫu Một mạch ADC thực hiện việc lấy mẫu trên tín hiệu analog theo từng khoảng thời gian.Mỗi mẫu sẽ được chuyển thành một số,dựa vào mức điện áp. Trục “y” biểu thị điện áp và trục “x” biểu thị thời gian. Tần số mà việc lấy mẫu xảy ra gọi là tốc độ lấy mẫu.Nếu như tốc độ lấy mẫu là 22.050 Hz có nghĩa là trong một giây sẽ có 22.050 điểm mẫu.Như thế khoảng cách giữa mỗi điểm mẫ́u sẽ là 1/22.050 = 45,35 muy giây. Trong quá trình chuyển đổi digital sang analog,các chữ số sẽ được chuyển đổi lại thành điện áp.Nếu suy nghĩ một chút,bạn sẽ thấy rằng các dạng sóng được chuyển đổi không hoàn toàn giống tín hiệu nguyên thủy.Nói cách khác sự chuyển đổi sẽ nối các điểm do mạch analog-to-digital tạo ra,các điểm tồn tại giữa các điểm sẽ bị bỏ qua. Vì thế, càng nhiều điểm lấy mẫu – nghĩa là tần số lấy mẫu cao lên – thì khi chuyển đổi ngược lại sang analog được toàn hảo hơn.Tuy nhiên,càng lấy nhiều mẫu thì sẽ tốn nhiều dung lượng để lưu trữ dữ liệu digital.Ví dụ mạch chuyển đổi analog sang digital dùng tần số lấy mẫu 44.100 Hz sẽ tạo ra dữ liệu gấp đôi dữ liệu dùng tần số 22.050 Hz vì nó phải lấy gấp đôi điểm mẫu trên dạng sóng nguyên thuỷ. Nếu như dùng tần số lấy mẫu thấp, dạng sóng tạo ra bởi DAC sẽ khác xa với tín hiệu analog nguyên thuỷ.Nếu như tín hiệu là âm nhạc,thì chất lượng sẽ vô cùng tồi tệ. Vì thế,chúng ta đi đến một tình thế lưỡng nan : nếu tần số lấy mẫu quá cao chất lượng rất tốt nhưng chiếm nhiều dung lượng , nếu tần số thấp thì tiết kiệm được dung lượng nhưng chất lượng đầu ra sẽ tệ đi. Làm sao biết được tần số tốt nhất để chuyển đổi analog sang digital để có sự cân bằng giữa chất lượng và dung lượng lưu trữ ? Câu trả lời là dùng quy tắc Nyquist. Quy tắc này phát biểu là tần số lấy mẫu chuyển đổi từ analog sang digital ít nhất phải gấp hai lần giá trị của tần số cao nhất mà bạn lấy mẫu. Vì tai người có thể nghe tần số lên tới 20 kHz, với âm nhạc chúng ta cần tần số lấy mẫu ít nhất 40.000 Hz.Thực chất là các đĩa CD dùng tần số lấy mẫu là 44.100 Hz.Một số ứng dụng chuyên nghiệp về audio dùng tần số lấy mẫu còn cao hơn nữa. Hệ thống điện thoại, trái lại chỉ dùng để truyền tiếng nói,có dãi tần rất thấp chỉ lên tới 4 kHz.Vì thế trong phần digital của loại này chỉ dùng tốc độ lấy mẫu là 8.000 Hz.Đó là lý do tại sao khi truyền âm nhạc qua điện thoại chất lượng sẽ tệ vì mạch điện thoại cắt mất dãi tần trên 4 kHz. Độ phân giải : Giá trị của mỗi điểm mẫu sẽ được lưu giữ bằng một biến có chiều dài xác định.Nếu biến này dùng 8 bits, thì có nghĩa là nó có thể lưu giữ các giá trị từ 0 tới 255 ( 2^8=255).Nếu như biến này dùng 16 bits thì nó có thể lưu giữ các giá trị từ 0 tới 65.535 (2^16=65.536). Cho nên,nệ́u như dùng ADC 8-bit ,giá trị thấp nhất là 0 và giá trị cao nhất là 255.Nếu như dùng bộ chuyển đổi 16-bit ,thì giá trị thấp nhất sẽ là 0 và giá trị cao nhất sẽ là 65.535. Việc mà bộ chuyển đổi ADC thực hiện là chia trục “y” ra thành n phần giữa giá trị tối đa và tối thiểu của tín hiệu analog nguyên thuỷ và số n này được cho bởi cở của biến.Nếu như cở của biến quá nhỏ,điều sẽ xảy ra là hai mẫu gần nhau sẽ có cùng một giá trị biểu thị digital và nó không tương ứng chính xác với giá trị nguyên thuỷ trên tín hiệu analog và đầu ra sẽ không có chất lượng tốt. Với cở biến có giá trị cao nhất,chất lượng sẽ tốt hơn,nhưng tốn dung lượng lưu trữ hơn.Dùng biến 16-bit sẽ cần dung lượng gấp đôi biến 8-bit để lưu trữ. Một cách để tìm số bit cần cho một ADC là bằng cách tính toán mức nhiễu thích hợp.Vì giá trị mẫu cần phải làm tròn tới mức digital gần nhất,sẽ gây ra cái gọi là nhiễu lượng tử hoá.Mức nhiễu chấp nhận được tuỳ thuộc vào ứng dụng.Mức nhiễu trong điện thoại chấp nhận cao hơn là mức nhiễu trong đĩa CD. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR,dùng đo mức nhiễu,có thể dễ dàng tính theo công thức sau với n là số bit dùng trong mạch chuyển đổi. SNR = 6.02 x n + 1.76 dB Số SNR càng cao càng tốt.Một ADC 8-bit có SNR 49,9 dB ,trong khi ADC 16-bit có SNR 98 dB. Audio CD dùng độ phân giải 16-bit, trong khi hệ thống điện thoại dùng độ phân giải 8-bit.Các ứng dụng audio chuyên nghiệp dùng độ phân giải 20-bit hoặc thậm chí 24-bit. Nói tóm lại, tần số lấy mẫu cho ta độ phân giải analog sang digital trục “x”,còn cở biến cho độ phân giải trục “y” Biết được tần số lấy mẫu và cở biến (độ phân giải),bạn có thể tính toán dễ dàng dung lượng (hoặc băng thông, trong trường hợp truyền tín hiệu) cần thiết để lưu trữ dữ liệu tạo ra bởi ADC. Lấy ví dụ hệ thống điện thoại, dùng tần số lấy mẫu 8.000 Hz và mỗi mẫu được chứa trên một biến 8-bit.Vì thế tốc độ truyền chuyển đổi từ analog sang digital là 64.000 bits trên mỗi giây (8.000 x 8 ) hoặc 64 Kbps ( được làm tròn,vì 1K=1.024,cho nên 64 Kbps phải là 65.536 bps chứ không phải 64.000 bps).Nếu như bạn muốn ghi lại một cuộc đàm thoại ,dung lượng cần lưu trữ sẽ là 8.000 bytes cho mỗi giây (64.000/8) hoặc 480.000 bytes cho mỗi phút (8.000 x 60),có nghĩa 468,75 KB cho mỗi phút. Đĩa CD dùng tần số lấy mẫu là 44.100 Hz và mỗi mẫu chứa trên biến 16-bit.Thêm vào đĩa CD có 2 kênh độc lập (trái và phải,âm thanh phát bên phải khác với âm thanh phát bên trái).Như vậy tốc độ truyền khi chuyển đổi analog sang digital của hệ thống CD là 1.411.200 bps (44.100 x 16 x2 ) hoặc 1,41 Mbps (cái này cũng làm tròn vì 1M = 1.048.576).Dung lượng cần lưu trữ là 176.400 bytes mỗi giây (1.411.200/8) hoặc 10.584.000 bytes mỗi phút (176.400 x 60 ) hoặc 10 MB mỗi phút. Vì mỗi đĩa CD có thể phát nhạc trong 74 phút,có nghĩa là mỗi đĩa CD có thể chứa 740 MB (74 phút x 10 MB/phút).Trong chế độ CD-ROM một đĩa CD có thể chứa ít hơn 650 MB,vì một phần của nó được dùng để chứa mã sửa lỗi error-correction code – ECC. Dữ liệu sạch nhận được từ chuyển đổi từ analog sang digital thường được biết dưới tên PCM – Pulse Code Modulation.PCM là âm thanh số không nén.CD dùng PCM.Còn DVD có thể dùng PCM cho audio như một tuỳ chọn, nhưng nó cũng có thể dùng âm thanh nén . Surround Audio: Âm thanh nén. Khi ta tính toán để tìm dung lượng trên đĩa CD,chúng ta phải nhân với 2 vì CD dùng hai kênh audio độc lập với nhau.Nếu như chúng ta tính toán cho surround audio thông dụng 5.1 – dùng bởi DVD – chúng ta đi đến kết luận là cần 441.000 bytes cho mỗi giây,hoặc 25 MB cho mỗi phút,nếu như âm thanh có chất lượng CD.Nếu như điển hình đĩa phát nửa giờ,bạn cần phải có 2.2 GB để lưu giữ dữ liệu audio,đó là chưa tính đến dữ liệu tín hiệu hình cho phim. Các tính toán trên chỉ dựa trên 5 kênh audio.Kênh thứ 6 là kênh subwoofer (LFE – Low Frequency Effects – tiếng bass).Kênh này cần rất ít dung lượng,vì chúng ta có thể dùng tần số lấy mẫu rất thấp vì nó chỉ dùng âm thanh tần số thấp.Đó là lý do tại sao có tên là “5.1” mà không phải là “6” :Kênh thứ 6 không phải là kênh đầy đủ theo ý nghĩa.Nếu tính thêm kênh này,thì dung lượng cần sẽ còn tăng hơn. Giải pháp đưa ra là dùng kỹ thuật nén để giảm bớt dung lượng chứa.Tất cả các thuật toán nén trên DVD đều làm mất dữ liệu,nghĩa là tín hiệu đầu ra sẽ không còn giống y nguyên mẫu.Mặc dù các chuyên gia đều cho rằng một người dùng thông thường sẽ không thấy sự khác biệt giữa tín hiệu PCM và tín hiệu được nén.Những người thẩm âm nhạy cảm nói rằng họ nhận ra sự khác biệt. Hai thuật toán nén audio thông dụng nhất trong thương mại là Dolby Digital (còn gọi là AC3) và DTS (Digital Theater System).Bitrate (tốc độ bit) của Dolby Digital dao động trong khoảng 384 Kbps và 448 Kbps lý thuyết là nó có thể lên tới 640 Kbps.DTS có bitrate dao động trong khoảng 768 Kbps và 1.536 Kbps.Vì DTS dùng bitrate cao hơn AC3,các chuyên gia cho rằng nó có chất lượng tốt hơn.Vì bitrate càng cao,dữ liệu nguyên mẫu ít bị mất hơn.Để so sánh, âm thanh PCM 5 kênh có chất lượng CD có bit rate là 3.445 Kbps (cũng không tính đến kênh LFE). Về mặt thực dụng có sự khác biệt.DVD với audio mã hóa DTS chỉ có thể dùng cho giải trí gia đình với các thiết bị giải mã DTS, trong khi tất cả các thiết bị nhà hát gia đình đều có thể phát các DVD nén âm thanh Dolby.Trên phim trường,các phim mã hoá Dolby Digital dùng track quang mã hóa dữ liệu digital ,trong khi đó các phim mã hóa DTS chỉ có một track điều khiển yêu cần lưu giữ thông tin audio trong một CD-ROM. Nguồn: diendankythuatphancung Thấy nội dung này bổ ích, bài viết mạch lạc, mình share lại với các bác thành viên mới khác, nếu lặp nội dung đã có thì các bác bỏ qua nhé.
