Hầu hết các âm thanh tự nhiên là sự kết hợp phức tạp các sóng âm thanh có tần số và dạng sóng khác nhau. Vì vậy, phổ của tín hiệu âm tiêu biểu đều phức tạp như
nhau, gồm một hoặc nhiều tần số cơ bản, song hài của những tần số đó và các sản phẩm của sự biến điệu xuyên. Vì đa số tần số cơ bản của âm thanh đều dưới 500Hz nên phổ trên mức tần số này chỉ bao gồm các sóng hài. Điều này có nghĩa là mật độ
năng lượng của quang phổ âm thanh sẽ giảm ở tần số cao. Đây là một đặc tính cần
được khai thác trong quá trình nén tín hiệu hoặc trong các hệ thống giảm tạp âm. Tín hiệu âm thanh là lưỡng cực, vì vậy chúng dao động trên hoặc dưới giá trị
zero. Khi ở đặc tuyến tần số có hiện tượng bị cắt ở thành phần tần số thấp, sẽ không có thành phần một chiều trong bất kỳ một tín hiệu nào.
Không giống như tín hiệu video vốn có cấu trúc dựa vào quá trình quét ảnh, tín hiệu audio tương tự hoàn toàn không có cấu trúc. Không có bất cứ khoảng cách nào trong tín hiệu audio mà ta có thể đoán được giá trị của nó, hoặc có thể chèn thêm thông tin vào được. Một khi tín hiệu audio được số hóa chúng ta có thể xây dựng cấu trúc của nó ở dạng số. Điều này là cần thiết như việc lấy lại thời gian chuẩn cho
đồng hồ và chống lỗi trong hệ thống số.
Kỹ thuật audio tương tự rất phát triển, các đặc tính của tín hiệu được hiểu rất cặn kẻ. Các phương pháp đo được sử dụng rông rãi. Phần bàn luận dưới đây là những đặc tính quan trọng nhất và ý nghĩa của chúng trong môi trường số.
Nguyên lý cơ bản để xây dựng dạng phổ rất quan trọng trong việc nghiên cứu các đặc tính của tín hiệu audio. Đây là nhược điểm cố hữu của hệ thống tương tự, tuy nhiên sang hệ thống số nó đã được khắc phục. Sự suy yếu cơ bản của hệ thống số chỉ xảy ra ở bộ phận A/D và D/A. Theo đó, ứng dụng duy nhất của các đặc tính tương tự trong hệ thống số là ở bộ phận chuyển đổi A/D và D/A. Các thành phần còn lại của hệ thống sốđược đánh giá chỉ cần dựa vào các chỉ tiêu của lỗi.
Tuy nhiên, hệ thống số có một vài quá trình có thể ảnh hưởng đến chỉ tiêu kỹ
thuật của hệ thống tương tự. Một trong những quá trình đó là nén dữ liệu; nếu quá trình nén dữ liệu xảy ra trong hệ thống thì chúng ta phải đánh giá tác động của nó lên chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống. Hơn nữa, nếu quá trình nén và giải nén diễn ra liên tục trong hệ thống, sẽ gây ra nguy cơ méo tín hiệu trong tường hợp đó, quá trình nén và giải nén sẽ xảy ra ở bất cứ thời điểm nào mà tín hiệu truyền qua máy ghi âm.
1.10.1. Đặc tuyến tần số
Khoảng tần số từ 20Hz đến 20kHz ±0.1dB nhằm dự phòng các tầng analog đã tạo nên đặc thù của đặc tuyến tần số. Trong khi điều này thể hiện độ trong suốt cho một đường truyền thì còn lâu nó mới đạt độ bền vững như toàn bộ hệ thống. Nhưđã
đề cập ở trên, hầu hết con người không thể nghe được ngoài phạm vi 30 đến 15.000 Hz, và không ai có thể phát hiện được sự thay đổi đặc tuyến ở phạm vi 0,1dB. Tuy nhiên, một vài máy CD những đặc tính như vậy đơn giản chỉ là ưu thế của kỹ thuật số.
Đặc tuyến tần số của hệ thống số tương ứng với đặc tuyến tần số của hệ thống tương tựđược xác định trước tiên bằng việc chọn tần số lấy mẫu, sau đó là quá trình lọc tần số tại các điểm của bộ A/D và D/A. Khi sử dụng kỹ thuật lấy mẫu tần cao
được đề cặp trong phần 1.12 và trong chương 2, thì các chỉ tiêu mô tả trên đây là tương đối dễ chấp nhận ở một hệ thống audio số. Tuy các chỉ tiêu trên khá cao, nhưng nếu hạ thấp giá thành thiết bị cũng không giảm đáng kể.
Đặc tuyến tần số tương tựđược đo nhờ một loạt các tín hiệu hình sin ở đầu vào có tần số khác so với tần số của bộ phận đang kiểm tra, và quan sát biên độ của tín hiệu đầu ra. Việc này có thể thao tác đơn giản bằng tay với những tần số riêng lẻ
hoặc có thể thao tác bằng những thiết bị tựđộng quét tần số quá phạm vi và vẽ sơđồ
tín hiệu đầu ra. Vì có những tần số thấp, nên quá trình xác định đặc tuyến tần số có thể mất một vài giây (nếu là tựđộng) đến vài phút (nếu bằng tay). Đặc tuyến thường
được trình bày dưới dạng biểu đồ biên độ như hình 1.15.
Do phạm vi tần số rộng, thang đo tần sốđược chia theo logarit và tung độđược tính theo dB tương đương với đặc tuyến ở một tần số “trung tâm”, thường là 1.000Hz. Phần lớn các đơn vị đều thể hiện đặc tuyến dạng “phẳng” trên toàn bộ
phạm vi tần số trung tâm và dốc xuống ở mỗi đầu. Đặc tuyến tần sốđược xác định rỏ bằng cách đưa ra một giá trị dung sai, trong khoảng đó đặc tuyến phải thực sự có
ảnh hưởng đến phạm vi tần số được xác định. Hình 1.15 là một ví dụ về dạng đặc tuyến phẳng trong khoảng ±20 dB trên phạm vi từ 20÷20.0000Hz.
-6 -4 - 2 0 2 4 6 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 Tần số (Hz ) Biên độ (dB) Hình 1.15. Đồ thịđặc tuyến tần số audio điển hình
1.10.2. Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR)
Mọi hệ thống điện tửđều có tạp âm, vấn đề chỉ là ở chổ giữ cho tạp âm vừa đủ
nhỏ so với các tín hiệu yêu cầu để toàn bộ chỉ tiêu hoạt động của hệ thống có thể
chấp nhận được. Trong một hệ thống audio tương tự, SNR được xác định bằng dB tương đương với mức độ tín hiệu “bình thường”. Đối với hệ thống audio, cả tiếng
ồn và tín hiệu đều được tính theo giá trị quân phương (rms). Hệ thống này được thiết lập cho mức độ tín hiệu bình thường ở 0dB, tín hiệu bị khử và tín hiệu thu
được ởđầu ra (được xác định là tạp âm) được đo xấp xỉ là 0dB. Đây là một phương pháp đo đơn giản cho kết quả là một sốđơn.
Quang phổ của tín hiệu tạp âm cũng là vấn đề cần quan tâm. Điều này cũng quan trọng đối với các hệ thống audio vì độ nhạy của tai với tạp âm giảm xuống ở vị
trí cuối tạp âm. Nó sẽ đánh giá đặc tuyến tần số của tai (hình 1.14). Một vài chuẩn mực được cung cấp với mục đích này, vì vậy khi thực hiện quá trình đo tạp âm có trọng số, người ta phải xác định rõ kỹ thuật trọng số. Trọng số được sử dụng rộng rải nhất là A và CCIR.
Trong hệ thống audio số, tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) của analog tương ứng không bị ảnh hưởng bởi phần số của hệ thống. Nó chỉ bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển đổi A/D và D/A. Việc đo SNR các phần số của một hệ thống mà không có
tín hiệu hiện thời sẽ là vô nghĩa. Phần số tương ứng của SNR analog thường được coi như là tỉ lệ lỗi bit.
1.10.3. Méo tín hiệu
Tính phi tuyến của các đặc tính chuyển đổi ở hệ thống analog gây ra hiện tượng méo (biến dạng). Ở miền tần số, người ta có thể coi sự méo là những thành phần tần số tạp do sự xuất hiện của một tín hiệu gây ra. Các đặc tính đưa ra đều là biến dạng hài toàn phần (THD), và khi sự biến dạng hài vượt quá khoảng 1% thì ta có thể nghe thấy sự biến dạng này. Các thành phần màu của hệ thống analog thường
đưa ra những giá trị nhỏ hơn rất nhiều để dự phòng trong hệ thống lớn.
Quá trình xác định biến dạng analog được thực hiện nhờ sử dụng một tín hiệu âm thuần hình sin (đối với toàn hệ thống) và ở điểm đo, quá rình lọc ra tín hiệu âm thuần sẽ do một thiết bị lọc khấc nhọn thực hiện. Cái còn lại sau bộ lọc này chính là THD. Tuy nhiên, nó cũng chứa cả tạp âm của hệ thống, điều này có lẽ sẽ hạn chế đến quá trình đo, những biến dạng nhỏ trong các hệ thống ồn. THD được xác định là số phần trăm của mức độ tín hiệu bình thường, tất cả được phân định bằng phép đo sự sai lệch bình phương trung bình (rms).
Biến dạng có thể là một hàm tần số tín hiệu và điều này có ý nghĩa trong việc thiết kế hệ thống. Song hầu như chỉ tiêu kỹ thuật đưa ra đều bỏ qua vấn đề này và xác định biến dạng cho một tần số tín hiệu là 1000Hz. Méo tương ứng ở phần tương tự trong hệ thống audio số chỉ bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển đổi A/D và D/A. Việc xác định biến dạng ở hệ thống những phần số là hoàn toàn vô nghĩa.
1.10.4. Dịch chuyển pha
Nếu thời gian trễ ở hệ thống analog thay đổi theo tần số tín hiệu, hệ thống sẽ
báo lỗi dịch chuyển pha. Ban đầu, tai có vẻ như không nghe thấy những lỗi này. Tuy nhiên, dịch pha có thể xác định được và đôi khi được xác định rõ trong các thành phần của hệ thống chất lượng cao. Lưu ý thông số này rất quan trọng đối với một hệ
thống video, ở hệ thống này nó được gọi là méo thời gian truyền nhóm.
Người ta đo sự dịch chuyển pha nhờ sử dụng một tín hiệu hình sin ở đầu vào và so sánh pha tín hiệu ở đầu ra với đầu vào. Nếu dịch chuyển pha là một hàm tần số tuyến tính của tín hiệu đầu vào, khi đó sự trễ là ổn định và không có biến dạng.
Đối với các hệ thống số, dịch chuyển pha hầu như chỉ xảy ra ở các thành phần
ở quá trình chuyển đổi A/D và D/A. Phần đa các bộ lọc số đều không có lỗi dịch chuyển mặc dù bộ lọc số IIR có thể đưa vào những sai số của pha. Vì những đặc tính này bộ lọc IIR rất ít được sử dụng trong hệ thống audio số.
Các tín hiệu audio tương tự truyền qua một số thiết bị như máy ghi băng từ
tính hoặc máy ghi đĩa có thể phải chịu sự biến điệu tần số do có sự chuyển động không đồng nhất về chuyển động cơ học của băng và đĩa. Nó được xác định bởi những thông số của sự méo sai tốc âm tần và phách động (W&F). Người ta đo W&F bằng cách đặt một tín hiệu kiểm tra (thường 3,15kHz) lên hệ thống và đo đầu ra thông qua bộ tách sóng biến điệu tần số FM được điều chỉnh đến tần số kiểm tra. W&F được xác định là biến điệu tần số toàn phần rms biểu thị số phần trăm của tần số kiểm tra. Một hệ thống sẽ phải đọc dưới 0,1%, mức này chúng ta không thể nghe thấy.
Một số tiêu chuẩn đáp ứng được quá trình đo này, chúng sẽ thay đổi các đơn vị đo được sử dụng (rms, đỉnh v.v…) và quá trình lọc ở kênh cần đo tuy nhiên vẫn phải tôn trọng đúng tần số kiểm tra. Hầu hết quá trình đo đều hạn chế độ rộng band tần của W&F ở phạm vi từ 0,5 đến 200Hz. Song vẫn có những chuẩn mực đo độ
rộng band tần cao hơn nhiều để thu sóng FM nhờ các hoạt động tạo âm ở cơ cấu băng.
Trong hệ thống số, W&F phụ thuộc vào sự ổn định của đồng hồ lấy mẫu sử
dụng trong bộ chuyển đổi A/D và D/A. Từ khi những đồng hồ này được sản xuất bởi bộ dao động máy tạo sóng điện tử cho mức ổn định cao, các tính năng W&F của hệ thống số thường thấp dưới 0,001%.
1.11. CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU AUDIO TƯƠNG TỰ SANG SỐ
Những tham số của quá trình chuyển đổi A/D là tần số lấy mẫu và số bit/ mẫu. Theo chương 2 quá trình sử dụng hệ thống sẽ quyết định độ rộng band tần như
mong muốn các chỉ tiêu của SNR. Điều này tạo ra các đặc tính của tần số lấy mẫu và số bit/mẫu. Các hệ thống audio số bao gồm từ CD các hệ thống audio số Hi-Fi
đến một vài hệ thống được thiết kế cho điện thoại truyền âm thanh chất lượng cao. Trong sốđó có những tiêu chuẩn audio sử dụng cho máy tính cá nhân, ởđây tỉ lệ lấy mẫu thấp hơn do yêu cầu lưu trữ dữ liệu và phải sử dụng nén dữ liệu. Bảng 1.4 đưa ra một vài tiêu chuẩn lấy mẫu tiêu biểu.
Tiêu chuẩn Fs (KHz) Bit/mẫu Dải thông (kHz)
Tốc độ dữ
liệu (byte/s) CD-DA stereo 44.1 16 20 176.400 WAV mono (speech) 11,05 8 5 11.050 WAV stereo (music) 22.1 16 10 88.400
Bảng 1.4. Các tiêu chuẩn lấy mẩu audio điển hình
Do tín hiệu âm tương tự là lưỡng cực, nên tất cả các hệ thống đều phải dựa vào sự mã hoá bù của cả hai cực mặc dù những hệ thống nén có thể sẽ không truyền mẫu trực tiếp trong định dạng này.
Hầu hết các hệ thống đều sử dụng quá trình lượng tử hoá tuyến tính, trừ một số
thiết bị như điện thoại sử dụng lượng tử hoá phi tuyến theo luật μ. Nó tối ưu hoá việc sử dụng một lượng bit nhỏ/ mẫu ở hệ thống này.
Sử dụng bộ lọc ở đầu vào bộ chuyển đổi A/D nhằm loại bỏ những tần số của tín hiệu đầu vào cao hơn
2 1
1 tần số lấy mẫu là hết sức quan trọng bởi vì khi lấy mẫu, những tần số này sẽ tạo ra những thành phần tần số tạp do sự khác nhau giữa tần số
audio và tần số lấy mẫu. Nhưng tần số này được gọi là tần số chồng phổ và bộ lọc này được gọi là bộ lọc tránh chồng phổ. Vì những tần số này không liên quan đến bất cứ tần số nào của âm nên nó rất dễ bị nghe thấy. Với mục đích như vậy, một bộ
lọc analog cần phải có độ dốc cao, tuy nhiên để thiết kế được bộ lọc này là rất khó và giá thành cũng tương đối cao.
Một công nghệ có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các yêu cầu của quá trình lọc
được gọi là lấy mẫu tần số cao (oversampling). Ở phương pháp này, âm analog
được lấy mẫu cao hơn chu kỳ lấy mẫu thông thường, nếu không một bộ lọc đầu vào sẽđược sử dụng. Sau khi lấy mẫu, người ta sẽ sử dụng bộ lọc sốđểđẩy bất cứ thành phần chồng phổ nào “tụ tập” xung quanh tần số lấy mẫu cao và do đây là tần số lấy mẫu cao ta không nên chồng ghép dải thông âm. Một dạng khác của kỹ thuật này lại sử dụng hệ số lấy mẫu tần cao lớn nhưng chỉ số hoá ở 1 bit/mẫu. Kỹ thuật lấy mẫu tần cao sẽđược nói rõ thêm ở phần 2.3.1
Lưu ý là kỹ thuật lấy mẫu tần cao chỉ có thể áp dụng cho các tín hiệu âm tần có
độ rộng band tần thấp mà hiếm khi được sử dụng cho video vì tần số lấy mẫu cần thiết sẽ trở nên quá cao so với các mạch thông dụng.
1.12. GIẢM TẠP ÂM
Tạp âm trong khi thu hoặc ghi âm có thể nhận biết được khi nguồn âm tĩnh hoặc ngưng lại. Trong suốt thời gian này người nghe có thể nghe được tạp âm như
một âm suýt. Rất nhiều hệ thống đã được thiết lập để thụ cảm tiếng ồn của âm thanh và sữa đổi nó trong những khoảng lặng để tiếng ồn không đến được tai người nghe. Hệ thống này được sử dụng rộng rải đặc biệt là ở máy ghi âm.
Biện pháp cơ bản được gọi là ép giãn hình 1.16. Ở đầu vào của hệ thống mức
độ âm thanh được thụ cảm và hệ số khuếch đại của hệ thống được điều chỉnh sao cho những âm thấp hơn sẽ có hệ số khuếch đại cao hơn còn những âm cao hệ số
khuếch đại giảm do đó kênh sẽ không bị quá tải ởđầu ra của hệ thống. Có thể xảy ra