Chồng phổ là gì và nguyên nhân gây ra hiện tượng

Chồng phổ là gì và nguyên nhân gây ra hiện tượng

Monday 25/03/2019 5:15 pm GMT +7

Xem thêm:

Trong lĩnh vực âm thanh digital, có một loại méo tín hiệu gọi là chồng phổ (aliasing) ảnh hưởng khá nhiều đến chất lượng âm thanh.

Câu hỏi: Khi đề cập đến chuyển đổi tín hiệu từ digital sang analog hoặc ngược lại, người ta thường nhắc đến hiện tượng chồng phổ. Xin được hỏi chồng phổ xuất hiện khi nào, được tạo ra như thế nào và đâu là nguyên nhân gây ra chồng phổ?

Trả lời: Aliasing (hiện tượng chồng phổ) xảy ra khi trong hệ thống âm thanh xuất hiện tín hiệu có tần số lấy mẫu lớn hơn gấp rưỡi so với bình thường. Đó là lý do vì sao trong hệ thống cần có bộ lọc chống chồng phổ. Nhiệm vụ của bộ lọc này là hạn chế khoảng tần số của tín hiệu analog trước khi đưa vào mạch chuyển đổi analog sang digital (ADC), như vậy tần số tối đa sẽ không vượt quá một nửa tần số lấy mẫu, hay còn gọi là tần số Nyquist.

Chong pho

Hiện tượng chồng phổ xảy ra có thể vì bộ lọc chống chồng phổ trong ADC không được tốt, hoặc có thể vì hệ thống đang phải làm việc quá tải. Nguyên nhân sau là nguyên nhân gây ra chồng phổ nhiều nhất, vì khi quá tải, hệ thống sẽ sinh ra các hài âm với tần số cao ngay chính bên trong hệ thống digital (lúc này bộ lọc chống chồng phổ không có tác dụng vì hài âm sinh ra sau quá trình lọc).
Quá trình lấy mẫu thực chất là một dạng điều biến biên độ, trong đó tần số tín hiệu đầu vào được thêm vào hay bớt đi khỏi tần số lấy mẫu. Theo thuật ngữ xử lý âm thanh digital, những tần số sau quá trình điều biến biên độ này thường được gọi chung là “ảnh”.
“Ảnh” vốn không đóng vai trò gì trong quá trình xử lý âm thanh digital – về cơ bản chúng chỉ là tác dụng phụ của việc lấy mẫu – nhưng yêu cầu chung dành cho “ảnh” là phải có tần số cao hơn tần số âm thanh mong muốn để có thể bỏ đi dễ dàng mà không làm tác động đến tín hiệu đầu ra cần thiết. Đây là lúc vấn đề bắt đầu xuất hiện. Với những “ảnh” vốn là tần số lấy mẫu được thêm tần số của tín hiệu đầu vào, chắc chắn ta không cần quan tâm đến. Nhưng với “ảnh” vốn là tần số lấy mẫu bị bớt đi tần số của tín hiệu đầu vào, nếu như tần số của “ảnh” quá thấp, nó sẽ bắt đầu chồng lấn lên tần số của tín hiệu âm thanh mong muốn.
Hãy xem nếu thêm sóng sin 10kHz vào tần số lấy mẫu 48kHz, điều gì sẽ xảy ra. Quá trình lấy mẫu sẽ tạo ra các tín hiệu phụ với tần số 58kHz (48+10) và 38 kHz (48 – 10). Cả hai “ảnh” đều cách xa phạm vi một nửa tần số lấy mẫu (24kHz). Do đó các “ảnh” này có thể bỏ đi một cách dễ dàng bằng cách dùng một bộ lọc thông thấp, quá trình lọc sẽ thực hiện ở đầu ra của DAC, đảm bảo rằng tín hiệu âm thanh mong muốn (10kHz) sẽ cực kỳ nguyên vẹn, không bị ảnh hưởng gì.

Chong pho dep

Bộ lọc thông thấp của DAC, thiết lập ở tần số bằng một nửa tần số lấy mẫu, sẽ có nhiệm vụ loại bỏ “ảnh” (upper và lower image) để giữ lại tín hiệu âm thanh mong muốn.
Tuy nhiên, nếu tín hiệu 10kHz ấy có độ lợi quá lớn (tức bị chơi với mức âm lượng lớn) gây ra quá tải ở tầng lượng hoá (quantising stage) của ADC, lúc này sẽ có xén ngọn tín hiệu (clipping). Nếu như xén ngọn một sóng sin, kết quả nhận được sẽ là sóng có dạng gần giống với sóng vuông, từ đó xảy ra méo tín hiệu do một chuỗi các hài âm bậc lẻ được sinh ra từ tần số gốc. Như vậy tín hiệu 10kHz sẽ tạo ra các hài âm bậc lẻ với bậc rất lớn, mang tần số lên đến 30kHz, 50kHz hay thậm chí cao hơn.
Cần chú ý là các hài âm này được sinh ra ở tầng lượng hoá bị quá tải và giai đoạn sau khi lọc chống chồng lấn tín hiệu đầu vào. Khi ADC bị quá tải, các tín hiệu tần số cao không mong muốn sẽ xuất hiện và làm quá tải tầng lượng hoá, phá vỡ định luật Nyquist, vốn chỉ cho phép các tín hiệu với tần số không quá nửa tần số lấy mẫu có mặt trong hệ thống.
Chẳng hạn, méo hài bậc ba lúc này là 30kHz, lúc này quá trình điều biến biên độ sẽ coi méo hài 30kHz này là tín hiệu gốc và thêm bớt vào tần số lấy mẫu, tạo ra tín hiệu có tần số 78kHz (48+30) và 18kHz (48 – 30). 18kHz chắc chắn sẽ thấp hơn một nửa tần số lấy mẫu, do đó sẽ được phép xuất hiện trong tín hiệu dựng lại. Đây chính là hiện tượng chồng lấn. Chúng ta bắt đầu với tín hiệu 10kHz, nhưng kết quả thu lại là cả 10kHz và 18kHz. Tương tự, với méo hài 50kHz, tín hiệu chồng lấn sẽ có tần số 2kHz.

Chong pho chat

Khi tần số 10kHz gây quá tải ở ADC, méo hài bậc ba 30kHz sẽ sinh ra tín hiệu chồng lấn 18kHz và tín hiệu này được phép đi qua bộ lọc thông thấp.
Cần chú ý rằng ở các hệ thống analog, sản phẩm của méo tín hiệu phát sinh do quá tải sẽ theo một chuỗi hài âm bậc chẵn có độ hài hoà nhất định với tín hiệu gốc. Nhưng ở các hệ thống digital, do hài âm sinh ra là bậc lẻ nên chúng không còn cùng một nốt nhạc với tín hiệu gốc nữa, vì thế nghe sẽ rất khác, từ đó tạo ra cảm giác khó chịu cho người nghe.

Hi vọng rằng câu trả lời trên đây sẽ phần nào giải đáp được thắc mắc của quý độc giả.

Các bạn có thể tham khảo các sản phẩm khác tại đây

Top 4 mẫu CD Transport đáng mua nhất do tạp chí What Hi fi bình chọn

Nguyễn Hào

Từ khóa:

Tin liên quan