Vì sao các bản thu lại có tần số lấy mẫu là cao hơn ngưỡng nghe bình thường?

Vì sao các bản thu lại có tần số lấy mẫu là cao hơn ngưỡng nghe bình thường?

Friday 08/03/2019 2:38 pm GMT +7

Xem thêm:

Đã bao giờ bạn thắc mắc vì sao đĩa CD cơ bản lại có tần số lấy mẫu là 44.1kHz trong khi tai người chỉ đạt đến ngưỡng nghe là 20kHz chưa?

Câu hỏi: Nếu như khả năng nghe của tai người chỉ giới hạn ở mức 20kHz, tại sao các bản thu âm digital cần yêu cầu chất lượng cao hơn 15 bit (hơn 32kHz)?

Trả lời: Khi ta nói rằng ngưỡng nghe của người bình thường đạt mức 20kHz, điều đó có nghĩa là ta có thể nghe được sóng âm hình sin với tần số 20kHz. Âm thanh digital thu lại tín hiệu bằng các lấy mẫu dạng sóng dưới hình thức một chuỗi các điểm rời rạc. Nếu ta lấy mẫu sóng sin 20kHz với tần số lấy mẫu 20kHz, ta sẽ thu được một chuỗi các giá trị giống nhau vì sóng sin có dao động theo chu kỳ và trở lại về cùng một giá trị sau một chu kỳ nhất định.

cac ban thu lai

Giờ nếu ta lấy mẫu tần số 20kHz với tần số lấy mẫu 32kHz, ta sẽ thu lại được chuỗi giá trị dao động theo thời gian. Tuy nhiên, lấy mẫu tần số 20kHz với tần số lấy mẫu 32kHz sẽ đem lại chuỗi số giống như khi lấy mẫu tần số 12kHz với tần số lấy mẫu 32kHz. Khi tín hiệu được lấy mẫu được phát lại, âm thanh mà ta nghe được sẽ là tần số 12kHz chứ không phải 20kHz (đây là hiện tượng aliasing – sai số lấy mẫu).
Để lấy mẫu sóng sin một cách rõ ràng, đồng thời để có thể tái tạo lại tần số một cách chính xác, chúng ta cần ít nhất hai mẫu cho mỗi chu kỳ của sóng sin. Đây được gọi là giới hạn Nyquist hoặc tần số Nyquist. Vì vậy, để số hóa sóng sin 20 kHz, tốc độ lấy mẫu tối thiểu trong một chu kỳ phải là 40kHz.
Đối với miền không gian, quy luật này sẽ dễ nhận thấy hơn: Độ phân giải ảnh thường được tính toán dựa trên việc hệ thống có thể xử lý được một chuỗi các vạch đen và trắng hay không. Để xử lý một cặp đường thẳng (line pair), người xem cần nhìn thấy được các dòng màu đen được phân tách bằng khoảng trắng hoặc ngược lại. Khi số hóa lại một hình ảnh, bạn cần ít nhất hai pixel cho mỗi cặp đường thẳng – một pixel màu trắng và một pixel màu đen – để xử lý cặp đường thẳng đó.

cac ban thu lai tot

Trên thực tế, để tránh hiện tượng sai số lấy mẫu, người ta cũng cần sử dụng một bộ lọc lấy mẫu trước. Bộ lọc này có nhiệm vụ lọc thông từ 0 đến 20 kHz để tránh cắt bất kỳ tần số âm thanh nghe được nào, trong khi đó còn phải loại bỏ gần như hoàn toàn mọi tần số vượt quá giới hạn Nyquist (bằng một nửa tần số lấy mẫu) trước khi đưa tín hiệu đến bộ chuyển đổi analog sang digital. Làm như vậy là để tránh làm giảm các tần số cao hơn (tức các tần số siêu âm, không nghe được) xuống tần số thấp hơn có thể nghe được. Các bộ lọc như vậy được các kỹ sư âm thanh gọi là “tường gạch” vì hình dạng hàm truyền theo miền tần số của chúng, và cũng vì chúng rất khó thiết kế, sản xuất và điều chỉnh. Vì vậy, trong thực tế, cần phải có không gian để bộ lọc có thể hoạt động.
Hệ thống âm thanh digital sử dụng CD ban đầu được thiết kế để sử dụng bộ lọc “tường gạch” này khi thực hiện lấy mẫu. Tốc độ lấy mẫu không thể cao hơn 44.1 kHz để phù hợp với dữ liệu thu được từ việc lấy mẫu 2 kênh với bit depth 16 bit, vốn là tiêu chuẩn cho máy ghi video điển hình có chức năng lưu trữ dữ liệu. Với tốc độ lấy mẫu đó, tần số Nyquist là 22.05 kHz. Vì vậy, bộ lọc lấy mẫu trước cần phải lọc thông 20 kHz gần như không gây bất cứ suy hao nào, trong khi lại làm suy hao tất cả các tần số từ 22,05 kHz trở lên ít nhất 60 dB (lý tưởng nhất là 96 dB). Điều này cực kỳ khó khăn và tốn kém.

cac ban thu lai hay

Ngày nay, không còn ai làm như thế nữa. Thay vào đó, ban đầu họ lấy mẫu với các tần số là 88 hoặc 96 kHz, hay thậm chí lên đến 192 kHz. Sau đó, bộ lọc lấy mẫu trước analog sẽ lọc thông các tần số từ 20 kHz trở xuống nhưng lại làm suy hao các tần số trên 44 kHz, 48 kHz hoặc 96 kHz. Chỉ cần một bộ lọc analog khá đơn giản là chúng ta có thể làm được điều này một cách dễ dàng. Sau đó, luồng dữ liệu digital ở 88, 96 hoặc 192 kHz có thể được trộn lẫn và xử lý ở tốc độ cao hơn. Khi quá trình trộn dữ liệu được hoàn thành, tín hiệu đầu ra tương thích với CD với tần số lấy mẫu 44.1 kHz được tạo ra bằng cách thay đổi tốc độ lấy mẫu. Lúc này, Nyquist không có tác dụng, vì vậy trong quá trình này cần sử dụng bộ lọc “tường gạch” để lọc thông tần số từ 20 kHz trở xuống và chặn mọi tín hiệu trên 22,05 kHz, giống như trước đây. Nhưng lần này bộ lọc được triển khai kỹ thuật số, sử dụng các phép nhân và bổ sung trong bộ xử lý tín hiệu số (hoặc, như ngày nay, chỉ cần một CPU máy tính thông thường là đủ). Các bộ lọc kỹ thuật số có thể rất chính xác về hình dạng và không cần điều chỉnh theo thời gian.

cac ban thu lai chat

Ngoài ra, tốc độ lấy mẫu không bao giờ được mô tả bằng thuật ngữ bit. Một lượng bit trong âm thanh digital có thể hiểu đơn giản là độ phân giải hay số điểm có sẵn để có thể chứa dữ liệu biên độ. 16 bit là tiêu chuẩn cho âm thanh CD, nhưng hầu hết các bản ghi ngày nay sử dụng 24 bit trở lên để cung cấp một khoảng headrome phục vụ cho mục đích điều chỉnh sau này.

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

Top 4 dây tín hiệu analogue đáng mua nhất do tạp chí Whathifi bình chọn

Nguyễn Hào

Từ khóa:

Tin liên quan