Vì sao chất lượng 16-bit / 44kHz chưa bao giờ là đủ (Phần 1)

Chuẩn CD (16-bit / 44kHz) là định dạng âm thanh digital đầu tiên trong lịch sử. Trên lý thuyết, tiêu chuẩn này đủ để đáp ứng nhu cầu nghe của con người. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn cao cấp hơn vẫn ra đời về sau này. Đâu là nguyên nhân cho hiện tượng kể trên?

Trước khi bắt đầu, chúng ta cần hiểu thêm về định luật lấy mẫu của Nyquist. Theo định luật ấy, tần số lấy mẫu cần cao tối thiểu gấp đôi tần số audio cao nhất mà ta định mã hóa, như vậy trên lý thuyết lấy mẫu là quá trình lossless. Nhờ thế nó có thể mã hóa hoàn hảo các tần số thấp hơn nửa tần số lấy mẫu. Đĩa CD có tần số lấy mẫu 44.1kHz vì 44.1kHz cao hơn một chút so với gấp đôi 20kHz. Vì sao lại có con số lẻ như vậy? Các máy thu digital thời kỳ đầu đều dựa trên các định dạng như băng U-Matic, và tần số lấy mẫu 44.1kHz về mặt toán học phù hợp với tốc độ 30fps của video đen trắng thời bấy giờ.

CD 44

Vậy, nếu con người chỉ có thể nghe tối đa 20kHz, và tần số lấy mẫu của CD 44.1kHz có thể lưu giữ tốt sóng sine 20kHz, vì sao các tần số lấy mẫu cao cấp hơn, chẳng hạn như 96kHz hay 192kHz có thể đem đến chất âm mở rộng, trong suốt hơn cũng như thể hiện các âm thanh tức thời với độ chi tiết cao hơn?

Khi tần số lấy mẫu cao hơn xuất hiện trên các máy thu âm chuyên nghiệp vào khoảng giữa thập niên 90, lúc ấy đã nổ ra cuộc tranh cãi về việc liệu các cải thiện về chất âm là do khả năng lưu giữ và tái tạo các thông tin ở tần số cao hơn 20kHz, hay còn là do các yếu tố nào khác. Các “yếu tố khác” ở đây có vẻ như là để ám chi về các yêu cầu của bộ lọc digital đã được giảm đi đối với các tần số lấy mẫu cao hơn. Bộ lọc digital ở đầu CD hay DAC ngoài sẽ loại bỏ toàn bộ năng lượng ở phạm vi cao hơn nửa tần số lấy mẫu. Điều không may là những bộ lọc này có thể gây méo tiếng bằng cách tạo sai lệch về thời gian, khiến các âm thanh tức thời trở nên kéo dài hơn. Thử tưởng tượng một tiếng có thể đánh kêu một tiếng và dừng lại ngay lập tức. Bộ lọc digital lấy bớt đi một ít năng lượng tức thời của âm thanh và kéo dài ra một chút. Loại méo như vậy còn gọi là ringing, bởi vì hiệu ứng “rung âm” của bộ lọc về bản chất cũng giống như âm rung của chuông đồng khi bị tín hiệu âm thanh “đánh vào”. Loại méo ringing này tương đối dễ nhận biết. Tín hiệu âm nhạc tức thời sẽ khiến bộ lọc tiếp tục phát tín hiệu đầu ra ngay cả khi tín hiệu gốc đã đi qua. Và kỳ lạ hơn, hiện tượng này không chỉ diễn ra sau khi tín hiệu xuất hiện mà cả trước khi có tín hiệu nữa.

tin hieu

Hiện tượng ringing khiến tín hiệu tức thời bị kéo dài ngay cả trước khi tín hiệu xuất hiện.

Hình minh họa trên biểu diễn một xung nhịp (một mẫu với đủ biên độ) đóng vai trò làm tín hiệu đầu vào đưa vào bộ lọc (hình trái), tín hiệu đầu ra được biểu diễn ở hình bên phải với các ringing. Ringing xuất hiện ngay trước khi có tín hiệu âm nhạc vào được gọi là pre-ringing. Độ suy hao của bộ lọc càng dốc (tốc độ càng nhanh), quãng thời gian kéo dài trước và sau tín hiệu sẽ càng lớn. Bên cạnh đó, các bộ lọc dốc thường xuất hiện đảo pha và gợn sóng trên đáp tuyến biên độ ở khoảng thông dải (phạm vi tần số được bộ lọc digital cho đi qua được gọi là khoảng cắt dải – passband. Khoảng tần số bị chặn bởi bộ lọc là khoảng chặn dải – stopband. Khoảng tần số giữa hai khoảng này gọi là khoảng chuyển dải.) Méo ringing, đặc biệt là pre-ringing chính là tác nhân gây ra sự thô cứng, chồng lấn của âm sắc nhạc cụ, khiến âm trường mất độ sâu, những điểm thường thấy ở các bản thu digital với chất lượng CD.

Những vấn đề do sử dụng bộ lọc digital dốc ngay cạnh khoảng thông dải đôi lúc còn trở nên trầm trọng hơn vì chất lượng của bộ lọc thấp. Việc thiết kế những bộ lọc có khả năng giảm thiểu những hiện tượng kể trên không phải là không thể, chỉ cần tính toán chính xác hơn là được. Thế nhưng chi phí thực hiện quá đắt đỏ, vậy nên những bộ lọc như vậy thường chỉ xuất hiện trên các sản phẩm cao cấp, đắt tiền. Thế nhưng, các công ty high-end vẫn thường sử dụng bộ lọc digital của phân khúc phổ thông cho nên ngay cả những sản phẩm cao cấp nhiều khi không có được một bộ lọc tốt. Bên cạnh đó, chuỗi thiết bị digital còn chứa một loạt các bộ lọc khác nên âm thanh bị suy giảm chất lượng rất nhiều.

ban co tiet wac FLAC VA MP3 khac nhau the nao khong

Bộ lọc càng dốc, hiện tượng ringing và kéo dài năng lượng càng nghiêm trọng. Các bộ lọc dùng để giải mã tín hiệu 44.1kHz thực tế thường có độ suy hao khá lớn (đồng nghĩa với việc khá dốc). Chúng phải cho thông dải lên đến 20kHz, thế nhưng lại suy hao tín hiệu tới 120dB ở dải 22.05kHz (nửa tần số lấy mẫu). Khoảng thông dải lên đến 20kHz, khoảng chuyển dải là từ 20kHz đến 22.05kHz và khoảng chặn dải là trên 22.05kHz. Khi so sánh, có thể thấy bộ lọc digital chặn từ từ hơn hẳn. Ở loa hai đường tiếng, phân tần sẽ suy hao 12dB/quãng tám, bắt đầu từ 2.5kHz (như vậy toàn bộ dải từ 2.5kHz đến 25kHz sẽ chỉ mất 12dB).

(Hết phần 1)

Bạn có thể xem thêm phần khác tại đây 

Vì sao chất lượng 16-bit / 44kHz chưa bao giờ là đủ (Phần 2)
Các bạn có thể tham khảo các sản phẩm khác tại đây

Những cặp loa có ảnh hưởng lớn nhất trong lịch sử 1

Nguyễn Hào