LG V20 trang bị chip Quad DAC

LG V20 vừa ra mắt là chiếc smartphone đầu tiên được trang bị chip Quad DAC SABRE ES9218 thuộc dòng pro của hãngESS, hỗ trợ giải mã âm thanh 32bit/394kHz và DSD512 (tức là gấp 512 lần CD) cùng hàng loạt công nghệ âm thanh nhằm giảm nhiễu, giảm méo, giảm hao hụt tín hiệu trong quá trình giải mã. Đồng thời nó còn được trang bị phần cứng thu âm chuyên dụng, 3 micro độc lập với chỉ số AOP đạt 130dB cho chất lượng ghi âm 24bit/48kHz LPCM với khả năng loại bỏ tiếng ồn xung quanh, thiết lập khoảng cách ghi âm LMT,... Vậy thật ra AOP là gì, LMT là sao, Quad DAC có hoạt động ra sao, hoạt động thế nào, giúp ích gì cho người dùng? Mời cùng tìm hiểu để bớt "lùng bùng" sau khi đọc đoạn trên nhé.

Chip Quad DAC là gì? Có phải có tới 4 chip DAC nằm trong 1 máy?

Theo thông tin từ LG V20 sử dụng chip Quad DAC 32bit Hi-Fi SABRA ES9218 của ESS. Đọc thông tin từ hãng làm chip âm thanh ESS Technology thì đây là con chip tích hợp bộ giải mã Quad DAC 32-bit stereo, cùng head amp công suất lớn, độ nhiễu cực thấp, đồng thời có kích thước nhỏ gọn, lại có hiệu suất cao, ít tốn điện nhằm mang lại chất lượng audiophile cho người dùng di động. Nó được xếp vào dòng chip pro của ESS với kiến trúc độc quyền HyperStream II giúp khả năng tăng cường âm tầng và độ sạch, độ chi tiết của âm thanh. Tích hợp bộ Analog Volume Control (AVC) cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) 130dB tại mức âm lượng thấp. Bộ Quad DAC là 4 con DAC mắc song song cho dải động âm thanh (DNR) 124dB và tổng méo hài+nhiễu (THD+N) đạt -112 dB.

Định nghĩa xíu: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR là thuật ngữ dùng để đo lường chất lượng tín hiệu sau khi phục hồi bởi các thuật toán nén có bị mất mát dữ liệu hay không. Tín hiệu trong trường hợp này có thể xem là dữ liệu gốc và nhiễu là những lỗi xuất hiện trong quá trình mã hóa, giải mã. Vì vậy, tỷ lệ SNR càng cao thì hư hao càng thấp, tín hiệu sau mã hóa, giải mã càng giống với ban đầu.

Lùng bùng hơn rồi đúng không? Mình cũng thế và thật ra, tất cả những thông tin trên được cung cấp từ phía LG và ESS vẫn rất khó hiểu với người dùng thông thường, khiến cho chúng ta khá bối rối khi tìm hiểu bản chất khả năng âm thanh của chiếc LG V20. Nếu chú ý kỹ thì chúng ta nhận ra một chi tiết quan trọng là LG cho biết đây là một con DAC stereo (nghĩa là 2 kênh) nhưng không nói tới tín hiệu analog sau đó có đặc điểm gì, xử lý ra sao. Vậy phải đầu tiên phải xem quad ở đây là gì đã?


Cấu trúc và đường đi tín hiệu của chip một chip DAC (Stereo Cirrus Logic CS4398)​

Bên dưới mình tham khảo tài liệu, cố gắng chuyển qua tiếng Việt các thuật ngữ cho các bạn dễ hình dung nhất, tuy nhiên cũng còn vài chỗ phải để tiếng Anh và nói chung là nặng kỹ thuật nên rối lắm. Nếu thích thì các bạn đọc, không thì bỏ qua, đọc phần tóm tắt toàn bộ quá trình hoạt động của DAC bên dưới cũng được.

Ôn lại một chút về DAC và cấu tạo chính của nó. Về cơ bản, một cái DAC như ta đã biết là sẽ chuyển tín hiệu kỹ thuật số từ file âm thanh thành tín hiệu analog dưới dạng sóng âm, rồi gởi tới tai nghe hoặc loa để tai chúng ta có thể nghe được. Trong quá trình này, mục tiêu tối thượng là tái tạo lại tín hiệu analog với lượng nhiễu, méo ở mức thấp nhất có thể. Tuy nhiên, điều này chỉ là lý tưởng. Như sơ đồ bên dưới, 1 chip DAC sẽ có nhiều tầng công việc tương ứng với các phần cứng khác nhau, bao gồm cả giai đoạn tăng tần số lấy mẫu (oversampling), bao gồm bộ điều chế ΔΣ (sigma-delta), một bộ lọc, bộ giảm tần số lấy mẫu của tín hiệu và cuối cùng là một bộ lọc đầu ra hoặc head amp. Toàn bộ quá trình này được thiết kế dựa trên nguyên tắc cơ bản là "kiểm soát nhiễu" (noise shaping) để cải thiện hiệu suất phân giải (resolution performance).

Tầng đầu tiên của một chip DAC là tăng tần số lấy mẫu (oversampling), thường được thực hiện bằng kỹ thuật nội suy tuyến tính. Đây là một hình thức upsampling, trong đó sử dụng các hàm số toán học để phục hồi giá trị xấp xỉ tại khoảng giữa các mảnh dữ liệu. Thí dụ cho dễ hiểu, một file nhạc chất lượng CD 44.1kHz có thể được tăng tần số lấy mẫu lên gấp 4 lần nhằm có được đầu ra là 176.4kHz, hoặc tăng lên 16 lần để đạt tần số lấy mẫu 705.6kHz.

Quá trình này bản chất không trực tiếp làm tăng chất lượng file nhạc đó, nhưng nó sẽ giúp ích cho việc gọt tín hiệu răng cưa (aliasing noise, hay chồng phổ) thành những tần số cao hơn. Cứ mỗi lần tăng gấp đôi tỷ lệ oversampling thì nhiễu trong khoảng nghe được sẽ giảm 3dB trong khi tổng lượng nhiễu của toàn dải vẫn giữ nguyên. Nếu sau đó chúng ta lọc tín hiệu này trở về khoảng nghe được thì đồng nghĩa với giảm một lượng nhiễu.

Quá trình oversampling sẽ làm lan truyền nhiễu lượng tử ra nhiều tần số hơn, giúp cho việc loại nhiễu dễ dàng hơn​

Phần tiếp theo của DAC là bộ điều chế sigma-delta kỹ thuật số. Bộ điều chế này sẽ biến dữ liệu âm thanh kỹ thuật số PCM (điều chế xung mã) thành chuỗi bitstream PPM, sau đó được dùng để lọc ra thành tín hiệu gần giống với dạng sóng sin của âm thanh. Quá trình này sẽ chuyển tín hiệu 16 hoặc 24 bit thành dòng dữ liệu 1-bit nhưng có tần số lấy mẫu cao hơn nhiều. Và cùng với tín hiệu hữu ích, nhiễu cũng sẽ có tần số cao hơn.

​

Trong quá trình chuyển đổi này, việc "kiểm soát nhiễu" sẽ được áp dụng để đưa mật độ nhiễu lượng tử (quantization noise density) kên tần số cao hơn. Cứ tăng gấp đôi oversampling kết hợp với kiểm soát nhiễu thì nhiễu trong khoảng nghe được sẽ giảm xuống 9dB. Lượng nhiễu có thể giảm 15dB cho mỗi lần gấp đôi oversampling nếu tiếp tục điều chế sigma-delta thêm lần thứ 2, nghĩa là tốt hơn việc chỉ sử dụng kỹ thuật nội suy tuyến tính.

Đường đi của tín hiệu trong bộ điều chế sigma delta và hiệu quả giảm nhiễu của nó. Chú ý đây là DAC 1bit lặp hồi tiếp​

LG V20 lại nói tới kiểm soát nhiễu (noise shaping). Nó được thực hiện thông qua tiến hành vòng lặp sửa lỗi liên hoàn, trong đó tín hiệu đầu vào sẽ được so sánh với tín hiệu đã lượng tử hóa ở đầu ra. Sự sai khác giữa 2 tín hiệu này được bù tần số trong bộ lọc vòng lặp. Một bộ phân tích sẽ tổng hợp lỗi điện áp, thực hiện bằng một bộ phận có nhiệm vụ như bộ lọc lowpass (bộ lọc tầng thấp) ở tín hiệu đầu vào và một bộ lọc highpass (lọc cao tầng) đối với tín hiệu đầu ra nhằm lượng tử hóa nhiễu. Và trong giai đoạn hồi tiếp này, chúng ta sẽ nhận thấy rằng tín hiệu hồi tiếp (feedback signal) sẽ được tạo ra bằng DAC 1-bit, tạm gọi là DAC con. Nói cách khác là DAC nằm trong DAC và có lẽ, chúng ta bắt đầu thấy có liên quan tới LG V20 rồi đó.

Sau khi đi qua bộ điều chế, bộ lọc lowpass, tín hiệu được đưa tới bộ giảm tần, giúp lọc ra những tần số cao hình thành nhiễu và giảm tần số lấy mẫu. Dữ liệu với tần số lấy mẫu cao còn lại sẽ được dự phòng, và chúng ta chỉ cần có được tần số lấy mẫu gấp đôi tần số mà con người nghe được. Nói cho đơn giản, bộ giảm tần về cơ bản là cắt gọt tín hiệu về tần số thỏa mãn định luật tần số Nyquist (còn gọi là định lý cơ bản của thuyết nội suy hay định lý lấy mẫu, phát biểu rằn để khôi phục lại đúng tín hiệu ban đầu từ các mẫu thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số cao nhất trong tín hiệu analog).

​Cho tới đây, chúng ta đã hiểu được quá trình từng bước xảy ra bên trong một chip DAC và điều đó được thể hiện qua biểu đồ bên trên đây. A là quá trình chuyển đổi tín hiệu số ra analog với nhiễu lượng tử hóa, B là chuyển đổi có sử dụng oversamling bằng bộ lọc kỹ thuật số kết hợp với bộ giảm tần, kết quả là nhiễu kỹ thuật số đã được loại bỏ một phần. C là cho tín hiệu đi qua bộ điều chế sigma delta trước khi vào B để hình thành tín hiệu sạch, giảm độ lớn của nhiễu. Vậy sẽ ra sao nếu chúng ta thực hiện nhiều lần quá trình "noise shaping" hay "kiểm soát nhiễu"? Khi đó chúng ta sẽ có tín hiệu sạch nhiễu phát sinh nội tại trong quá trình chuyển đổi, đồng thời tần số lấy mẫu cũng rất cao và phải chăng, đó là nhiều DAC?
Bấm để mở rộng...

"Quad" nghĩa là 4 = 4 bộ điều chế trong 1 DAC

Xong phần trên, chúng ta đã hiểu được quá trình điều chế sigma delta và kiểm soát nhiễu có hiệu quả như thế nào. Bây giờ chúng ta sẽ dùng kiến thức đó để làm rõ vụ Quad DAC. Từ phần trên có thể thấy rằng có thể cải thiện lượng nhiễu và độ phân giải của tín hiệu bằng cách tiến hành song song nhiều bậc quá trình điều chế sigma delta, sau đó tổng hợp kết quả lại, từ đó hình thành nên hệ thống DAC đa bit. Thiết kế của một bộ điều biến là cực kỳ phức tạp và thường được giữ bí mật thương mại bởi các hãng chip. Tuy nhiên một bộ điều chế sigma delta đa tầng có thể rơi vào 3 kiểu thiết kế là ghép từng tầng, thông dải, song song hoặc kiểu thiết kế lai.


Việc sử dụng nhiều bộ điều chế đa tầng sẽ giúp tăng nhiễu ở tần số cao, đồng thời giảm nhiễu ở tần số thuộc khoảng nghe được của người (như trên là 3 tầng điều chế)​

Theo mô tả từ ESS thì họ dùng từ song song (parallel) để nói về Quad DAC của họ nên có thể hình dung, ES9218 trong V20 sẽ sử dụng thiết kế 4 bộ điều chế sigma delta song song, nôm na có thể nói là 4 DAC con trong 1 DAC chính (mặc dù nói kiểu này là chưa chính xác). Có quá ít thông tin để tiếp tục đào sâu thêm hiệu quả của kiểu thiết kế này. Tuy nhiên, dựa vào những thông tin suy ra được thì có thể biết rằng cấu trúc DAC phụ song song sẽ cải thiện chất lượng nhiễu một cách cực kỳ hiệu quả.

Hiệu quả cuối cùng của thiết kế nhiều bộ điều chế sigma delta đa tầng chính là giảm nhiễu, tăng cường chất lượng tái tạo âm thanh​

Đơn giản hơn, cứ mỗi lần tăng gấp đôi số lượng bộ điều chế sigma delta (tạm gọi là 1 DAC phụ) thì hiệu suất cải thiện nhiễu sẽ tăng gấp 6 lần thứ tự của bộ điều biến, đơn vị tính bằng dB. Nếu như có hệ thống điều chế kép thì tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu sẽ tăng 6dB ở mỗi kênh điều chế và 4 điều biến thiết kế song song tương tự sẽ cải thiện chất lượng tín hiệu trên nhiễu lên 12dB. Ngoài ra, thiết kế điều biến sigma delta kép 2 tầng sẽ cải thiện SNR lên 12dB, trong khi thiết kế 4 điều biến sigma delta 2 tầng sẽ cải thiện SNR lên 24 dB, cứ thế,... Và cuối cùng, nếu các phân tích như trên là đúng thì không phải Quad DAC là ghép 4 chip DAC lại với nhau mà bản chất bên trong 1 DAC của V20 có 4 bộ điều chế sigma delta nhằm giảm nhiều xuống tối đa.

Ghi âm trên LG V20: gain, LCF, LMT, 24bit/48kHz LPCM, 3 micro AOP 130dB

LG cho biết họ trang bị cho V20 bộ 3 microphone độc lập với chỉ số AOP cao (130dB) cho phép ghi lại âm thanh chất lượng hifi cho cả ghi âm thông thường lẫn quay video. Vậy AOP là cái gì? Tại sao nó cao thì tốt? Về cơ bản, AOP là viết tắt của acoustic overload point ("điểm âm thanh vượt mức" nếu dịch từng chữ ). Thực ra, đây là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng của một chiếc micro, nó cho biết rằng tại mức áp lực âm thanh cụ thể nào đó thì micro sẽ đạt mức tổng méo hài là 10%. Đơn giản hơn xíu, mức tín hiệu cực đại mà chiếc micro có thể "nghe" mà không bị méo thì gọi là AOP.

Trước đây thì các hãng điện thoại sử dụng micro có AOP tại 120dB SPL. Tuy nhiên thì thời gian gần đây tiêu chuẩn được nâng lên 130dB và việc này trước mắt giúp âm thanh của người nói được thu rõ hơn, nói chuyện ngoài gió được rõ ràng hơn, đồng thời khi ghi âm hoặc quay video thì âm thanh cũng có chất lượng cao hơn. Trong một phép so sánh, chiếc mic gắn iPhone MV88 của Shure mà bọn mình từng trên tay có AOP là 120dB SPL, trong khi chất lượng file thu vẫn là 24bit/48kHz. Còn mẫu cao cấp hơn của Shure như MV51 thì mới có AOP là 130 db SPL.

Bên cạnh phần cứng ghi âm như trên thì LG V20 còn có nhiều chế độ ghi âm tương ứng với các mục đích khác nhau, thí dụ như ghi âm bình thường, thu âm dàn nhạc hoặc chế độ tùy chỉnh theo từng mục đích riêng. Âm thanh thu được có thể được tùy chỉnh các thành phần trong đó, thí dụ như tăng tiếng người hoặc nhạc cụ, giảm các âm thanh không mong muốn. Bên cạnh đó, nó còn có công nghệ LCF nhằm cắt giảm các âm thanh không mong muốn ở mọi dải tần. Đặc biệt là tính năng LMT hay Limiter, tức là cho phép bạn chỉnh được khoảng cách tập trung thu âm từ mic tới một vị trí nào đó trong không gian mà bạn mong muốn.

Như trên đây là diễn giải kỹ hơn những công nghệ, thông số kỹ thuật mà LG cho biết đã trang bị cho V20. Suy cho cùng, tất cả cũng đều là những tuyên bố và thông số kỹ thuật thuần túy. Âm thanh là cái phải cảm nhận thật sự bằng đôi tai của mỗi người, hy vọng rằng mình sớm cầm được máy để có thể nghe, cảm nhận và chia sẻ với các bạn nhiều hơn.