Tông hợp tấc cả các định nghĩa về đinh dạng âm thanh DSD

Direct Stream Digital
Direct Stream Digital (DSD) là thương hiệu của Sony và Philips dùng trong hệ thống tái tạo tín hiệu âm thanh kỹ thuật số được sử dụng cho Super Audio CD (SACD). Kỹ thuật chuyển đổi DSD được phát triển bởi Andreas Koch và Ed Meitner của EMM Labs. Sau đó Koch thành lập AKDesign và tiếp tục nghiên cứu về sự chuyển giao tập tin DSD qua kết nối USB. Công nghệ DSD tiếp tục được phát triển và thương mại hóa bởi Sony và Philips, sau đó năm 2005 Philips bán lại cho Sonic Studio để phát triển hơn nữa

DSD dùng công nghệ mã hóa tín hiệu bằng mật độ xung nhịp (pulse-density modulation encoding) - một công nghệ dùng để lưu trữ tín hiệu âm thanh trên phương tiện lưu trữ kỹ thuật số sử dụng cho SACD. Tín hiệu sẽ được lưu trữ giống như âm thanh kỹ thuật số với nắn âm delta-sigma; một chuỗi các giá trị 1-bit với sampling rate 2.8224MHz (gấp 64 lần CD Audio là 44.1kHz, nhưng chỉ bằng khoảng 1/32768 so với 16-bit). Nắn nhiễu âm được tạo ra trong tín hiệu gấp 64 lần tín hiệu gốc giúp giảm tiếng ồn và biến âm gây ra do sự thiếu chính xác của lượng âm trong tín hiệu 1-bit. Đây cũng là một chủ đề thảo luận rằng chúng ta có thể loại bỏ biến âm thông qua chuyển đổi 1-bit Delta-Sigma hay không.

Lịch sử

Phát triển
DSD là một phương pháp lưu trữ tín hiệu Delta-Sigma trước khi áp dụng phương pháp thập phân nhằm chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu PCM. Công nghệ huyển đổi Delta-Sigma được mô tả lần đầu tiên trong bằng sáng chế của C.C. Cutler năm 1954, nhưng chưa có tên như vậy cho đến khi được đề cập trong một văn kiện năm 1962 của Inose. Trước đây, thập phân không tồn tại và tín hiệu oversample như thế nào phải được gửi đi như thế ấy. Đề xuất chia 1/10 dữ liệu oversample delta-sigma để chuyển đổi thành âm thanh PCM đã không được nhắc đến cho đến năm 1969, trong một bài viết của DJ Goodman.

Ứng dụng chuyển đổi DSD được phát triển bởi Andreas Koch và Ed Meitner, những thành viên sáng lập ban đầu của EMM Labs. Andreas Koch về sau đã rời khỏi EMM Labs và thành lập AKDesign và tiếp tục nghiên cứu về sự chuyển giao tập tin DSD qua kết nối USB. Công nghệ DSD sau đó đã được phát triển và thương mại hóa bởi Sony và Philips, tạo ra CD audio. Tuy nhiên, Philips sau đó bán lại cho Sonic Studio vào năm 2005 để tiếp tục phát triển.

Kỹ thuật DSD


Âm thanh SACD là âm thanh được lưu trữ trong DSD, khác với âm thanh PCM được sử dụng bởi các đĩa compact hoặc hệ thống âm thanh máy tính thông thường.

Một máy ghi DSD sử dụng điều chế âm sigma-delta (sigma-delta modulation). DSD là 1-bit, với sampling rate 2.8224MHz. Đầu ra của máy ghi DSD là một chuỗi bit (bitstream). Mức truyền tải trung bình của tín hiệu này tỷ lệ thuận với tín hiệu ban đầu. DSD dùng kỹ thuật nắn nhiễu âm làm cho tiếng ồn phát triển thành tần số siêu âm không nghe được. Về nguyên tắc, việc lưu trữ bitstream trong DSD cho phép máy phát SACD sử dụng một DAC cơ bản (1-bit) kết hợp với bộ lọc analog cấp thấp. SACD có khả năng cung cấp dải tần với phạm vi khoảng 120 dB từ 20Hz đến 20kHz với khả năng khuếch đại lên đến 100kHz, mặc dù hiện nay hầu hết các máy phát chỉ có giới hạn từ 80-90kHz và 20kHz là giới hạn của tai người.

Quá trình tạo ra tín hiệu DSD là khái niệm của việc sử dụng tín hiệu 1-bit delta-sigma analog-to-digital (A/D) sau đó chuyển đổi và loại bỏ các tiêu hao, từ đó chuyển đổi các bitstream 1-bit thành multibit PCM. Thay vào đó, tín hiệu 1-bit được ghi âm trực tiếp và theo lý thuyết thì chỉ cần một bộ lọc cấp thấp cũng có thể tái tạo lại sóng âm analog ban đầu. Trong thực tế điều này phức tạp hơn một chút, âm analog trong các bộ chuyển đổi 1-bit sigma-delta khá bất thường, có một lí do là vì tín hiệu 1-bit không thể được làm đầy một cách chính xác: hầu hết những bộ chuyển đổi sigma-delta hiện đại đều là multibit.

Do bản chất của bộ chuyển đổi sigma-delta, người ta không thể so sánh trực tiếp giữa DSD và PCM. DSD trong một số khía cạnh nào đó, so với PCM sẽ có bit depth khoảng 20bit và sampling 96 kHz. PCM với 24bit theo lý thuyết sẽ cung cấp thêm khoảng 24dB.

Bởi vì rất khó khăn để thực hiện các hoạt động DSP (ví dụ cân chỉnh EQ, cân bằng âm, kéo dải và những thay đổi khác trong lĩnh vực kỹ thuật số) trong một môi trường 1-bit, và vì sự phổ biến của thiết bị phòng thu như Pro Tools, hầu hết là dựa trên PCM, nên phần lớn SACDs - đặc biệt là Rock và âm nhạc đương đại dùng kỹ thuật multitrack – thực sự đang được trộn lẫn với PCM (hoặc trộn lẫn analog và bản thu sẵn trên máy ghi âm PCM) sau đó chuyển đổi thành DSD để tinh chỉnh lại thành SACD.

Để giải quyết những vấn đề này, một định dạng chuẩn studio mới được phát triển thường được gọi là "DSD-wide". Định dạng này vẫn giữ được sampling tiêu chuẩn của DSD, nhưng sử dụng 8-bit, chứ không phải là 1-bit nữa, nhưng vẫn phụ thuộc nặng nề vào nguyên tắc nắn nhiễu âm. Nó gần như trở thành PCM - và đôi khi bị gọi là "PCM-narrow", nhưng lại có ưu điểm giúp cho các hoạt động DSP dễ dàng hơn. Sự khác biệt chính là "DSD-wide" vẫn giữ 2.8224 MHz (64Fs) sampling rate trong khi sampling rate cao nhất của PCM vẫn chỉ là 352.8 kHz (8Fs). Các tín hiệu "DSD-wide" được chuyển lại thành DSD thông thường để tiếp tục tinh chỉnh với SACD. Kết quả của kỹ thuật này là sự phát triển và hoạt động của các Digital Audio Workstation như Pyramix hay SADiE.

Thêm một định dạng để chỉnh sửa DSD nữa là Digital eXtreme Definition (DXD), một định dạng PCM 24-bit với sampling rate 352.8 kHz (hoặc 384 kHz). Ban đầu DXD được phát triển cho Merging Workstation Pyramix và được ra mắt cùng với Sphynx 2, bộ chuyển đổi AD/DA năm 2004. Nó đã có thể ghi âm và chỉnh sửa trực tiếp bằng DXD, và chỉ chuyển đổi sang DSD một lần trước khi tạo ra SACD. Điều này rất có lợi cho người nghe vì tiếng ồn được tạo ra khi chuyển đổi DSD tăng đáng kể trên 20 kHz, và càng nhiều tiếng ồn được thêm vào mỗi lần chuyển đổi trở lại DSD trong quá trình chỉnh sửa.

Nên lưu ý rằng PCM độ phân giải cao (DVD-Audio, HD DVD và Blu-ray) và DSD (SACD) về mặt kỹ thuật vẫn có thể khác nhau ở tần số cao. Một bộ lọc tái tạo thường được dùng trong các hệ thống giải mã PCM, cũng như bộ lọc băng thông sử dụng trong các hệ thống mã hóa PCM. Bất kỳ lỗi hoặc các yếu tố không mong muốn xuất hiện trong các bộ lọc đó thường đều sẽ có ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Một lợi thế rõ rệt của DSD là thường không lọc, hoặc lọc rất ít. Thay vào đó DSD giữ mức độ cao liên tục của tiếng ồn trong tần số. Dải tần của DSD giảm nhanh chóng ở tần số trên 20 kHz do việc sử dụng các kỹ thuật nắn nhiễu giúp đẩy tiếng ồn ra khỏi âm thanh, kết quả làm cho tiếng ồn chỉ tăng trên 20 kHz. Mặt khác dải tần của PCM là giống nhau ở tất cả các tần số. Tuy nhiên, hầu như tất cả các chip DAC ngày nay đều sử dụng một bộ chuyển đổi sigma-delta PCM tạo ra kiểu tiếng ồn giống như trong tín hiệu DSD. Tất cả các máy phát SACD đều sử dụng một bộ lọc tầm thấp thiết lập tại 50 kHz cung cấp tính tương thích và an toàn, phù hợp với các tình huống khi Amp hoặc loa phát ra âm nhiễu do có tiếng ồn trên 50kHz trong tín hiệu.

Double-rate DSD

Korg MR-1000 1-bit ghi âm kỹ thuật số 5.6448MHz, gấp đôi SACD. Đây được gọi là DSD128 vì sampling rate gấp 128 lần so với CD. Audiophile Opus3 cũng đã bắt đầu phát hành các bản ghi âm 5.6MHz DSD128. Ngoài ra một biến thể khác của 48kH/6.144MHz cũng đã được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị như exaSound E20 Mk II DAC.

Quad-rate DSD

Bộ chuyển đổi Merging Technologies Horus AD/DA cung cấp sampling rate lên đến 11,2MHz, bốn lần SACD. Đây cũng được gọi là DSD256 vì sampling rate gấp 256 lần CD. Pyramix Virtual Studio Digital Audio Workstation cho phép ghi âm, chỉnh sửa và làm tinh chỉnh tất cả các định dạng DSD, DSD64 (SACD), DSD128 (Double-DSD) và DSD256 (Quad-DSD). Một biến thể 48kHz/12,288MHz cũng đã ra đời. Máy exaSound E20 DAC là thiết bị thương mại đầu tiên có khả năng chơi nhạc DSD256 sampling rate 11,2896/12,288 MHz.

Octuple-rate DSD

Thêm một sự phát triển nữa của DSD là DSD512, với sampling rate 22,5792MHz (512 lần so với CD), hoặc 24,576MHz (512 lần 48kHz). Bộ chuyển đổi Amanero Combo384 DSD và exaU2I USB-I2S Interface, các phần mềm như JRiver Media Player hay foobar2000 với SACD plugin và HQPlayer đều có khả năng xử lý các tập tin DSD cao cấp.

Tùy chọn máy phát DSD

Sony phát triển DSD cho SACD, và nhiều đầu đĩa cũng hỗ trợ SACD. Vì đây là định dạng kỹ thuật số, ta có những cách khác để phát DSD, việc này cũng thúc đẩy sự phát triển của các công ty cung cấp tải nhạc chất lượng cao theo chuẩn DSD.