Lược sử CD 25 năm của đĩa nhạc CD - Phần 4: Rực rỡ

Một số tác phẩm âm nhạc cũng được sử dụng để demo Digital Compact Disc trong đó có những bài kèn trumpet của Louis Amstrong. Nói chung định dạng Digital Compact Disc 14-bit của Philips vẫn chưa đủ băng thông để truyền tải tiếng kèn 1 cách trung thực nhất, làm 1 số thính giả nhận xét là nghe vẫn còn hơn "kỳ kỳ" và "thô". Mãi về sau điều này mới được giải quyết khi các đầu chơi CD của Philips giải mã được đầy đủ 16-bit. Philips CD-100 là 1 trong những đầu CD được đánh giá là có chất tiếng trong trẻo và trung thực nhất, được người yêu nhạc CD sưu tầm cho đến ngày nay.



Công nghệ CD quả là 1 điều cực kỳ tuyệt vời đối với giai đoạn đó, tuy nhiên chúng ta cũng không thể quên thiết kế đột phá của những nhà máy làm đĩa nữa. Đĩa được đúc trong môi trường hoàn toàn không bụi bặm với quy trình đúc nghiêm ngặt. Bạn đọc chắc cũng nhớ đến những chiếc hộp đĩa bằng nhựa trong để bảo vệ bề mặt đĩa khỏi xây xát, đi kèm cùng hình ảnh các ban nhạc đầy màu sắc.

Nhìn từ khía cạnh kỹ thuật, đĩa CD hoàn toàn xứng đáng để kế thừa cho định dạng vinyl đang trở nên lỗi thời và có tính tiện dụng không cao. Điểm mạnh của CD là không bị cặn bụi, không phụ thuộc vào chất lượng kim dò, không bị ảnh hưởng quá nhiều từ các xây xát bề mặt... Tuy nhiên cái nó thiếu đi là độ phân giải của âm thanh và lại bị phụ thuộc gần như hoàn toàn vào mức xung của đầu chơi và DAC. Người nghe tinh ý và có kinh nghiệm sẽ ngay lập tức nhận ra những khác biệt trong âm thanh khi nghe CD với từng đầu đọc khác nhau mà không cần phải biết đến những yếu tố kỹ thuật rườm rà nào hết.


Tuy nhiên nếu so sánh đồng đẳng giữa CD và vinyl thì cũng giống như so sánh quả táo và quả cam vậy, vì chúng hoàn toàn khác nhau trong từng khía cạnh. Đĩa 78RPM, đĩa LP và đĩa CD đều có các ưu và khuyết điểm riêng của chúng. Tuy vậy có 1 điểm không thể chối cãi chính là sự tiện lợi của định dạng CD, và điều này cũng làm ngăn trở các nhà phát minh phát triển thêm các định dạng PCM mới. Công nghệ âm thanh số giống như đã dừng lại vậy.

Tiêu chuẩn 44.1kHz và 16-bit

Yếu tố quyết định của 1 hệ thống thu tuyến tính chính là mức tần số lấy mẫu, và với CD thì con số này là 44.1kHz. Tần số lấy mẫu càng lớn thì băng tần âm thanh càng rộng và ngược lại. Băng thông 200kHz có thể làm bạn đọc cảm thấy là quá lớn, tuy nhiên điều này hoàn toàn không lạ. Âm thanh ở các định dạng analog thông thường luôn có mức băng thông vào khoảng 400kHz cho phono-stage.

Đĩa CD có băng thông lý thuyết từ 1Hz~44.1kHz, tuy nhiên thực tế thì dải tần âm thanh chỉ nằm trong khoảng 1Hz~22.050Hz. Băng tần từ 22.050Hz~44.1kHz không thể sử dụng và được gọi là băng tần nhân đôi (alias). Băng tần alias sẽ không có ảnh hưởng gì đến tiếng nhạc, và được phân cách bằng brickwall filter (đã nói đến ở phần trên). Theo lý thuyết, bộ lọc này sẽ nằm ở mức khoảng 96dB. Filter này cũng có thể được sử dụng như analog filter, tuy khó thực hiện hơn nhưng vẫn có thể làm được.


Việc lấy mẫu trong băng tần âm thanh tuy nhiên lại phụ thuộc vào tần số. Tần số càng thấp thì số lần sample càng nhiều, ví dụ như tần số từ khoảng 11kHz đến 20kHz chỉ được lấy mẫu 2 lần mà thôi. Định dạng CD ngoài ra cũng có thêm 1 đặc điểm nữa là độ phân giải cao nhất của âm thanh sẽ đạt được ở mức âm lượng cao nhất, ở 0 dB so với âm lượng khi thu âm. Mức 0 dB cũng cho độ méo tiếng thấp nhất. Ở mức âm lượng nhỏ hơn thì độ phân giải cũng thấp hơn và không đồng nhất với mức 0 dB nói trên. Mỗi bit sẽ được đo bằng 6 dB, do đó 16-bit (chất lượng CD) sẽ luôn là 96dB dù bản thu gốc có được thu ở 20, 24, 30 hay 64-bit đi chăng nữa.

Định dạng tuyến tính và oversampling


Máy thu PCM cũng như đầu chơi CD luôn có 1 bộ filter riêng tuy nhiên vẫn có cách để vượt qua chúng, phương thức này được các kỹ sư âm thanh của Philips giới thiệu với tên gọi là Oversampling. Kỹ thuật này được ứng dụng bằng cách nhân 4 lần tần số lấy mẫu thành 176.5kHz thay vì 44.1kHz, cung cấp mức băng thông 88.2kHz. Điều này làm cho phần băng tần alias được đẩy xa khỏi tín hiệu nhạc (nằm trong khoảng 10Hz~20kHz) và lý tưởng hơn cho quy trình sample. Mức tần số cực cao như trên cũng không cần đến filter quá "gắt" nữa và tạo ra lợi ích "interpolation" cũng như cho phép tạo ra những "bước" đều nhau giữa các bit. Kết quả cho ra sóng âm gần giống với analog hơn.

16-bit

Âm thanh không thể được đo đạc chính xác mà chỉ dừng lại ở tính "gần đúng" nhất mà thôi. Nếu không có quy trình "interpolation" nói trên, 1 âm thanh 2.9 dB trên mức -6 dB sẽ vẫn được tính là -6 dB, tương tự với âm thanh 2.9 dB trên mức 0 dB cũng sẽ được tính là 0 dB. Điều này làm cho âm thanh bị biến đổi phần nào và ở giai đoạn mới phát triển CD, người ta hay có nhận xét khi nghe đĩa rằng "Tôi biết đó là tiếng violin nhưng nghe không giống tiếng violin cho lắm". Các nghệ sỹ piano thì hiểu rằng bản thu digital sẽ có tiếng đàn nghe nông hơn so với bản thu analog. Đây cũng là lý do vì sao 1 vài bản thu CD nhạc classical được mix thêm tiếng vang để tăng thêm tính trung thực và tự nhiên khi nghe.


Không thể chối cãi rằng bit-depth của CD chỉ 16-bit là khá thấp tuy nhiên vào thời điểm lúc đó người ta không thể làm hơn được nữa, không phải như ngày nay 64-bit cũng có thể được ứng dụng dễ dàng. Đây cũng là giới hạn chính của CD do nó chỉ có thể lưu trữ 16-bit dù nguồn nhạc gốc có lên đến bao nhiêu bit đi chăng nữa. Oversampling và upsampling được sinh ra sẽ giúp ích cho những công ty thu âm rất nhiều, mang đến cho người nghe CD chất âm có độ phân giải cao gần giống với analog.

High Resolution Digital

Vẫn còn 1 cách khác để tạo ra định dạng digital. Đây là 1 hệ thống mà mỗi tần số đều được đo đạc với tần suất lấy mẫu như nhau, và cũng tương tự như kỹ thuật thu âm analog: một định dạng thu âm logarit. Kỹ thuật này được gọi là phương pháp sigma-delta, sau này được sử dụng trong các máy chuyển đổi tuyến tính cao cấp.

Phương pháp này sẽ cung cấp chất âm gần giống với analog, sở hữu độ phân giải cực cao và không cần thiết phải xử lý oversampling nữa. Ngoài ra cũng không cần phải dùng thêm filter vì hoàn toàn không có băng tần alias. Độ phân giải của dynamic level cũng được giữ nguyên không đổi.

Tuy nhiên phương thức này lại không tạo ra đường cong tần số tuyến tính, do đó phải cần đến quy trình sửa lỗi cho toàn bộ băng tần âm thanh nhằm đạt được độ chính xác cao nhất tương tự với đường cong RIAA. Băng tần âm thanh cũng có thể được lựa chọn không giới hạn tuy nhiên được khuyến nghị chọn dải tần cao để có thể áp dụng filter dễ dàng hơn. Ưu điểm của định dạng này là không bị ảnh hưởng chuyển phase, nhưng khuyết điểm là quy trình xử lý rườm rà và tốn kém.


Như nói trên, độ phân giải của dynamic level cũng được giữ nguyên không đổi, nghĩa là độ phân giải ở mỗi bit là như nhau. Sóng hài (harmonic) cũng được thể hiện tự nhiên và có logic. Phương thức sigma-delta bù lại vẫn đòi hỏi các tính toán có độ chính xác cao và sửa lỗi cần thiết để có thể đạt được băng tần âm thanh tuyến tính hoàn hảo nhất. Ở giai đoạn năm 1967 hay cả 1980, đây nói chung chỉ là lý thuyết và nếu cố gắng thực hiện thì có thể sẽ cho ra 1 định dạng lưu trữ khác biệt rất nhiều so với CD ngày nay.

Trong giai đoạn đầu mới ra mắt, do công nghệ còn quá mới nên tỷ lệ đĩa CD đúc ra bị lỗi rất cao, ngoài ra còn nhiều lỗi vặt xảy ra trong chính quá trình ghi đĩa khiến cho chất lượng âm thanh bị ảnh hưởng nhiều, chủ yếu là từ các thiết bị thu âm, các bộ amplifier để truyền dữ liệu hay quy trình master CD. Người dùng còn nghi ngờ cả chất lượng của những chiếc đầu đọc CD nữa. Chúng có thể bị lệch kênh, không truyền tải đủ âm thanh stereo hay độ méo tiếng trong các cung bậc hài âm cao hơn so với thông số quảng cáo, hoặc thậm chí, vấn đề cơ bản là đường đáp tần (frequency reponse) không được hoàn hảo.

Most Significant Bit (MSB)

Mỗi bit có giá trị 6dB và nói chung đây là giá trị khá lớn, do đó chỉ 1 thay đổi nhỏ cũng đủ làm ảnh hưởng đến hài âm. Việc sản xuất các máy converter và căn chỉnh chính xác MSB cũng rất tốn kém nên dần dần thị trường bắt đầu xuất hiện các mẫu low-bit converter. Chúng giúp giảm thiểu các sai sót đến mức "chấp nhận được" và tuy không phải là hoàn hảo nhưng vẫn là 1 giải pháp có thể được ứng dụng đại trà. Nhiều tờ báo chuyên âm thanh lúc đó như Stereophile, The Absolute Sound, Stereoplay, Audio, IAR, HiFi News... rất chú ý đến những chiếc đầu đọc CD và viết bài giới thiệu ngay khi có điểm nào đó được cải thiện, tạo ra sự thân quen và hứng khởi trong lòng người đọc. Các hãng âm thanh cũng tập trung vào cải thiện những mẫu amplifier hay loa có sẵn của mình để có thể tương thích tốt hơn với các đầu CD. Các thương hiệu còn lại không thức thời nhanh chóng bị đào thải.

Armin Graf, chủ biên của tờ Thorens A.G., đã đăng tải bài viết mang tên "CD, A Misperformance" với nhận xét rằng phần lớn người dùng đều chưa từng nghe thử chất tiếng analog độ phân giải cao của đĩa vinyl. Điều này là hoàn toàn đúng vì chỉ khoảng 5~10% người chơi nhạc có hứng thú đầu tư 1 hệ thống đắt tiền, hiệu năng cao. Số còn lại hầu như chỉ nghe nhạc để thư giãn hay thậm chí nghe "cho có cái gì đó để nghe", nghĩa là họ không quá quan trọng đến chất lượng âm thanh cao đến mức nào, miễn đừng quá dở là được rồi. Họ cũng là những người ít có thời gian để chăm sóc cho hệ thống âm thanh của mình hay không am hiểu nhiều về công nghệ. Đối với họ, chiếc đĩa nhạc CD giống như 1 "món ăn nhanh" khi bất chợt muốn nghe gì đó, xong rồi thôi. Trái ngược với họ là giới nghe nhạc chuyên nghiệp sẵn sàng bỏ hàng giờ ra để tinh chỉnh hệ thống hay lau dọn từng chiếc đĩa để thưởng thức chất âm nguyên bản nhất có thể.


Nhiều hãng làm đầu đọc CD và converter đã rất cố gắng để cải thiện chất lượng âm thanh được thu bằng kỹ thuật digital. Các hãng nổi tiếng như California Audio Labs, Luxman, Sonic Frontiers hay Musical Fidelity còn tích hợp thêm các đèn chân không vào mạch khuếch đại để cải thiện tín hiệu âm thanh hơn nữa. Thương hiệu Beard sản xuất mẫu máy DAP-1 hỗ trợ 3 cấp tần số lấy mẫu và 3 bộ converter 16-bit được áp dụng oversampling 4 lần, không cần thiết phải sử dụng thêm filter. DAP-1 tương thích tốt với Philips CD-822 và chứng minh được rằng không phải bộ DA-converter nào cũng phối ghép tốt với tất cả các đầu CD.


Một số người nghe tuy nhiên vẫn tranh cãi rằng khả năng tái tạo tần số trên mức 20kHz là cần thiết để truyền tải đầy đủ sự tự nhiên và chân thực của âm thanh, và nhiều người nghe khác cam đoan rằng họ có nghe thấy sự khác biệt. Các hãng sản xuất nhận ra điều này và bắt đầu chuyển sang các hướng xử lý mới để có thể cung cấp dải băng tần rộng hơn nữa.

Guiston CD Converter


Trong những năm 1980, Marc Guisto, người thiết kế mẫu tube-amplifier và hệ thống loa Guiston huyền thoại đồng thời ứng dụng triệt để hiệu năng của RIAA phono-stage, cũng bắt tay vào nghiên cứu mảng âm thanh digital. Ông điều chỉnh áp ra khoảng 150 mV của đầu CD và giảm nó xuống vài mV, sau đó thêm áp 1 filter (-3dB @20 kHz), thay đổi tính chất tín hiệu đầu ra 1 cách vừa phải và cuối cùng là áp dụng điều chỉnh RIAA dành cho đĩa LP. Kết quả cho ra dòng tín hiệu đầu ra tương thích với RIAA-stage (phono) của preamp cùng chất tiếng chi tiết hơn (mà vẫn là digital).

Pioneer: Legato Link


Khi nghe những bản thu được đúc vào năm 1950 và 1960, tiếng hiss và nhiễu nền luôn hiện hữu và hòa trộn vào tiếng nhạc cụ gây gai tai khi nghe. Pioneer giải quyết điều này bằng cách sử dụng công nghệ chuyển đổi Legato Link được giới thiệu vào năm 1992. Phần nhiễu tiếng được sử dụng có mức tần số cao hơn 22.05 kHz và sẽ được lọc ra, tuy nhiên không lọc hết mà vẫn để lại 1 phần nhỏ nhằm tăng tính trung thực cho âm thanh khi nghe. Tiếng nhiễu cần phải được căn chỉnh cẩn thận và riêng biệt cho từng bản thu, vì nếu nó lớn hơn hay nhỏ hơn đều làm âm thanh nghe không thật nữa.

Denon: Alpha Processing


Phương thức này của Denon hoàn toàn khác so với Pioneer. Sau khi phân tích các thuật toán phức tạp của CD, Denon đã tìm ra cách trích xuất dữ liệu từ các bit không quan trọng (Least Significant Bit) trước khi thực hiện quy trình xử lý chuyển đổi. Những dữ liệu này, đại diện cho các nhịp âm thanh với độ động cao thường xuất hiện ở đầu mỗi âm, sẽ được xử lý để thêm vào dạng sóng đã được convert. Nói dễ hiểu hơn, quy trình filter ở 20kHz sẽ được tắt và mở theo từng chu kỳ phù hợp và không làm hạn chế độ rộng của băng tần khi được xử lý convert. Điều này sẽ giúp tạo ra các âm hài cao và làm âm thanh nghe "thật" hơn, gần giống nhất với chất tiếng analog.

Lợi điểm của kỹ thuật Alpha Processing không chỉ có thể được nghe thấy mà còn có thể đo đạc nữa. Tham khảo hình sau:


a. sóng sin 1kHz
b. Âm thanh được thu kỹ thuật số ở -90 dB và sau khi được xử lý convert multi-bit DAC, đường sóng sin nhìn như những bậc thang nhỏ. Thông số -90dB còn cho thấy mức thu âm cực thấp được dùng để diễn giải rõ hơn lợi ích của Alpha Processing
c. Tín hiệu được convert bằng low-bit hoặc 1-bit DAC. Đường sóng sin có thay đổi nhưng vẫn giữ phần nào hình dáng các bậc thang. Oversampling 256 lần cũng nhân sai số tín hiệu và méo tiếng lên 256 lần, hiển thị bởi đường sóng sin rất dày. Phần nhiễu tiếng sẽ có thể nghe thấy khi xử lý bằng các DAC low-bit hay chuyển đổi sang SACD. Phần méo tiếng có thể được lọc ra bằng Noise Shaping Filter.
d. Nếu tín hiệu PCM dùng trong định dạng CD được thu hồi và xử lý bằng quy trình Apha Preocessing, đường sóng sin sẽ phục hồi hình dạng ban đầu của nó.

Accuphase

Nhiều hãng sản xuất tuy nhiên vẫn chọn phương thức chỉnh sửa từng bit dù nó khá tốn kém. Các hãng này thường dùng converter Burr Brown. Accuphase chọn phương thức sử dụng 4 converter cho từng bit để tạo ra chất âm gần giống nhất với analog, đồng thời cũng cải thiện các bước động (dynamic-step) và giảm thiểu méo tiếng xuống chỉ còn 1/4.


Trong giai đoạn đầu của CD, các kỹ thuật viên và kỹ sư âm thanh đã phải rất vất vả để có thể theo kịp những công nghệ mà CD cung ứng, đồng thời cũng tìm cách ứng dụng chúng 1 cách đầy đủ nhất có thể. Một trong số các phát kiến quan trọng nhất chính là cách đặt microphone thu âm sao cho đúng, do kiểu đặt microphone thu analog đã không còn phù hợp. Phương thức này sử dụng ít nhất 3 microphone và đặt chúng gần nhất với nhạc cụ đang chơi để triệt tiêu hiện tượng lệch pha và âm hài không mong muốn. Mỗi microphone (hay nhóm microphone) sẽ được kết nối với DAC riêng để đồng bộ phase.

Càng về sau các bộ converter ngày càng được cải thiện, đồng thời các kỹ sư và hãng sản xuất cũng thu thập được thêm nhiều kinh nghiệm theo thời gian. Tín hiệu âm thanh có thể được cắt ghép và xử lý nhanh chóng mà không cần đến những quy trình mất thời gian như trước nữa, hoặc nếu có thì cũng tiết kiệm được thời gian hơn trước. Chiếc đĩa CD cũng ngày càng trở nên thông dụng hơn, trở thành 1 trong những định dạng không thể thiếu cho người dùng máy tính cá nhân. Đĩa CD cũng có thể được đánh giá là định dạng lưu trữ âm thanh đòi hỏi nhiều bước phát triển nhất cũng như thời gian hoàn thiện lâu nhất trước khi có đủ khả năng thay thế các định dạng đàn anh của nó.


Điều này tuy nhiên không có nghĩa là đĩa LP sẽ trôi vào dĩ vãng. Đĩa CD vẫn có điểm yếu là có bit-depth thấp và sẽ không thể lưu trữ các bản thu có bit-depth cao hơn. Ví dụ 1 bản thu được thu 32-bit thì nó sẽ không thể chơi trên đầu SACD hay CD. Do đó thay vì thiết kế và gia công 1 mẫu máy nghe nhạc mới chơi được 32-bit, người ta lại tiếp tục sử dụng đĩa LP.

Thêm vào đó, nhiều người sưu tầm bản thu LP khẳng định rằng cho dù đĩa vinyl được đúc từ nguồn nhạc thu bằng kỹ thuật số vẫn cho chất âm hay hơn đĩa CD. Điều này có thể bắt nguồn từ 3 lý do:

a. Bản thu gốc kỹ thuật số được convert lại thành analog bởi hãng thu bằng các thiết bị cao cấp trước khi được đúc thành đĩa LP
b. Âm thanh của bản thu được bổ trợ từ băng tần rộng của RIAA-stage và được filter trên 20 kHz với filter 6 dB (phase liền mạch), do đó không chịu ảnh hưởng của brickwall filter.
c. Tương tác giữa đầu kim cương và rãnh đĩa cung cấp mức rise-time cao, không bị ảnh hưởng bởi delay và tạo ra âm hài cao mà ở CD không thể có được. Từ đó cung cấp mức phản hồi chuyển tiếp cao nhất.

Các tiêu chuẩn quy định

AAD: Mã này có nghĩa là nguồn nhạc là bản thu gốc analog, được chỉnh sửa trong định dạng analog sao đó convert thành digital.
ADD: Mã này có nghĩa là nguồn nhạc là bản thu gốc analog được convert sang digital sau đó được chỉnh sửa trong định dạng digital.
ADA: Mã này có nghĩa là bản thu gốc được convert từ analog sang digital để chỉnh sửa, sau đó convert lại thành analog.
DDA: Mã này có nghĩa là bản thu gốc là digital, sau khi chỉnh sửa trong định dạng digital được convert lại sang analog.
DDD: Mã này chỉ có ở CD và không bao giờ được dùng cho đĩa vinyl. Mã này có nghĩa là bản thu gốc ở định dạng digital và cũng được chỉnh sửa trong định dạng digital, sau đó ghi lên CD.

Các khác biệt về phương tiện lưu trữ

Phương thức thu âm Direct-to-Disc có chi phí rất cao và chỉ lý tưởng khi dùng để đánh giá chất âm. Khuyết điểm của đĩa vinyl dung lượng cao là chỉ 1 số lượng nhất định được dập, thường vào khoảng 1.500 bản cho mỗi đợt. Thêm vào đó, đĩa vinyl cũng dễ bị hư hỏng và bể vỡ hay mòn rãnh sau 1 thời gian nghe. CD thì không chịu những ảnh hưởng này.

Tuy nhiên điểm yếu của CD là bị giới hạn băng thông và âm hài. So với các máy tính thời trước thì máy tính bây giờ đã mạnh hơn nhiều nghìn lần, và định dạng digital với tần số lấy mẫu càng cao và càng nhiều bit thì sẽ cho âm thanh càng giống với analog. Tuy nhiên để có thể chơi được định dạng đó, người dùng cần phải đầu tư cả về máy chơi nhạc lẫn đĩa nhạc tương ứng.


Lược sử 25 năm đĩa nhạc CD - Phần 1: Những đốm sáng ý tưởng
Lược sử 25 năm đĩa nhạc CD - Phần 2: Tiến đến tương lai
Lược sử CD 25 năm của đĩa nhạc CD - Phần 3: Các tiếng nói chung