[Audio Wiki] Dây USB: vì sao lại ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh?


Dây dẫn USB thường được nhắc đến trong phần lớn các cuộc tranh cãi về chất lượng âm thanh của hầu hết dân audiophile. Có người nói nó chẳng mang lại khác biệt nào hết do lượng thông tin nó truyền tải chỉ là các bit 0 và 1 đơn giản, nhưng cũng có những cá nhân cam đoan rằng họ có thể nghe thấy sự khác biệt. Thực hư thế nào?

Tín hiệu kỹ thuật số thật ra chính là các dạng sóng vuông tiếp xúc với bộ thu khi chúng đi qua một ngưỡng điện áp nào đó. Bất cứ sự khác biệt nào của hình thể hay chu kỳ xung (timing) của những dạng sóng này đều có thể gây ra sai lệch trong tín hiệu.

Khi một tập tin được gởi đi, dòng dữ liệu của nó đi qua dây dẫn USB đến điểm mốc mà không qua sự kiểm tra bảo toàn dữ liệu nào. Do đó nếu nguồn phát hoặc các jack tiếp xúc không tốt sẽ gây ra ảnh hưởng đến dòng dữ liệu truyền tải. Phần dữ liệu sai lệch này sẽ làm thay đổi dạng sóng của tín hiệu, gây ra các lỗi âm thanh và méo tiếng. Điều này dễ nhận thấy nhất khi so sánh một dây dẫn USB thông thường với một adapter USB cao cấp. Nghiên cứu và thiết kế dây dẫn USB với khả năng giảm thiểu mất mát dữ liệu đồng thời cải thiện dạng sóng tín hiệu là một giải pháp cần thiết.

monospace-day-usb-audio-1.jpg

Nguồn phát từ máy tính cũng phát sinh nhiễu và đây là nguyên nhân chính làm giảm đi tính chân thực của âm thanh chuẩn USB. Dây USB hiếm khi có thiết kế cô lập giữa dây nguồn và dây tín hiệu nên tín hiệu thường bị nhiễu khi đi qua DAC (đầu 5V của USB). Đường 5V này cần phải được cô lập ra khỏi đường tín hiệu, lọc bớt nhiễu hay thay thế bằng một nguồn cấp chống nhiễu riêng biệt. Các tín hiệu nhiễu này cũng có thể xuất hiện do lưu điện trong dây dẫn. Chúng tạo ra các mốc tròn trong dạng sóng của tín hiệu và làm cho tín hiệu bị nhiễu.

Tín hiệu đi qua dây dẫn USB cũng chính là các tín hiệu điện áp. Đối với USB 2.0, hạn mức sẽ là 10–10mV cho mức thấp và 360–440mV cho mức cao. Đây được xem như là một tín hiệu điện cực kỳ mẫn cảm (analog). Chuẩn USB 2.0 tốc độ cao sẽ gây ra nhiễu và mức suy giảm tín hiệu rất lớn (do tần số cao có mức suy giảm cao hơn tần số thấp, vì thế nó dễ bị nhiễu hơn). Sự suy giảm tín hiệu là quá trình phát tín hiệu từ nguồn phát (PC) đến bộ thu (jack USB của DAC). Các phản xạ và sai lệch chu kỳ xung sẽ phát sinh nhiễu, làm suy giảm độ đều đặn và làm tín hiệu khó được tiếp nhận chính xác.

Chúng ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

1. Giảm mức kháng điện dung và điện kháng quy nạp giúp trở kháng tín hiệu giảm đi chính xác hơn.

2. Sử dụng các dây dẫn dạng mỏng (giảm thiểu ảnh hưởng vỏ dây – skin effect).

3. Dùng công nghệ Triple Shielding để tránh ảnh hưởng của nhiễu EMI. Tốc độ của CPU thường rất cao gây ra hiện tượng bức xạ điện từ ảnh hưởng đến phạm vi tần số của tín hiệu USB.

monospace-day-usb-audio-3.jpg

Dây USB với thiết kế dual-lead sẽ có khả năng tách riêng line data và line power. Chỉ có một đầu USB Type B đực , 2 đầu USB Type A đực, một đầu sẽ cắm vào máy tính, đầu kia sẽ cắm vào máy tính hoặc nguồn điện 5V nào mà thật tốt. Thiết kế này cho chất lượng âm thanh tốt nhất và hạn chế nhiễu tối đa. Điển hình là dây dẫn iFi Gemini và iFi iUSB Power.

monospace-ifi-gemini.jpg
monospace-ifi-iusb-power.jpg

Tín hiệu điện áp trong dây dẫn USB (các giá trị 0 và 1) phụ thuộc vào đơn vị điện áp nhỏ hơn hoặc cao hơn một mức nhất định. Do dữ liệu truyền tải qua dây dẫn rất nhanh và thường xuyên, các giá trị 0 và 1 này sẽ thay đổi liên tục tạo ra dòng tín hiệu đa dạng chứ không chỉ riêng là một chuỗi sóng vuông đồng dạng.

Các chuẩn USB chất lượng cao như 2.0 luôn có những khuyến cáo riêng khi sử dụng trong truyền tải tín hiệu âm thanh. Ví dụ đối với USB 2.0 giới hạn dây sẽ trong khoảng 5m, trong khi chuẩn USB 3.0 giới hạn dây lý tưởng là 3m… Dây dẫn chất lượng càng tốt thì hiệu quả đạt được trong khoảng lý tưởng 5m hay 3m nói trên sẽ càng cao. Tín hiệu sẽ được bảo toàn tốt hơn so với các dây dẫn chất lượng trung bình.

Nếu đề cập về mặt thiết kế, sử dụng giá trị trở kháng 90ohm (khoảng +/- 10% giới hạn cho phép) với khả năng kiểm soát nhiễu là một lý thuyết trọng tâm. Tuy nhiên về thực dụng, lựa chọn loại dây dẫn phù hợp và có chất lượng cao sẽ mang lại chất lượng âm thanh tốt hơn nhiều, mà cũng dễ dàng hơn.

monospace-day-usb-audio-4.jpg

Thực tế mà nói, một tín hiệu kỹ thuật số sạch không hề tồn tại. Dữ liệu kỹ thuật số (0 và 1 – như đã nói trên) được truyền tải qua dây dẫn USB nhờ vào hai dây D+ và D-. Khi tín hiệu D+ lớn hơn 200mV so với tín hiệu D-, ta sẽ có giá trị 1. Ngược lại, với D+ thấp hơn 200mV so với D-, ta sẽ có giá trị 0. Một chuỗi các giá trị 0 và 1 này sẽ là một gói tin (packet) và không đồng bộ. Một gói tin được gởi thành công khi host nhận được thông báo nhận từ client, sau đó tiếp tục gởi các gói tin tiếp theo.

Thiết bị host (thường là cổng USB của máy tính) sẽ gởi các giá trị điện áp phù hợp qua D+ và D- với tần số khoảng từ 1,5 đến 480 Mbit/s đến DAC qua dây dẫn USB. Dây dẫn USB có khả năng truyền tải tín hiệu điện với tần số rất lớn (lên đến 480MHz). Dĩ nhiên quá trình này sẽ phụ thuộc vào cá nhân tố như điện cảm (L), điện dung (C), trở kháng (R) và Crosstalk.

Chú thích:

Điện cảm là hiện tượng khi dòng diện đi qua dây dẫn làm xuất hiện các dòng xoáy cố gắng đẩy dòng điện áp đi ngược hướng của dòng tín hiệu.

Điện dung là hiện tượng khi dòng tín hiệu truyền tải làm phát sinh ra nguồn năng lượng nào đó ra khỏi dây dẫn, nguồn năng lượng này được lưu trữ trong các vật liệu gần đó và phản lại vào dây dẫn.

Trở kháng (hay trở) là khi điện áp bị giảm đi trong một khoảng nào đó của dây dẫn do không đủ diện tích truyền tải phù hợp cho ứng dụng cần thiết nào đó.

Crosstalk là sự ảnh hưởng, trộn lẫn năng lượng điện giữa các phần trong dây dẫn.

Bốn hiện tượng này tạo ra trạng thái nhiễu làm sai lệch xung đo truyền tải dữ liệu từ đó gây ra các sai sót trong bảo toàn dữ liệu truyền tải đến DAC. Một vài yếu tố truyền tải bị xem nhẹ do tiêu chuẩn USB từ trước đến nay chỉ được sử dụng để truyền tải dữ liệu thông thường chứ không được dùng chuyên biệt trong phát audio và video. Thêm vào đó, dây dẫn USB còn kiêm luôn việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị không có nguồn cấp riêng, điều này phần nào làm tăng thêm nhiễu do chân nối nguồn 5V và Ground phải đồng thời hoạt động cùng các dây tín hiệu D+ và D-.

Ngoài EMI (Electro-Magnetic Interference), hiện tượng RFI (Radio Frequency Interference) cũng có khả năng gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu USB. Đây là hiện tượng bức xạ năng lượng hoặc dẫn tần giữa các thiết bị điện lân cận. Một dây dẫn bọc RFI/EMI Shielding sẽ có khả năng bảo vệ tốt nhất cho tín hiệu truyền tải.

monospace-day-usb-audio-6.jpg

Ngoài những hiện tượng điện như trên, những yếu tố vật lý như chiều dài, chất liệu dây dẫn có ảnh hưởng gì đến tín hiệu truyền tải hay không? Câu trả lời là có. Đa số các loại dây dẫn kém chất lượng trôi nổi trên thị trường đều có chất liệu rẻ tiền với mức điện dung cao ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng tín hiệu khi truyền tải ở khoảng cách xa. Các dây dẫn USB chất lượng cao thường có cấu tạo từ FEP (fluorinated ethylene propylene) hay sản xuất dựa trên công nghệ Micro-Mono Filament. Thiết kế này giảm thiểu tiếp xúc giữa lớp cách nhiệt và lõi dây dẫn truyền tải tín hiệu giúp cải thiện độ sâu (damping) cũng như tăng tốc độ tín hiệu và loại bỏ các sai lệch xung đo.

Vấn đề thứ hai là chất lượng các đầu kết nối (jack nối) của dây dẫn. Các đầu nối rẻ tiền kém chất lượng không chỉ làm chất lượng tín hiệu suy giảm mà còn có nguy cơ chập, rò điện cũng như tiếp xúc điện không ổn định, ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ thiết bị được sử dụng.

Phần kết

Lướt qua các vấn đề như nhiễu, trở kháng, chu kỳ xung hay sai lệch tín hiệu, ta thấy được tính chất quan trọng của việc lựa chọn một dây dẫn phù hợp ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu truyền tải cũng như âm thanh. Mỗi loại dây dẫn đều có khả năng truyền tải, tuy nhiên sự khác biệt về chất lượng tín hiệu sẽ đánh giá được giá trị thật sự của chúng. Dù sao thì lý thuyết chỉ là lý thuyết, tất cả phụ thuộc vào âm thanh mà bạn thích, đó mới là giá trị thực sự.

Nguồn : positive-feedback // Monospace.vn – http://monospace.vn/threads/day-usb-vi-sao-lai-anh-huong-den-chat-luong-am-thanh.318/

Posted by

@PhilipHungCao, CISM, CCSP, CCSK, CASP, CIW-WSP, GICSP, PCNSE, ACSP, CCDA, DCSE, JNCIA, MCTS, MCSA, VCP5-DCV, VCP6-NV, ZCNT is a #TekF@rmer. He has 16 years' experience in ICT/Cybersecurity industry in various sectors & positions.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s