DAC
(Digital to Analog Converter)
Trong quá trình xây dụng một hệ thống âm thanh hoàn chỉnh, MN Audio chú trọng vào nghiên cứu và phát triển DAC (Digital-to-Analog Converter: bộ chuyển đổi số sang tương tự). Chúng tôi đã thử nghiệm nhiều giải pháp, trong đó có việc thiết kế mạch sử dụng chip của các hãng nổi tiếng như Cirrus Logic, Analog Devices, Texas Instrument, Sabre – ESS Technology. Việc dùng chip của các hãng đã nêu tương tự như thiết kế 1 chiếc xe ô tô cho thị trường Việt Nam với động cơ mua sẵn từ BMW hoặc Toyota, có thể tốt và nhanh nhưng khó tuỳ biến và chưa chắc phù hợp với kiểu dáng/đặc tính khí động học được lựa chọn.
Trong khi nghiên cứu và thiết kế mạch DAC sử dụng các chip nói trên, chúng tôi nhận thấy hoàn toàn có thể thiết kế ra một con chip DAC riêng dùng nền tảng FPGA (Field-Programmable Gate Array), từ đó có thể chủ động hơn trong việc tinh chỉnh, nâng cấp, xử lý tín hiệu theo triết lý âm thanh riêng của MN Audio.
Vậy FPGA là gì?
FPGA (Field-Programmable Gate Array) là một loại mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. Chữ field ở đây muốn chỉ đến khả năng tái lập trình “bên ngoài” của người sử dụng, không phụ thuộc vào dây chuyền sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn. Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận:
-
Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)
-
Hệ thống mạch liên kết lập trình được
-
Khối vào ra
-
Phần tử thiết kế sẵn như DSP, RAM, ROM...
Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không, vũ trụ, tiền thiết kế mẫu ASIC, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mô hình phần cứng...
Tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính trên các hệ thống phần cứng chuyên dụng, ngoài ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực.
Ngôn ngữ sử dụng: VHDL, Verilog, SystemVerilog.
(Nguồn: tham khảo Wikimedia)
Tại sao lại
sử dụng FPGA?
Đối với mạch xử lý tín hiệu số - tương tự của MN Audio, chúng tôi muốn “tiến vào lõi” để làm chủ được việc thiết kế chip DAC của riêng mình thay vì sử dụng chip DAC của các hãng khác. Nếu sử dụng các chip DAC của các hãng khác, việc can thiệp vào chất lượng âm thanh, tạo màu sắc riêng cho âm thanh rất khó khăn và không hiệu quả. Chất lượng âm thanh chỉ được can thiệp vào các phần phía sau của chip DAC mà không thể can thiệp vào quá trình chuyển đổi âm thanh từ tín hiệu số sang tương tự – khâu quan trọng bậc nhất của DAC.
Để có một màu sắc âm thanh riêng trong các thiết kế của mình, sự mềm dẻo của FPGA là một lợi điểm cho các thiết kế đó. Dựa vào FPGA, Chúng tôi có thể thiết kế những bộ chuyển đổi DA theo nhiều kiến trúc khác nhau, các bộ xử lý tín hiệu âm thanh giúp cải thiện chất lượng âm thanh, các bộ lọc số với số lượng lớn dải tần...
Ngoài ra, một số thành phần trong hệ thống tổng thể có thể có những giới hạn/nhược điểm nhất định: ví dụ hệ thống loa đáp ứng tốt nhiều giải tần nhưng bị hụt ở một khoảng nào đó – can thiệp được vào chip DAC có thể bổ khuyết tín hiệu phát để trình diễn chung của hệ thống hài hoà nhất.
Chúng tôi làm như thế nào?
Lựa chọn cấu trúc của bộ chuyển đổi tín hiệu, để chọn ra cấu trúc phù hợp với yêu cầu đề ra. Tất cả công việc này được thực hiện mô phỏng trên Python.
Sau khi chọn được một mô hình đáp ứng tốt yêu cầu đề ra, chúng tôi tiến hành thiết kế chip FPGA theo thuật toán đã định.
(Mô hình đã được đơn giản hóa để phù hợp với nội dung bài viết)
Sau khi hoàn tất việc thiết kế và mô phỏng, việc tiếp theo sẽ là thiết kế và thi công mạch in.
Sau khi hoàn thành thiết kế và thi công mạch in, mạch sẽ được đo đạc trên các máy đo đạt chuẩn để kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật.
Cuối cùng, mạch DAC đã đạt các tiêu chuẩn đo đạc sẽ được thử thực tế trong phòng nghe thử với các thiết bị khác như Pre Amplifier, Power Amplifier (bộ khuếch đại), tai nghe, loa.
