Thiết kế và thi công hệ thống Hiend Audio sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 3 và hệ điều hành Volumio music server

Đề tài này tạo ra một hệ thống Hiend audio được sử dụng để chơi những bảnnhạc số chất lượng cao trong thời đại công nghệ số hóa và tốc độ đọc ghi những bảnnhạc ngày càng hiện đại. Loại dữ liệu nhạc chất lượng cao yêu cầu phải có mộtphần cứng đáp ứng được dải tần số và phát huy hết khả năng của nó. Đề tài hướngđến xu hướng chơi nhạc số dần thay thế những CD, SACD,cassette, băng cối, đĩathan vì tính tiện dụng, dễ lưu trữ, không bị hư hỏng theo thời gian và đặc biệt làchất lượng có thể cao hơn nhiều so với CD và tiệm cận Analog.Nhóm nghiên cứu sử dụng raspberry làm máy tính để chạy hệ điều hành chomusic server và tích hợp một bộ DAC Pcm để giải mã nhạc số. Phần preamp nhómnghiên cứu và chế tạo bộ điều chỉnh âm sắc theo ý thích của chủ nhân thiết bị đượcđiều khiển bởi Aduino, nút nhấn cảm ứng sẽ làm nhiệm vụ thay cho các volume cơtruyền thống và sẽ tránh hư hỏng do cơ cấu xoay cơ học. Thiết bị có trang bị mộtmàn hình LCD để hiển thị các thông số khi điều chỉnh cho người sử dụng. Quantrọng nhất là bộ khuếch đại, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chipamp KIA6210 để làmnhiệm vụ khuếch đại và đưa tín hiệu sóng âm ra loa( một trong những con chip haytrong phân khúc công xuất nhỏ).Điểm nổi bật của hệ thống là sự tiện lợi: tất cả đều được tích hợp trong 1 thiếtbị duy nhất nhỏ gọn hơn rất nhiều so với một dàn âm thanh truyền thống, dễ dàngkết nối loa với thiết bị. không cồng kềnh, linh kiện của thiết bị cũng là linh kiệnchất lượng cao và chất âm khi sử dụng thiết bị rất chi tiết chân thực, dễ dàng điềukhiển thiết bị bằng bất cứ chiếc điện thoại smartphone nào cũng mạng Wifi. Giáthành của thiết bị cũng rất rẻ so với các sản phẩm do một hãng sản xuất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ

MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Tp Hồ Chí Minh – 12/2019

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239

Họ tên sinh viên 2: Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ

THUẬT SỐ

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Sử dụng Raspberry Pi 3 Model B 1.2v để làm bộ music server chạy hệ điều hành

Volumio

- Tín hiệu số chất lượng cao được sử dụng trong hệ thống là các file nhạc chuẩn

Lossless, Hi-res audio, DSD được Rip từ CD, DVD, SACD và một số là mua trực tuyến

- Module DAC pifi 2 để làm bộ giải mã âm thanh kĩ thuật số chất lượng cao và xuất

- Loa Victor toàn dải T150D dùng để phát âm thanh cho hệ thống

2 Nội dung thực hiện:

- Nghiên cứu về raspberry, arduino

- Tìm hiểu hệ điều hành Volumio

- Nghiên cứu các kiến thức liên quan đến Audio, các chuẩn nhạc( nhạc số & tương

tự),thiết kế mạch khuếch đại công suất, thiết kế của thùng loa, các cách chống nhiễu cho hệ thống âm thanh, kiến thức bao quát về cách bố trí hệ thống audio, xử

lý phòng nghe (tán âm, tiêu âm, basstrap,vv)

- Tìm hiểu về các module DAC pifi, LCD 16x2, pt2315, cảm biến chạm

- Tiến hành thiết kế các thành phần ban đầu của hệ thống

- Tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng module trong hệ thống

- Tiến hành thiết kế PCB cho từng module

- Lập trình kết nối điều khiển

- Chạy thử nghiệm hệ thống

iii

- Cân chỉnh và hoàn thiện hệ thống

- Viết báo cáo

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trường Duy

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH o0o

Tuần 6,7,8,9

(23/9 – 20/10)

Lập trình điều khiển Module PT2315, điều chỉnh tăng giảm được volume, bass, treble bằng Arduino Uno

Tuần 10

(21/10 – 27/10)

Tiến hành vẽ mạch KIA6210, mạch nguồn 12v cho KIA6210, mạch nút nhấn 3 phím cảm ứng, mạch hoàn thiện module Arduino + PT2315 + connector (audio processor) hoàn chỉnh

Tuần 11

(28/10 – 3/11)

Tiến hành thi công các module nguồn, module audio processor, module nút nhấn, đặt mạch in 2 lớp cho module KIA6210

Đề tài này là do nhóm đồ án tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và công trình nghiên cứu, không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó Nếu có sao chép nhóm đồ án hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 12 năm 2019

Người thực hiện đề tài

Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy

v

“Uống nước nhớ nguồn, ăn quả nhớ kẻ trồng cây” là truyền thống mang giá trị nhân văn vô cùng quý báu mà từ xưa đến nay ông cha ta đã răng dạy và gìn giữ cho đến tận ngày hôm nay Chính vì lẽ đó mà nhóm nghiên cứu luôn luôn vô cùng tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả mọi người đã giúp đỡ nhóm tận tình trong thời gian qua để hoàn

thành tốt đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end audio kĩ thuật

số” Và điều vô cùng đặc biệt hơn mà không thể không nhắc đến đó là sự hướng dẫn vô

cùng tận tình của Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã giúp đỡ hết sức nhiệt tình nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài được giao Quả đúng với câu “Không Thầy đố mày làm nên” Vì thế, trong lời đầu tiên của cuốn báo cáo đồ án tốt nghiệp này, Nhóm muốn dành lời cảm

ơn chân thành sâu sắc đến Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chính Minh Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng thể hiện sự biết ơn đối với các bạn cùng

lớp đã góp ý kiến xây dựng đề tài được hoàn thiện hơn

Không thể quên được, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến những đấng sinh thành dưỡng dục đã luôn hỗ trợ, động viên và cũng là niềm động lực lớn lao để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng nhóm sẽ khó tránh khỏi những lúc làm các Thầy Cô, các bạn phiền lòng Kính mong quý Thầy Cô, cùng các bạn lượng thứ bỏ qua Với vốn kiến thức hạn hẹp cùng kinh nghiệm sống ít ỏi của mình thì chắc chắn trong bài báo cáo sẽ có những sai lầm thiếu sót Nhóm nghiên cứu rất làm thứ lỗi và mong nhận được những chỉ dạy, đóng góp vô cùng quý báu của quý Thầy cô cùng các bạn để nhóm

có thể hoàn thiện tốt đề tài hơn nữa

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy

MỤC LỤC

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Liệt kê hình vẽ ix

Liệt kê bảng vẽ ……… xi

Tóm tắt xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.3.1 Kết nối thiết bị 2

1.3.2 Tiến hành xử lý ban đầu 2

1.3.3 Tiến hành thiết kế 2

1.3.4 Thi công kết nối các thiết bị 3

1.3.5 Hoàn thiện sản phẩm 3

1.3.6 Viết báo cáo 3

1.4 Giới hạn 3

1.5 Bố cục 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu về hệ thống Hi-end Audio kĩ thuật số 5

2.1.1 Giới thiệu chung 5

2.1.2 Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực Audio 9

2.1.3 Các chuẩn âm thanh trong Audio 16

2.1.4 Các kiến thức về xử lý âm học trong phòng nghe 27

2.2 Hệ điều hành Volumio và khái niệm về Music Server 30

2.2.1 Hệ điều hành Volumio 30

2.2.2 Ngôn ngữ Python 32

ii

2.2.3 Music Server 34

2.2.4 Lý thuyết về thùng loa 37

2.2.5 Âm thanh Hi-End 44

2.3 Giới thiệu phần cứng 45

2.3.1 Raspberry Pi 3 Model B V1.2 45

2.3.2 Module DAC Pifi V2.0 48

2.3.3 LCD 16x2 49

2.3.4 Module I2C 51

2.3.5 Arduino Uno 53

2.3.6 IC Audio Processor PT2315 55

2.3.7 Module cảm biến chạm TTP223 58

2.3.8 IC khuếch đại âm tần KIA6210 59

2.3.9 Loa toàn dải 12cm 61

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 62

3.1 Giới thiệu 62

3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 63

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 63

3.2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 65

3.2.2.a Khối nguồn phát và giải mã 66

3.2.2.b Khối tiền khuếch đại 68

3.2.2.c Khối khuếch đại công suất 79

3.2.2.d Khối nguồn 83

3.2.2.e CNC vỏ hoàn thiện 85

3.6 Thiết kế thùng loa toàn dải 12cm 86

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 89

4.1 Giới thiệu 89

4.2 Thi công hệ thống 89

4.2.1 Tiến hành vẽ PCB và thi công mạch nguồn 13VDC 89

4.2.2 Tiến hành vẽ PCB mạch tiền khuếch đại 91

4.2.3 Tiến hành vẽ PCB mạch khuếch đại 92

4.2.4 Tiến hành kết nối các module trong hệ thống 94

4.3 Đóng khung thành phẩm 97

4.4 Lập trình hệ thống 98

4.4.1 Lưu đồ chương trình mạch tiền khuếch đại 98

4.4.2 Phần mềm lập trình 110

4.5 Tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 114

4.5.1 Tài lieueh hướng dẫn sử dụng 114

4.5.2 Quy trình thao tác 114

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 120

5.1 Kết quả sản phẩm 120

5.1.1 Demo bằng nhạc số chất lượng cao 120

5.1.2 Điều chỉnh phù hợp cho mỗi thể loại nhạc 121

5.2 Nhận xét đánh giá chung 121

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 122

6.1 Kết luận 122

6.2 Hướng phát triển 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

PHU LỤC 126

viii

Hình Trang

Hình 2.1: Một hệ thống chơi nhạc số hiện đại 8

Hình 2.2: Đồ thị dao động của âm "A" 11

Hình 2.3: Các thiết bị cần cho quá trình thu âm 13

Hình 2.4: Tín hiệu âm thanh Mono 15

Hình 2.5: Âm thanh Stereo 15

Hình 2.6: Hệ thống loa 5.1 16

Hình 2.7: Tiến trình lượng tử hoá 22

Hình 2.8: PCM 23

Hình 2.9: biểu đồ dạng sóng PCM 24

Hình 2.10: So sánh DSD với PCM 27

Hình 2.11: Cấu trúc hệ điều hành Volumio 32

Hình 2.12: Một thiết bị Music server hãng Nativ 35

Hình 2.13: Một danh sách nhạc trên Music server 36

Hình 2.14: Hệ thống có sử dụng Music server 37

Hình 2.15: Thùng loa toàn dải 38

Hình 2.16: Kích thước đóng thùng sẽ được tính toán theo công thức 2.4 39

Hình 2.17: Loa Treble 40

Hình 2.18: Loa Mid 41

Hình 2.19: Loa Bass 42

Hình 2.20: Loa toàn dải 43

Hình 2.21: Mặt trước của board Raspberry Pi3 Model B 45

Hình 2.22: Sơ đồ thành phần chính của Raspberry Pi3 Model B 47

Hình 2.23: Sơ đồ chân GPIO Raspberry Pi3 48

Hình 2.24: Module DAC Pifi 49

Hình 2.25: LCD 16x2 50

Hình 2.26: Module I2C 51

Hình 2.27: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode) 52

Hình 2.28: Hoạt động của SDA, SCL khi truyền nhận dữ liệu 52

Hình 2.29: Module Arduino Uno 54

Hình 2.30: Phần mềm biên dịch Arduino IDE 55

Hình 2.31: Chip PT2315 56

Hình 2.32: Sơ đồ chân IC PT2315 57

Hình 2.33: Cảm biến chạm TTP223 58

Hình 2.34: IC khuếch đại KIA6210 59

Hình 2.35: Sơ đồ cấu tạo và kết nối của IC KIA6210 60

Hình 2.36: Loa toàn dải và loa treble 61

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 63

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối hệ thống 65

Hình 3.3: Vị trí chân kết nối giữa Raspberry Pi3 và DAC Pifi 67

Hình 3.4: Sau khi đã kết nối DAC Pifi với Raspberry Pi3 68

Hình 3.5: Sơ đồ khối module tiền khuếch đại 68

Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bộ tiền khuếch đại 69

Hình 3.7: Hình mặt trước của Arduino Uno R3 71

Hình 3.8: Hình mặt sau của Arduino Uno R3 71

Hình 3.9: Hình chỉ ra 2 chân giao tiếp I2C theo thư viện Wire.h 72

Hình 3.10: Hình mặt trước (trái) và mặt sau (phải) của module TTP223 72

Hình 3.11: Kết nối của khối nút nhấn với khối xử lý trung tâm 73

Hình 3.12: Mạch PT2315 74

Hình 3.13: 2 chân giao tiếp I2C của mạch PT2315 với vi điều khiển 74

Hình 3.14: Module I2C 77

Hình 3.15: Cách kết nối module I2C với lcd và board Arduino Uno R3 79

Hình 3.16: Cấu trúc bên trong của chip KIA6210 81

Hình 3.17: Đồ thị của độ khuếch đại 82

Hình 3.18: Đồ thị công suất ngõ ra của chip KIA6210 82

Hình 3.19: Nguồn cho Raspberry Pi3 83

Hình 3.20: Adapter 5VDC 2A 84

Hình 3.21: Biến áp xuyến 10VAC 5A 85

Hình 3.22: Loa toàn dải 12cm 86

Hình 3.23: Đáp tuyến tần số của loa toàn dải 12cm 86

Hình 3.24: Thiết kế thùng loa ma trận (Horn) 87

Hình 3.25: Loa Treble 5cm 88

Hình 3.26: Đáp tuyến tần số loa Treble 5cm 88

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 13VDC 89

Hình 4.2: Sơ đồ đi dây PCB mạch nguồn 13VDC 90

Hình 4.3: Mặt trước và mặt sau của module nguồn 13VDC 90

x

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại 91

Hình 4.5: Sơ đồ đi dây PCB mạch tiền khuếch đại 92

Hình 4.6: Mặt trên và dưới của module tiền khuếch đại 92

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch KIA6210 93

Hình 4.8: Sơ đồ đi dây PCB mạch KIA6210 93

Hình 4.9: Mạch in trước và sau khi thi công mạch KIA6210 94

Hình 4.10: Kết nối biến áp xuyến với mạch nguồn 13VDC 94

Hình 4.11: Kết nối module nút nhấn, LCD với mạch tiền khuếch đại 95

Hình 4.12: Cố định module LCD, nút nhấn cảm ứng lên mặt trước khung 95

Hình 4.13: Khoan, cố định các module lên giá đỡ và kết nối hệ thống 96

Hình 4.14: Cố định ổ cắm EMI, Jack bắp chuối cắm loa ở mặt sau khung 96

Hình 4.15: Kết nối loa bằng jack bắp chuối , kết nối ổ cứng chứa nhạc bằng cổng USB phía sau thiết bị 97

Hình 4.16: Hoàn thiện thành phẩm 97

Hình 4.17: Lưu đồ chương trình chính 98

Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn mode 99

Hình 4.19: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn up 100

Hình 4.20: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn down 102

Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con tăng biến volume hoặc treble hoặc bass 1 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x40 104

Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tăng biến volume hoặc treble hoặc bass 3 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x40 104

Hình 4.23: Lưu đồ chương trình con giảm biến volume hoặc treble hoặc bass 1 đơn vị hoặc loudlessFunction=0x44 106

Hình 4.24: Lưu đồ chương trình con giảm biến volume hoặc treble hoặc bass 3 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x44 106

Hình 4.25: Lưu đồ chương trình con giới hạn giá trị biến volume, treble, bass 108

Hình 4.26: Lưu đồ chương trình con truyền dữ liệu tới chip PT2315 109

Hình 4.27: Giao diện phần mềm Arduino IDE 110

Hình 4.28: Mô tả các lệnh của Arduino IDE 111

Hình 4.29: Vùng thông báo của Arduino IDE 112

Hình 4.30: Chọn đúng loại board Arduino Uno để nạp code 112

Hình 4.31: Chọn cổng kết nối với board Arduino Uno R3 113

Hình 4.32: Gõ lệnh mở cổng giao tiếp giữa máy tính với board Arduino Uno 113

Hình 4.33: Nhập mật khẩu để mở cổng kết nối bằng quyền admin 113

Hình 4.34: Mở cổng kết nối thành công 115

Hình 4.35: Bật công tắc ở mặt phía trước 115

Hình 4.36: Giao diện Volumio 116

Hình 4.37: Giao diện thư viện nhạc 117

Hình 4.38: Chế độ điều khiển Volume 117

Hình 4.39: Chế độ điều khiển Treble 118

Hình 4.40: Chế độ điều khiển Bass 118

Hình 4.41: Chế độ điều khiển Loudness 119

Bảng Trang

Bảng 2.1: Các kiểu mã thường dùng 33

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của Rasberry Pi3 Model B 45

Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật của Arduino 54

Bảng 2.4: Bảng chức năng mỗi chân trong PT2315 57

Bảng 2.5: Giá trị cực đại của IC KIA6210 60

Bảng 3.1: Cách chọn trạng thái cho ngõ ra nút nhấn cảm ứng 73

Bảng 3.2: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh VOLUME 76

Bảng 3.3: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh TREBLE, BASS 76

Bảng 3.4: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh LOUDNESS 77

Bảng 3.5: Bảng giá trị địa chỉ tùy chọn của Module I2C………78

Bảng 3.6: Thông số về điện áp của chip KIA6210 80

TÓM TẮT

Đề tài này tạo ra một hệ thống Hi-end audio được sử dụng để chơi những bản nhạc số chất lượng cao trong thời đại công nghệ số hóa và tốc độ đọc ghi những bản nhạc ngày càng hiện đại Loại dữ liệu nhạc chất lượng cao yêu cầu phải có một phần cứng đáp ứng được dải tần số và phát huy hết khả năng của nó Đề tài hướng đến xu hướng chơi nhạc số dần thay thế những CD, SACD,cassette, băng cối, đĩa than vì tính tiện dụng, dễ lưu trữ, không bị hư hỏng theo thời gian và đặc biệt là chất lượng có thể cao hơn nhiều so với CD và tiệm cận Analog

Nhóm nghiên cứu sử dụng raspberry làm máy tính để chạy hệ điều hành cho music server và tích hợp một bộ DAC Pcm để giải mã nhạc số Phần preamp nhóm nghiên cứu và chế tạo bộ điều chỉnh âm sắc theo ý thích của chủ nhân thiết bị được điều khiển bởi Aduino, nút nhấn cảm ứng sẽ làm nhiệm vụ thay cho các volume cơ truyền thống và sẽ tránh hư hỏng do cơ cấu xoay cơ học Thiết bị có trang bị một màn hình LCD để hiển thị các thông số khi điều chỉnh cho người sử dụng Quan trọng nhất là bộ khuếch đại, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chipamp KIA6210 để làm nhiệm vụ khuếch đại và đưa tín hiệu sóng âm ra loa( một trong những con chip hay trong phân khúc công xuất nhỏ)

Điểm nổi bật của hệ thống là sự tiện lợi: tất cả đều được tích hợp trong 1 thiết

bị duy nhất nhỏ gọn hơn rất nhiều so với một dàn âm thanh truyền thống, dễ dàng kết nối loa với thiết bị không cồng kềnh, linh kiện của thiết bị cũng là linh kiện chất lượng cao và chất âm khi sử dụng thiết bị rất chi tiết chân thực, dễ dàng điều khiển thiết bị bằng bất cứ chiếc điện thoại smartphone nào cũng mạng Wifi Giá thành của thiết bị cũng rất rẻ so với các sản phẩm do một hãng sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay việc sử dụng các thiết bị gọi là thông minh ngày càng phổ biến trong cuộc sống ngày tạo nên sự hiện đại của thời đại 4.0 Các sản phẩm trở nên thông minh (Công nghệ số) như nhà thông minh, xe thông minh, khóa thông minh, cho ra đời một xã hội hiện đại hóa đa dụng và tiện lợi Đặc biệt tất cả đều được đồng bộ hóa với nhau và có thể điều khiển tất cả chỉ cần 1 chiếc smartphone, 1 chiếc máy tính bảng,

1 chiếc laptop trong một mạng nội bộ Tất cả các ví dụ kể trên tạo nên một xu hướng mới gọi tắt là IOT (Internet Of Things)

Trong lĩnh vực điện thanh nói riêng và đa số người nghe nhạc chất lượng cao (Audiophile) có rất nhiều trường phái, thường họ sở hữu cho mình 1 bộ dàn âm thanh

có các thiết bị để phục vụ nhu cầu nghe nhạc của họ, và những thiết bị không thể thiếu là thiết bị phát tín hiệu, thiết bị xử lý tín hiệu, thiết bị khuếch đại âm thanh Đa

số người nghe nhạc ngày nay đều sử dụng CD vì độ phổ biến và chất lượng của nó Giá thành của một chiếc CD hiện giờ khá cao và việc lưu trữ, tìm kiếm ra nội dung

CD cần tìm rất mất thời gian Nắm bắt được nhu cầu đó trong thị trường Audio, các sản phẩm cũng dần số hóa theo khi các hãng Audio lớn như DENON, ONKIO, BOSE, JBL, KENWOOD,…cũng cho ra đời các sản phẩm chuyên nghe nhạc số chất lượng cao tích hợp (music server) thông qua các thiết bị lưu trữ bên ngoài như ổ cứng, usb, hoặc nghe nhạc trực tuyến (Stream) như Youtube, Spotify với các ứng dụng trên điện thoại do hãng cung cấp để điều khiển thiết bị rất tiện lợi và đơn giản Tuy nhiên giá thành cho bộ sản phẩm đó rất cao, ngoài ra người dùng còn phải mua ứng dụng do hãng cung cấp trên Appstore(IOS) hoặc CH play(Android) để sử dụng được sản phẩm

đó Từ chính các nhu cầu số hóa hiện nay trong lĩnh vực Audio, nhóm đã đưa ra đề

tài “Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end Audio kĩ thuật số” để tiến hành nghiên

cứu và thực hiện

Để đảm bảo việc thi công mạch theo như ý tưởng, chuẩn xác và không xảy ra

sự cố bắt buộc ta phải tính toán và thiết kế Nên nhóm đề ra mục tiêu chính là thi công

được hệ thống nghe nhạc số chất lượng cao có bộ tiền khuếch đại (Preamlifier) để người dùng có thể điều chỉnh tần số hợp với sở thích Tính toán, thiết kế từng khối của hệ thống như: khối nguồn, khối phát tín hiệu, khối tiền khuếch đại số, khối khuếch đại, khối nút nhấn cảm ứng, khối hiển thị

- Tìm hiểu thông tin linh kiện sản phẩm, thông số kỹ thuật

- Kết nối module pifi DAC, ổ cứng vào Raspberry pi3

- Kết nối các module xử lý âm thanh, nút nhấn, lcd vào Arduino

- Kết nối các dây tín hiệu vào khối khuếch đại

- Kết nối từ thiết bị ra loa

1.3.2 Tiến hành xử lý ban đầu

- Thực hiện nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý, PCBA cho hệ thống

- Tìm hiểu mua các loại linh kiện chất lượng cao phù hợp với hệ thống

- Tiến hành demo cắm test board các module trong mạch tiền khuếch đại

- Lập trình điều khiển chip xử lý âm thanh PT2315 bằng Arduino

1.3.3 Tiến hành thiết kế

- Thiết kế, vẽ PCB và đặt mạch in 2 lớp cho pcb KIA6210

- Thiết kế mạch khuếch đại, mạch nguồn tuyến tính

- Thiết kế PCB cho mạch tiền khuếch đại

- Thiết kế vỏ, cắt cnc vỏ bằng mica đen

- Thiết kế thùng ma trận cho loa nỉ 12cm

1.3.4 Thi công, kết nối các thiết bị

- Thi công các mạch in đã thiết kế

- Tiến hành kết nối toàn bộ hệ thống, test chạy thử trên tất cả các board mạch

module, test mạch bằng tai nghe

- Khử nhiễu nguồn vào bằng module EMI

- Khử nhiễu cách ly cho chip PT2315

- Đóng thùng loa ma trận theo thiết kế cho loa 12cm

- Kết nối loa vào hệ thống, nghe thử, cân chỉnh lần cuối

1.3.5 Hoàn thiện sản phẩm

- Tiến hành sắp xếp, đi dây cho toàn hệ thống, kiểm tra

- Lấy kết quả so sánh với tính toán lý thuyết, demo dạng sóng

- Nhận xét nêu ưu nhược điểm của hệ thống

- Nêu hướng phát triển

1.3.6 Viết báo cáo

- Thu thập kết quả viết đề cương báo cáo

- Viết báo cáo

- Chỉnh sửa, kiểm tra lần cuối trước khi nôp quyển báo cáo

- Tiến hành báo cáo

1.4 GIỚI HẠN

- Công suất nhỏ, phù hợp phòng khoảng từ 15-20 m2

- Chỉ thích hợp với loa nhỏ và độ nhạy cao

- Không có các thiết bị chuyên dụng về lọc nhiễu như biến áp cách ly

- Không có phòng nghe chuẩn, đầy đủ tán âm, tiêu âm

1.5 BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng quan

Đặt vấn đề liên quan đến đề tài, tìm hiểu những lý do và sự cần thiết để thực hiện đề tài, mục tiêu hoàn thành, giới hạn cũng như những bước đi từ cơ bản đến cụ thể mà nhóm sẽ thực hiện trong quá trình nghiên cứu đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các kiến thức lý thuyết về Raspberry Pi 3, module DAC Pifi, Arduino, màn hình lcd 16x2, module cảm biến chạm TTP223, module Audio processor PT2315, chuẩn truyền I2S, I2C, kiến thức cơ bản về điện thanh, sóng âm thanh, nhạc số, hệ điều hành Volumio, kiến thức về hệ thống nghe nhạc số, kiến thức thiết kế amply, kiến thức về loa và thùng loa sẽ được áp dụng trong đề tài

 Chương 3: Tính toán và Thiết kế

Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thiết kế cho từng khối

 Chương 4: Thi công hệ thống

Thi công mạch nguồn, mạch khuếch đại công suất KIA6210

Cài đặt hệ thống Volumio trên raspberry, cấu hình các thông số như network, driver DAC, sắp xếp nhạc số trên ổ cứng

Thi công module tiền khuếch đại theo thiết kế Lập trình điều khiển cho module tiền khuếch đại Kiểm tra, chạy thử nghiệm và tinh chỉnh lỗi

 Chương 5: Kết quả, Nhận xét và Đánh giá

Trình bày kết quả đã đạt được và đưa ra những bàn luận về sản phẩm

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ THUẬT SỐ 2.1.1 Giới thiệu chung

AUDIO là một lĩnh vực không thể thiếu trong cuộc sống và có lịch sử phát triển rất lâu đời Chiếc máy hát đĩa than là chiếc máy có thể coi là phát minh đầu tiên

và cũng lâu đời nhất tính thời điểm hiện tại khi được sản xuất lần đầu cách đây khoảng

200 năm Lịch sử của việc ghi âm bắt đầu hình thành từ năm 1796 khi Antoine Favre, một thợ sản xuất đồng hồ đã trình bày ý tưởng của anh về một thiết bị mà ngày nay chúng ta biết đến với tên gọi máy hát có ống quay hình trụ, hay còn gọi là “Musical box” Đó chỉ là một dụng cụ chơi nhạc tự động, có thể chơi các giai điệu định sẵn theo ý muốn nhưng không thể thu bất cứ âm thanh nào Vì thế, để có thể tái hiện các tín hiệu âm thanh trong cuộc sống, trước hết người ta cần phải phát minh ra một thiết

bị có thể ghi lại các âm thanh đó Năm 1887, Emile Berliner, người Mỹ, đã phát minh

ra một thiết bị có thể ghi lại các rung động của âm thanh trên đĩa kẽm thay vì trên các ống quay hình trụ Thiết bị được gọi là máy thu âm Thiết bị tạo ra các đường rãnh trên mặt phẳng của đĩa Âm thanh thay sẽ được ghi lại qua các đường rãnh hình xoáy

ốc có độ sâu không đổi trên một đĩa phẳng Berliner gọi loại đĩa này là đĩa ghi âm Các đĩa thu âm thời kỳ đầu và ống quay hình trụ có khả năng tạo ra âm thanh với chất lượng tương tự nhau, mặc dù về mặt lý thuyết, các ống quay hình trụ của Edison có thời lượng ghi/phát từ 2 hoặc 4 phút, thu với tốc độ 160 vòng/phút Còn đĩa của Berliner chạy với tốc độ 60 vòng/phút trong thời gian 2 phút Từ đó đĩa than và máy hát đĩa than ra đời đánh dấu chặn đường đầu tiên trong lịch sử ngành Audio

Mãi đến những 1900s sự ra đời một công nghệ mới đó là đèn điện tử, đánh dấu bước chuyển mình mạnh mẽ của ngành công nghiệp Audio khi dần loại bỏ tất cả các bộ phận cơ của mâm đĩa than chuyển dần sang chạy điện Bước chuyển này khi đèn điện tử cũng được nghiên cứu và cho ra âm thanh trung thực như máy máy đĩa

cơ khi sử dụng các cực cathode anode của đèn để khuếch đại tín hiệu sóng âm từ mâm đĩa than.Phải chờ đến những năm 20 của thế kỷ trước, những chiếc ampli đèn đầu

tiên mới được bán trên thị trường Chúng tuy thiết kế rất đơn giản song đảm nhiệm chức năng khuyếch đại tín hiệu rất thành công Tất cả các sơ đồ thiết kế chỉ sử dụng một loại đèn duy nhất được sản xuất thời bấy giờ, đó là đèn 3 cực đốt trực tiếp (direct heating triode) và chỉ chạy duy nhất ở class A Khi ấy, người chơi phải dùng ampli đèn một cách rất cẩn thận vì đèn còn hiếm và giá đèn rất cao Các ampli cổ đa phần

sử dụng biến áp nối tầng (interstage transfomer) để hiệu suất hoạt động của đèn đạt được mức cao nhất Thời đó tầng công suất không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải có biến áp bởi vì một số loa cổ có trở kháng rất cao (hơn 2.000 ohm, trong khi ngày nay,

đa số đều từ 4-8 ohm) và các loa đời cổ có thể nối trực tiếp với anode của đèn qua một tụ đầu to khổng lồ Các chuẩn âm thanh bây giờ là mono chủ yếu và ampli đèn điện tử chỉ chạy theo kiểu monoblock Và sau này có một kiểu cho stereo là single end

Stereo ra đời đánh dấu chuẩn âm thanh mới sống động và chân thật hơn Khi các hãng thu âm bắt đầu cho ra những bản ghi stereo đầu tiên và dần thương mại hoá các sản phẩm audio của mình một cách mạnh mẽ Năm 1935 đánh dấu sự ra đời của băng cối và công nghẹ ghi âm HIFI và đến tận năm 1955 thì công nghệ ghi âm stereo mới ra đời, cũng với đó các đầu chạy băng như AKAI, REVOX cũng chiếm thị trường Audio khi băng cối có thể xoá và chép lại một cách dễ dàng chứ không như mâm than Và một phiên bản của băng từ đó là cassette khi công ty Royal Philips công bố sang chế và thương mại hoá sáng chế của mình với ưu điểm nhỏ gọn và âm thanh vẫn trung thực như băng cối

Năm 1960, các ampli bán dẫn phát triển và thay thế dần ampli bóng đèn bởi hiệu suất sử dụng có thể đạt 70% trong khi ampli bóng đèn chỉ đạt 10-15% khi dung cùng một mức độ điện áp và cường độ dòng điện Âm thanh của ampli bán dẫn cũng rất chân thực nhưng không bằng ampli bóng đèn Chỉ so sánh được độ trung thực khi

sử dụng ampli Class A nhưng hiệu suất cũng không cao hơn ampli bóng đèn Đến năm 1990 thì ampli Class D ra đời với sự thuận tiện như công suất lớn, hiệu suất đạt 80% công suất khuếch đại nhưng lại bị đánh giá về âm thanh khá thô và không trung thực Trong những năm này thì công nghệ số hoá các tín hiệu âm thanh ngày càng phát triển mạnh khi những chiếc CD, MD, SACD thay thế các băng từ, đĩa than, tín hiệu được mã hoá theo nhị phân và rất dễ lưu trữ Các khái niệm dữ liệu số cũng dần hình thành trong thời gian này

Những năm 2000s cho đến nay đánh dấu sự ra đời và phát triển mạnh mẽ khi các file nhạc master trên CD, SACD được nén lại và cho ra các dạng nhạc số với chất lượng từ thấp (m4a, mp3) đến cao (flac, wav, DSD) Khi công nghệ đọc ghi ngày càng nhanh, bộ chuyển đổi ADC càng chi tiết thì việc sản xuất các file nhạc số chất lượng cao và có thể tiệm cận với nhạc analog sẽ trở thành hiện thực vì tính lưu trữ, tiện dụng là chất lượng không thua kém gì so với nhạc analog từ đĩa than hay băng cối cả Các thiết bị cũng dần trở nên hiện đại hơn khi các thiết bị giải mã âm nhạc số (DAC) chất lượng cao và có thể giải mã và đáp ứng được dải tần số cho tín hiệu khuếch đại trung thực nhất có thể.[29]

Trong những năm gần đây, công nghệ số ngày càng mạnh mẽ và ứng dụng tích hợp với mạng nội bộ Wifi để điều khiển thiết bị ngày một trở nên phổ biến trong tất cả các lĩnh vực liên quan đến điện tử, tự động hóa Lĩnh vực Audio cũng tích hợp thành công được các sản phẩm có thể điều khiển qua Wifi, bluetooth Mạnh mẽ nhất

khi một sản phẩm được ra đời trong 2 năm trở lại đây có tên gọi là Music server

Thiết bị này ngày càng phổ biến trong giới nghe nhạc số chỉ trong một thời gian ngắn xuất hiện trên thị trường Có hàng ngàn lợi ích mà Music Server sắp, sẽ và đang mang lại cho người chơi nhạc Nhưng điểm nổi bật nhất của Music Server đem lại đó là tính tiện dụng, đơn giản và quản lý tập chung Thiết bị có khả năng điều khiển thông qua điện thoại di động, máy tính bảng, laptop Vì vậy, Music Server là một kho nhạc được kết nối với mạng nội bộ gia đình (không cần internet) giúp người chơi nhạc số có thể play, stop, next bài chỉ với 1 chiếc điện thoại trên tay Music Server còn giúp người yêu nhạc quản lý hàng ngàn Album yêu thích sắp xếp theo tên ca sỹ, tên album, thể loại nhạc, nhạc sỹ điều mà việc quản lý truyền thốnglà không thể Hình 2.1 là ví

dụ về một hệ thống có sử dụng Music server

Hình 2.1 Một hệ thống nhạc số hiện đại

Sơ đồ này bao gồm các thành phần sau:

a Nguồn nhạc:

Thiết bị Music server cần có một nguồn nhạc từ bên ngoài để quản lý, xử lý

và điều khiển tín hiệu ngõ ra Nguồn nhạc được sử dụng trong hệ thống là các file nhạc số có chất lượng từ thấp đến cao (mp3 đến DSD) đều được sử dụng được trong

hệ thống Các file nhạc có thể được lưu trữ trong ổ cứng và kết nối với thiết bị Music server để thiết bị đọc file Ổ cứng NAS cũng có thể sử dụng làm nguồn nhạc Một ưu điểm là chúng ta có thể truyền tín hiệu thông qua các chuẩn như chrome cast, airplay hoặc bluetooth Chúng ta cũng có thể streme nhạc từ các nguồn nhạc số online như spotify, tidal, youtube bởi khả năng đa dụng là dễ dàng sử dụng

b Music server:

Thiết bị này là một chiếc máy tính nhúng có hệ điều hành dùng để chơi nhạc

số do hãng cung cấp và chức năng không khác giừ một chiếc máy tính để bàn hay laptop với đầy đủ chip vi xử lý, Ram, bộ nhớ trong và các tác vụ chỉ chuyên để xử

lý nhạc số Thiết bị này sẽ nhận file nhạc số từ nguồn nhạc và cho phép người dùng truy xuất dữ liệu nhạc từ ổ cứng thông qua một mạng nội bộ Người dùng có thể sắp xếp, tìm kiếm, tạo danh mục yêu thích và nghe nhạc một cách thuận tiện nhất có thể Thiết bị có thể kết hợp với DAC để giải mã nhạc số và xuất tín hiệu đã chuyển đổi qua bộ khuếch đại công suất

c Bộ khuếch đại công suất( Amplifier ):

Đầu vào của thiết bị nhận tín hiệu từ Music server là dạng tín hiệu được chuyển đổi từ dạng số sang tương tự (sóng sin) Tùy vào chất lượng file nhạc, khả năng giải mã và độ đáp ứng tần số của bộ khuếch đại, tín hiệu sau khi giải mã sẽ đạt được độ chân thực của những bản ghi master trong phòng thu Từ đó sẽ xuất tín hiệu

âm thanh ra loa

d Loa

Loa là thiết bị quan trọng nhất trong dàn âm thanh, loa làm nhiệm vụ phát ra

âm thanh, khâu cuối cùng trong việc truyền tín hiệu trong hệ thống Việc cảm nhận

và đánh giá một hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị này

2.1.2 Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực AUDIO:

a Lý thuyết về âm thanh

Âm thanh là hiện tượng vật thể rung động phát ra tiếng và lan truyền đi trong không khí Tai của chúng ta nghe được âm thanh là nhờ màng nhĩ Màng nhĩ nối liền với hệ thống thần kinh Quá trình thu nhận âm thanh diễn ra như sau: làn sóng âm thanh từ vật thể rung động phát ra, được lan truyền đi trong không gian tới tai ta, làm rung màng nhĩ theo đúng nhịp điệu rung động của vật thể đã phát ra tiếng Nhờ đó

mà ta nghe được âm thanh Còn không khí chính là môi trường truyền dẫn âm thanh

Phân loại âm thanh:

+ Nhạc âm là những âm có tần số xác định Âm thanh do các nhạc cụ phát ra,

tiếng nói, tiếng hát của con người là các nhạc âm

+ Tạp âm là những âm không có tần số xác định

+ Âm nghe được có tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz và gây ra cảm giác âm ở

tai người

Tai ta không phải luôn luôn nghe được tất cả các âm từ 16 Hz đến 20000 Hz

mà còn phụ thuộc vào đặc tính cấu tạo sinh lý của tai (như màng nhỉ, ) nên khả năng nhận được cảm giác âm của những người khác nhau có thể khác nhau Đoạn video sau đây phát ra âm có tần số tăng liên tục từ 20 Hz đến 20000 Hz

+ Hạ âm là những âm có tần số nhỏ hơn 16 Hz, tai người không nghe được

+ Siêu âm là những âm có tần số lớn hơn 20000 Hz, tai người không nghe

được

Quá trình truyền âm cũng là quá trình làm lan truyền dao động âm Truyền âm

là quá trình di chuyển sóng âmnên tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất của môi trường (bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ, ) Nói chung tốc độ âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: vrắn > vlỏng> vkhí

Khi sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số (và do đó chu kỳ) của sóng không đổi Trong mỗi môi trường đồng tính thì âm truyền đi với tốc độ không đổi

Bên cạnh đó, có một số chất truyền dẫn âm rất kém Ví dụ như các chất mềm, xốp như bông dạ hay cỏ khô…Các chất này còn có tên gọi là chất hút âm Các chất này thường được làm vật liệu để lót tường nhằm cách âm ở các rạp hát, các phòng hát karaoke, phòng cách âm… để hút ẩm, giảm tiếng vang của âm thanh

Vận tốc truyền lan của âm thanh phụ thuộc vào môi trường truyền âm Trong hành trình truyền lan, nếu gặp phải các chướng ngại vật như tường, núi đá, hàng cây… thì phần lớn năng lượng của âm thanh sẽ bị phản xạ trở lại, một phần nhỏ tiếp tục truyền về phía trước Phần bị phản xạ lại biến thành nhiệt năng tiêu tán đi

Các đặc trưng vật lý của âm

+ Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm Âm trầm có tần số nhỏ, âm

cao có tần số lớn

+ Độ lớn âm thanh (I) tại một điểm là đại lượng đo bằng lượng năng lượng

mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền

âm trong một đơn vị thời gian

Xét một âm truyền qua một diện tích S (có dạng hình học đối xứng) theo phương vuông góc với diện tích S Gọi W là lượng năng lượng mà sóng âm này tải qua S trong t giây thì cường độ âm tại tâm đối xứng của S là

(2.1) Trong đó I là cường độ âm tại điểm đang xét, đơn vị là oát trên mét vuông (W/m2)

Nếu có một nguồn âm kích thước nhỏ (gọi là nguồn điểm) phát ra sóng âm đồng đều theo mọi hướng Gọi P là công suất của nguồn âm và giả sử biên độ sóng

âm không đổi khi truyền đi thì tại điểm M cách nguồn âm này đoạn d có cường độ

âm là

(2.2)

+ Mức cường độ âm L là đại lượng đo bằng lôgarit thập phân của tỉ số giữa cường

độ âm đang xét và cường độ âm chuẩn Io

Cường độ âm chuẩn Io được lấy bằng 10 - 12 W/m2

(2.3) Trong đó L là mức cường độ âm tại điểm đang xét, đơn vị là ben (B) Người ta thường dùng ước đơn vị của B là đề xi ben (dB) : 1 B = 10 dB

+ Đồ thị dao động âm và phổ của âm

Giả sử ta dùng một micro để ghi lại một âm Tín hiệu điện do micro này tạo

ra cho ta hình ảnh của đồ thị của dao động âm đang xét

Hình 2.2 Đồ thị dao động của âm "A"

Âm cơ bản và họa âm

Khi một sợi dây đàn ghi ta rung thì nó phát ra âm do trên dây có xảy ra hiện tượng sóng dừng

Nếu dây rung với một bó sóng thì dây phát ra âm có tần số thấp nhất (tần số

fmin đã biết trong bài sóng dừng) Ta hãy gọi tần số này là tần số fo và gọi là âm cơ bản (còn gọi là họa âm thứ 1)

Khảo sát thực nghiệm cho thấy dây này còn phát ra các âm có tần số 2fo, 3fo, 4fo gọi là họa âm thứ 2, họa âm thứ 3, họa âm thứ 4, Các họa âm có biên độ khác nhau khiến đồ thị dao động âm của các nhạc cụ khi phát ra cùng một nốt nhạc cũng khác nhau Sự khác nhau này phân biệt được bởi âm sắc của chúng

Các đặc trưng sinh lý của âm

+ Độ cao của âm gắn liền với tần số âm Âm trầm có tần số nhỏ, âm cao có

tần số lớn

Chú ý: Không thể nói: Âm có tần số 800 Hz cao gấp đôi âm có tần số 400

Hz (Mời bạn nghe lại các âm ở đầu bài)

+ Độ lớn của âm gắn liền với mức cường độ âm (tức là cũng phụ thuộc

vào cường độ âm)

+ Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm hoặc phổ của âm

Hai nhạc cụ khác nhau phát ra cùng một nốt nhạc, cùng độ cao, cùng cường

độ sẽ chắc chắn khác nhau về âm sắc

b Tái tạo âm thanh trong lĩnh vực Audio

Trong lịch sử, khi chưa có điện và các thiết bị điện tử ,âm thanh được con người tái tạo bằng những nhạc cụ như đàn, sáo, kèn, trống, v.v để phục vụ cho mục đích thưởng thức âm nhạc Các nhạc cụ ngày xưa và cho đến bây giờ đều được chế tác theo các nguyên lý vật lý về âm thanh Ví dụ một cây đàn piano có 88 phím thì sẽ tương đương với mỗi khoảng tần số trong từ 16hz-20000hz, tạo nên các giai điệu trong âm thanh khi kết hợp lại với nhau Ngày nay, khi có các thiết bị điện tử tân tiến, con người sẽ sử dụng các thiết bị âm thanh vào 2 mục đích phổ biến nhất đó là ghi

âm hoặc phát lại âm thanh

+ Quá trình ghi âm

Để chuẩn bị cho quá trình ghi âm, cần có nguồn âm, thiết bị chuyển tải, xử

lý, ghi tín hiệu và định dạng đích cho tín hiệu âm thanh cần ghi Trước đây thì chủ yếu người ta định dạng đích theo tín hiệu analog, ghi bằng cách tạo ra những rãnh (vật lý) trên đĩa nhựa Người ghi âm có thể điều khiển độ nông sâu của rãnh theo dạng sóng âm cần ghi, và trên đĩa sẽ có những rãnh mô phỏng dạng sóng âm Ngoài

ra thì còn có thể ghi trên các băng từ, mở bằng máy cassette

Nhưng ngày nay thì công nghệ phát triển hơn rất nhiều, người ta sẽ dùng các loại tín hiệu số (tín hiệu digital) để thay thế cho các dạng tín hiệu analog Điều này

có thể hiểu như là mỗi tần số âm thanh tương tự được mã hóa thành một dãy số và ghi vào đĩa CD Nhưng để mã hóa được toàn bộ dải sóng âm thanh liên tục thì số

lượng ký tự cần dùng không có giới hạn.Vì vậy, người ta không mã hóa và ghi lại toàn dải sóng âm, mà chỉ ghi các giá trị tương tự, cách đều, đủ gần trên trục thời gian Các điểm tín hiệu âm thanh tương tự được mã hóa và ghi lại gọi là điểm trích mẫu Thiết bị mã hóa chuỗi tín hiệu âm thanh tương tự thành dãy số được gọi là Analog to Digital Converter (ADC)

Để hiểu rõ hơn về các thiết bị cần có để tạo thành phòng thu âm gia đình, các bạn có thể tham khảo bài viết: Các thiết bị tạo nên phòng thu âm gia đình

Hình 2.3 Các thiết bị cần cho quá trình thu âm

Quá trình tái tạo âm thanh

Trong quá trình tái tạo âm thanh ở các thiết bị trước đây, ví dụ như máy hát

cổ, chỉ cần có một màng rung gắn một chiếc kim lướt tỳ nhẹ vào các rãnh âm có trên đĩa nhựa, màng rung sẽ sẽ rung theo độ nông sâu của rãnh Đối với băng từ thì cuộn dây bên trong băng từ sẽ được kéo chạy qua khe hẹp của lõi sắt từ (đầu từ) khi

đó trên cuộn dây sẽ xuất hiện sức điện động theo dạng tín hiệu được ghi trên băng

từ Và khi đó cả máy hát cổ lẫn băng từ chỉ cần có thêm một thiết bị khuếch đại các tín hiệu âm thanh này thì người nghe có thể thưởng thức âm thanh phát ra từ loa

Còn với đĩa CD thì đầu đọc sẽ tải toàn bộ dữ liệu âm thanh kỹ thuật số vào một bộ nhớ tạm để có thể giải mã tuần tự từng dãy số (chứa thông tin mã hóa các

tín hiệu âm thanh tương tự) đạt tốc độ phù hợp Trong quy trình này, các chuỗi tín hiệu mã hóa từ CD vừa lưu vào bộ nhớ tạm được “đánh thức” bởi đầu đọc quang học và chuyển đến ngõ vào của thiết bị DAC.Tại ngõ ra của DAC xuất hiện tín hiệu

âm thanh tương tự vào thời điểm trích mẫu tương ứng lúc ghi Phần công việc còn lại cũng thuộc về bộ khuếch đại và các loa

Nguồn âm

 Nguồn âm thanh Mono (Monophonic)

Âm thanh Mono hay còn gọi là âm thanh đơn kênh (1 kênh), xuất phát từ một hướng Người nghe khi nghe các dàn âm thanh mono thường sẽ cảm nhận được âm thanh mình đang nghe được đều được phát ra từ một điểm trong không gian Dàn âm thanh theo kiểu mono nếu gồm 2 loa (hay 2 cột loa với nhiều loa chồng lên nhau) thì

âm thanh giống như được phát ra từ một điểm ở chính giữa 2 loa/cột loa

Hình 2.4 Tín hiệu âm thanh Mono

Một số ví dụ về âm thanh Mono:

- Âm thanh phát ra từ một người đang đứng nói chuyện trước mặt

- Một chú chim đứng yên hót trên cây

 Nguồn âm thanh Stereo

Stereo (âm thanh nổi) là phần giao thoa giữa các âm thanh được phát ra từ ít nhất hai hoặc nhiều nguồn khác nhau Và quan trọng hơn nữa là chúng được phát ra

từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái

Hình 2.5 Âm thanh Stereo

Ví dụ điển hình về âm thanh Stereo:

+ Một chú chim vừa bay vừa hót từ bên phải sang bên trái và thêm tiếng xe máy của một chiếc xe máy chạy theo hướng ngược lại

 Nguồn âm thanh đa kênh

Ngoài ra thì hiện nay các hệ thống âm thanh đa kênh cũng sử dụng để nghe nhạc rất hiệu quả, vì ngày nay các ban nhạc nổi tiếng trên thế giới cũng đã bắt đầu ghi âm các loại album của họ trên các hệ thống âm thanh đa kênh Và như thế khi

sử dụng dàn âm thanh stereo để nghe các bản nhạc này thì sẽ bỏ sót khá nhiều tín hiệu âm thanh

Hình 2.6 Hệ thống loa 5.1

Các hệ thống âm thanh đa kênh phổ biến hiện nay bao gồm: hệ thống 5.1, 7.1, 9.1… Các con số trước dấu chấm là số kênh độc lập của hệ thống, còn số sau dấu chấm sẽ là số lượng loa sub (loa siêu trầm) trong hệ thống âm thanh đó

2.1.3 Các chuẩn âm thanh trong Audio

a Âm thanh tương tự (Analog)

Âm thanh tương tự là tín hiệu âm thanh tương đồng với âm thanh bên ngoài Các tín hiệu âm thanh như nhạc cụ, tiếng hát ca sĩ sẽ không bị thay đổi về các âm sắc

và nét đặc trưng của từng tín hiệu Vậy âm thanh tương tự chính là các tín hiệu âm thanh liên tục và được biểu diễn bằng biểu đồ dạng sóng sin

Từ xa xưa các nhà vật lý đã mô phỏng các hiện tượng tự nhiên bằng những chuỗi thay đổi liên tục Đây chính là dòng âm thanh analog Ví dụ như tiếng người nói chuyện được mô phòng theo hình sin Hay âm thanh trong đĩa cơ học, phim nhựa quang học, băng cassette cũng được ghi lại bằng những chuỗi tín hiệu hình sin liên tục…

Dòng âm thanh này thường được dùng cho các hệ thống loa karaoke gia đình.Từ công nghệ analog này người ta sáng chế nên các phương tiện nghe nhìn như phim ảnh, băng nhạc, băng video, điện thoại viễn thông, phát thanh truyền hình…

Một hệ thống âm thanh tương tự sẽ sử dụng một bộ chuyển đổi chụp âm thanh

và chuyển đổi dạng sóng vật lý của âm thanh thành các thể hiện điện của những dạng sóng Những âm thanh này sẽ được lưu giữ trên băng hoặc truyền đi Để phát ra âm thanh quá trình này được đảo ngược, các tín hiệu âm thanh được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng sóng vật lý qua một loa Dù là sao chép, lưu giữ hay khuếch đại thì

âm thanh analog sẽ giữ lại đặc điểm giống dạng sóng cơ bản của nó và rấtnhạy cảm với tiếng ồn và biến dạng

Lịch sử âm thanh tương tự

Bản chất của âm thanh tự nhiên là các tín hiệu tương tự (analog) mang các giá trị điện áp biến thiên liên tục Những âm thanh này khi được nghe trực tiếp từ nguồn phát Nhưng con người muốn lưu giũ và chế biến nó theo ý mình do đó công nghệ analog ra đời

Năm 1796 được đánh dấu là năm bắt đầu của công nghệ âm thanh analog Lúc này một người thợ sản xuất đồng hồ có tên Antonine Favre trình bày ý tưởng về một dụng cụ chơi nhạc giống như máy hát Thiết bị này chỉ có thể phát mà không thể ghi lại âm thanh trong cuộc sống

Đến năm 1877, là năm ra đời chiếc máy ghi âm đầu tiên do Emile Berliner phát minh dựa trên những phát minh trước đó của Edison Và sau đó việc xử lý âm thanh không ngừng phát triển Lúc này việc xử lý âm thanh bao gồm việc thu, phát, truyền dẫn và lưu trữ âm thanh dưới dạng tương tự (analog) được ứng dụng phổ biến

Ưu nhược điểm của âm thanh analog

- Ưu điểm

 Chất lượng tín hiệu chuẩn do kỹ thuật lưu trữ ở dạng hình sin chuỗi thay đổi liên tục

 Âm thanh có độ phân giải cao, chất lượng âm thanh rất tốt

 Hệ thống máy móc tuy cồng kềnh nhưng lại đơn giản do đó giúp tiết kiệm được nhiều chi phí đầu tư máy móc

 Với những băng đĩa ghi âm analog thì có thể cắt nối được

 Analog chủ yếu để truyền tải thông tin đi xa Chúng ta có thể tìm thấy ứng dụng của công nghệ này trong tín hiệu truyền hình,vệ tinh,di động,cáp quang

- Nhược điểm

 Âm thanh analog thường lẫn nhiều tạp âm không cần thiết như tiếng gió…

 Bị giảm chất lượng và thường bị giới hạn số lần sao chép sang các thiết bị, khi sao chép nhiều lần sẽ ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh

 Tín hiệu âm thanh bị tác động bởi dao động và điện áp và bị biến dạng

 Khi ghi hình thường khá phức tạp bằng nhiều mức trong các băng từ tính như băng cassette hay băng video

 Trong phát thanh truyền hình công nghệ này phải xử lý tín hiệu ở nhiều mức gây nhiễu, nghẹt tiếng

Ngày nay các loại hình của âm thanh analog vẫn được lưu trữ và phát triển như đĩa than, băng cối, cassette và các thiết bị đọc chúng Vì tính mộc mạc, chân thật

và có tính chất cổ xưa nên giá trị của chúng khá cao so với một thiết bị phát và giải

mã số hiện giờ

b Âm thanh số (Digital)

Âm thanh số là công nghệ được sử dụng để ghi chép, lưu trữ, tạo ra, tái tạo âm thanh bằng cách sử dụng các tín hiệu âm thanh mà chúng đã được mã hóa dưới dạng

số cụ thể ở đây là số 0 và 1

Hệ thống âm thanh kỹ thuật số cho phép thao tác nén, lưu trữ, xử lý và truyền tải âm thanh dễ dàng, thuận lợi Tín hiệu này có thể ghi lại, chỉnh sửa và thay đổi sử

dụng Với âm thanh kỹ thuật số chúng ta có thể thực hiện nhiều bản sao mà không ảnh hưởng chất lượng

Lịch sử phát triển của âm thanh digital

Do những tiến bộ đáng kể trong khoa học kỹ thuật âm thanh digital xuất hiện

để khắc phục những nhược điểm của âm thanh analog Những năm 1970 nó được biết đến và dần trở nên phổ biến Trong nhiều lĩnh vực ghi âm và sản xuất âm thanh công nghệ digital được sử dụng nhiều tiêu biểu như việc in phát hành băng đĩa được thay bằng ghi âm kỹ thuật số Năm 1990 và 2000 âm thanh digital được dùng nhiều trong viễn thông

Công nghệ âm thanh kỹ thuật số được sử dụng vào việc ghi âm, sản xuất và phân phối âm nhạc phổ biến vào năm 2010 Từ đây việc phân phối các sản phẩm âm nhạc trở nên dễ dàng và rẻ hơn rất nhiều so với âm thanh analog Và cho đến nay âm thanh kỹ thuật nói riêng và công nghệ kỹ thuật số nói chung số đã trở nên phổ biến

và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực không chỉ âm nhạc giải trí

Ưu nhược điểm của âm thanh digital

- Ưu điểm

So với tín hiệu analog thì tín hiệu số có nhiều ưu điểm tiêu biểu như:

 Có thể lưu giữ và xử lý thông tin dễ dàng Khi đã ghi âm một bài hát chúng ta

có thể tiến hành sửa đổi, xử lý bất cứ lỗi nào để nó hay hơn, hợp với người nghe hơn

 Việc lưu trữ âm thanh đa dạng có thể trên đĩa Cd, máy nghe nhạc, ổ đĩa, usb hoặc một thiết bị lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số nào đó

 Người ta có thể nén âm thanh để làm giảm kích thước tập tin và có thể xem, nghe trực tiếp trên các thiết bị như điện thoại, máy tính…

 Việc sao chép thông tin dễ dàng không bị giới hạn số lần thao tác và không ảnh hưởng chất lượng âm thanh

 Nhờ việc lưu giữ dễ dàng gọn nhẹ nên việc phân phối âm thanh nói chung và

âm nhạc nói riêng dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn qua internet Trước đó người ta phân phối âm nhạc bằng cách bán các bản bản sao vật lý như băng đĩa…

 Âm thanh kỹ thuật số được giữ nguyên gốc

 Âm thanh digital đã được loại bỏ tất cả tạp âm

 Âm thanh digital không bị biến dạng

c Các định dạng nhạc số

Sự phát triển của công nghệ và thiết bị di động hiện nay đang từng bước biến nhạc số trở thành một loại hình lưu trữ tiện lợi không thể thiếu Chúng ta hãy cùng điểm sơ qua về các mốc phát triển của nhạc số và các định dạng của chúng

Các mốc ngoặt tiêu biểu

 Năm 1976: Tiến sĩ Stockham (Soundstream) ứng dụng bản ghi âm số 16-bit đầu tiên

 Năm 1981: Philips cho ra đời CD, IBM giới thiệu máy tính 16-bit

 Năm 1982: Sony giới thiệu bộ chuyển đổi PCM-F1 14-bit và 16-bit cho VCR, đồng thời cũng công bố đầu đọc CD đầu tiên Model CDP-101

 Năm 1983: Cáp quang lần đầu tiên được ừng dụng trong trung chuyển tín hiệu

âm thanh ở khoảng cách xa, từ New York đến Washington D.C

 Năm 1990: Dolby công bố giải pháp âm thanh vòm 5.1 cho rạp hát gia đình

 Năm 1996: kỹ thuật ghi âm 24-bit/96kHz ra đời

 Năm 1997: Đĩa DVD-Video hỗ trợ âm thanh 6 kênh ra đời

 Năm 1999: Sony và Philips bắt tay nghiên cứu định dạng DSD

Công nghệ PCM (Pulse code modulation)

PCM là một áp dụng trực tiếp chuyển đổi A/D

Giả sử biên độ của mỗi xung trong một hệ PAM thì được làm tròn đến một mức

có thể Giả sử, trước hết hàm thời gian gốc (Analog) được làm tròn cho dạng sóng hình bậc thang như hình 7.16 Kế đó, ta lấy mẫu hàm bậc thang và truyền các mẫu theo cách biến điệu biên độ xung (PAM) Sự làm tròn được hiểu như là sự lượng tử hoá, và nó sẽ gây ra một error (nhiễu lượng tử hoá) Đó là, sự xấp xỉ bậc thang thì không giống hệt hàm gốc và sự sai biệt giữa chúng là một error

Khả năng sửa error là lý do lớn nhất để lượng tử hoá tín hiệu Thí dụ, giả sử ta muốn truyền một tín hiệu đến một khoảng cách xa trên cáp đồng trục Nếu tín hiệu được truyền theo kiểu PAM thông thường nhiễu sẽ chen vào theo đường truyền và nhiễu cộng thêm vào mỗi mạch khuếch đại (cónhiều mạch khuếch đại cần đến trên đường truyền để chống lại sự suy giảm phát sinh trên đường truyền)

Nếu cũng tín hiệu đó, bây giờ ta truyền bằng cách dùng PAM lượng tử hoá Trong vài điều kiện, hầu hết error sẽ được sửa sai Nếu những repeater được đặt sao cho nhiễu chen vào giữa bất kỳ hai trạm thì nhỏ hơn một nữa của cở bước của bậc thang Mỗi repeater sẽ giữ hàm đến dạng bậc thang gốc trước khi khuếch đại và gửi đi

Sự lượng tử hoá làm tròn các mức dùng làm bậc thang giống tín hiệu mong muốn

Số mức xác định độ phân giải (Resolution) tín hiệu Đó là, một sự thay đổi nhỏ nào

trong mức tín hiệu cũng có thể được phân tích bằng cách nhìn phiên bản lượng tử hoá của tín hiệu

Nếu cần độ phân giải cao, số mức lượng tử hoá phải tăng Lúc ấy, khoảng cách giữa các mức giảm

Hình 2.7 Tiến trình lượng tử hoá

Trong một hệ thống PCM, tự vựng của các tín hiệu truyền chỉ chứa hai, 0 và

1 Các mức lượng tử hoá được mã hoá thành các số nhị phân Vậy, nếu có 8 mức lượng tử hoá, thì những trị được mã hoá thành các số nhị phân 3 bit Ba xung sẽ được cần để gửi mỗi trị lượng tử Mỗi xung biểu diễn hoặc 0 hoặc 1 Điều đó giống như

khái niệm của ADC Hình 7.17 biểu diễn s(t) và dạng sóng của PCM 2 bit và 3 bit

Hình 2.8 PCM

Một xung lên biểu diễn cho bit 1 và một xung Zero biểu diễn bit 0

Hoàn điệu BCM thì đơn giản là một DAC Khối biến điệu và hoàn điệu thường

là IC LSI và được gọi tên là CODEC( coder decoder )

2 hoặc iFi Nano iDSD cũng có thể đáp ứng 384kHz.

Thường thì dạng PCM phần nào có thể được phân giải ngay thành tín hiệu analog với bất cứ DAC nào Do tính đơn giản đó, âm thanh PCM được coi là loại âm không tổn hao (lossless) do không bị nén, tuy nhiên dung lượng lưu trữ rất lớn Âm thanh ta thường nghe trên CD hay định dạng WAV chính là nó, cứ mỗi giây âm thanh được lấy mẫu (sample) với tần số mẫu 44.1kHz (44100 lần trong 1 giây), với mỗi mẫu là 16 bit dữ liệu

Ví dụ, cứ 1 phút âm thanh, ta có công thức sau:

44.100 sampling X 2 kênh (trái phải) X 2 bytes (16 bit = 2 bytes) X 60 giây =

10.584.000 bytes = 10.1 Mb

Mỗi CD có dung lượng khoảng 750Mb, xấp xỉ 74 phút âm thanh Từ công thức ta tính ra được 1 giây của âm thanh gốc sẽ có bitrate là 1411kbps