อันนี้ลอกเขามา จากบทความของคุณ GARMIN จาก OVERCLOCK ZONE ครับ

DAC คืออะไร

ถ้าตอบแบบ กำปั้นทุบดิน คืออุปกรณ์ ที่แปลงข้อมูล digital เป็น analog (Digital to Analog Converter) แต่ช้าก่อน เรามาดูนี่ ซะก่อน ครับ

เสียง -> ไมโครโฟน -> สัญญาณไฟฟ้า สลับ -> ADC -> Digital Data -> บันทึก -> อ่าน -> Digital Data -> DAC -> สัญญาณไฟฟ้า สลับ -> ลำโพง -> เสียง

เราจะได้เพื่อนของ DAC เพิ่มมาอีก 1 ตัวคือ ADC หรือ Analog to Digital Converter จริงๆ 2 ตัวนี้ Concept การทำงานเหมือนกัน แค่สลับ input output เรามาดูการทำงานของ ADC/DAC กัน

สัญญาณไฟฟ้า สลับ -> ADC -> Digital Data
Digital Data -> DAC -> สัญญาณไฟฟ้า สลับ

 

3001501762_eb1c7ef724

3018175245_17a88f1306

รูปที่เห็น เรียกว่า PCM (Pulse-code modulation) quantized ขนาด 4 Bit (วัดความแรงของคลื่นที่ 16 ระดับ) , คลื่นเสียง 1 Hz (1 ลูกคลื่น / วินาที) , quantized 32 ครั้ง คราวนี้เรามา ดู Spec ของแผ่น CD Audio จะเจอว่า

2 ch – 16 bit – 44100 Hz ถ้าเรา convert รูปด้านบนเป็น Spec มาตรฐานเดียวกับ CD จะกลายเป็น 1 ch – 4 bit – 32 Hz

แต่ความจริงแล้ว ถ้าไปดู spec ADC จริงๆ จะมีอีก 1 ชื่อ คือ oversampling … เท่า

oversampling คือ การ quantized จริงๆ ทำเกินกว่า 1 ครั้ง แล้วเอาค่าเฉลี่ย ของความสูงของ คลื่น ออกมาเป็น 1 ค่าแทน สมมติ จากรูป ว่า มีค่า oversampling 32 เท่า เราจะได้ค่า Spec เป็น 1 ch – 4 bit – 1 Hz – oversampling 32 time แทน และ Data ที่ออกมา ควรจะมีค่า เป็น 00 (<- 4 Bit) ด้วยเพราะ ผลรวม ของพื้นที่ใน กราฟ = 0 พอดี

ถ้า ค่า oversampling เป็น 16,8,4 เท่า เราจะได้ค่า Spec เป็น

1 ch – 4 bit – 2 Hz – oversampling 16 time
1 ch – 4 bit – 4 Hz – oversampling 8 time
1 ch – 4 bit – 8 Hz – oversampling 4 time

จะเห็นได้ว่า Hz ของ ADC/DAC กับ Hz ของเสียง เป็นคนละตัวกันนะครับ ของ ADC/DAC จะบอกว่าใน 1 วิ มีจุด กี่จุด บนกราฟ เท่านั้นเอง

DAC เมื่อ ราวๆก่อน 15 ปีที่แล้ว หรือราวๆก่อนปี 1990 ครับ

จริงๆ ตอนที่ Philips – Sony เปิดตัว CD ครั้งแรกๆ ยังใช้ DAC แค่ 14 Bit ด้วยซ้ำ (แผ่น CD รุ่นแรกๆ ปี ’80 ก็ 14 bit ด้วย – 16 bit หรือแผ่น 650 Mb 74.5 นาทีนี่ตอน spec นิ่งแล้ว) ไม่มีใครใช้แบบนั้นในเครื่องเสียง บ้านๆ แล้วนะครับ

อ้าว แล้ว DAC รุ่นใหม่ๆ หละ มันทำงานยังไง ? คำตอบ คือมันทำงาน อีก mode นึงครับ นั่นคือ แบบ Pulse-density modulation (PDM) ของ Philips หรือเรียก 1 Bit-stream DAC – Zigma Delta DAC หรือ ชื่ออื่นๆ แต่หลักการทำงานเดียวกัน และ pulse-width modulation (PWM). ของ Panasonic หรือ 1 Bit MASH ที่เข้าใจว่า ซื้อสิทธบัตรจาก NTT Docomo มาพัฒนาต่ออีกที

เนื่องจาก multi bit เกิดสัญญาณ รบกวนใน ตัวเองสูง ทั่ง 2 กลุ่ม บ. เลยหันไปใช้ Technic bit ต่ำ แต่ Speed สูง เพื่อให้ Noise ไปเกิดที่ระดับ Mhz แทน kHz แล้วใช้ Low Pass Filter (เป็น Hardware ที่จะกรองความถี่ต่ำ ออกได้เท่านั้น) กรองเอา Noise ออกจากระบบ ได้แบบจังๆ ให้มันหายไปเลย (ฉลาด ดีมะ)

โดยเอา PCM (ในตอนที่ 1) มาผ่านวงจร delta-sigma modulation. ใน ADC และ sigma-delta modulation. ใน DAC

เรื่อง PDM อยากอ่าน ละเอียดๆ ลองใน http://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation

อันนี้ PWM จริงๆ ก็เหมือนๆกัน นั่นแหละ http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation

ถึงแม้ตอนนี้ DAC น่าจะทั้งหมด จะเป็นแบบ (PDM, PWM) แต่คำว่า Bit – Sample Hz – Over Sampling ก็ยังคงอยู่นะครับ (ต้องรู้พื้นฐาน ก่อนไปต่อยอด ซิ) technic พวกนี้ทำให้ DAC ทะลุขีดจำกัด 20 bit 48 kHz ออกไปได้ เราเลยเห็น Spec เป็นแบบใน ปัจจุบันคือ 16 – 24 bit , 44.1 – 192 kHz

16 bit – 44.1 kHz พอหรือยัง สำหรับ คำว่า Hi-Fi ??

ก่อนอื่น เรามาเข้าใจ พื้นฐานคำว่า bit กันอีกนิดครับ

จากตอนที่ 1 เราจะเห็นว่า ความสูงของคลื่น ถูกสร้างมาจาก bit แล้ว ก็ไม่ใช่ การเอา เสียง 100 db มาหั่นออกเป็น 65,535 ระดับ (16bit) นะครับ แต่มันเป็น ระดับของ พลังงานไฟฟ้า หรือ
แบบ rms 65,535 ระดับแทน ซึ่งคุณต้องไป take log เพื่อคำนวนว่ามันได้ กี่ dB อีกทีนึง

อย่าพึ่งเดินไปหยิบ กระดาษ มาคำนวนครับ เค้าคิดมาให้แล้ว ด้านล่างนี้

สิ่งที่ 16 bit ต่างจาก 20 หรือ 24 bit ตกลง คือ ความสูงของคลื่น ครับ ความสูงของคลื่น จากวิทย์ฟิสิก ม. 3 เราจะรู้ว่า มันคือ ความดังของเสียง นั้นเอง เพราะฉะนั้น 16 bit จะสร้างเสียงได้ใน range ราวๆ 96 dB ครับ ส่วน 24 bit สร้างเสียงได้ใน range ราวๆ 144 dB ไม่ต้องคำนวนเองครับ เดี๋ยวงง

มาถึงจุดนี้ ถ้าเรามาดูเสียงใน real world เราจะเห็นได้ว่า 96 dB นี่ ระดับน้องๆ ฟังเสียงเครื่องบิน jet ที่ระยะ ไม่กี่ 100 เมตร ซึ่งในชีวิต จริงไม่มีใคร เค้าไปบันทึกเสียง กันหลอกครับ ส่วนที่เค้าว่าถ้าจะเอา แบบ cover real world แบบมนุษย์ทนฟัง ได้ไม่หูแตกตายไปซะก่อน จะอยู่ที่ราวๆ 20 bit เท่านั้น หรือราว 110-120 dB ก็พอครับ

แล้วคราวนี้ เราก็มาเข้าใจ Sampling 44.1kHz กันอีกนิดครับ จากตอนที่ 1 เราจะเห็นว่า ความถี่ของ คลื่น ถูกสร้างมาจาก Sampling Quantized ลูกคลื่น analog ออกมาเป็นชิ้นๆ ถ้ายิ่งมาก ก็ยิ่ง quantized ติดเสียงความถี่ สูงๆ ติดไปด้วยมาก จากวิทย์ฟิสิก ม. 3 เราจะรู้ว่า เสียงความถี่ สูงๆ ก็คือ เสียงแหลมนั่นเอง

บอกไปเลยแล้วกันครับว่า Quantized Sampling 44.1kHz พอเพียงที่จะสร้างเสียงแหลมระดับ 20,000 Hz ออกมาได้ แบบ ไม่ค่อย สวยนัก (จริงๆต้องสุ่ม 4 เท่าของความถี่ ถึงเอาจะอยู่)

แต่ก็อย่างว่าแหละครับ ถ้าเรามาดูเสียงใน real world เราจะเห็นได้ว่า เสียงแหลมระดับ 20,000 Hz นี่เค้าเอาไว้ให้ หมาหรือแมว ได้ยินกันครับ คนจริงๆ ก็ได้ยินกัน ที่ 16 kHz นี่ก็พระเจ้า แล้วครับ ระดับ 20 kHz นี่ ถ้าจะทำ cd ขายคงต้องอัดเสียงเครื่องไล่แมลง มาขายกัน

อ้าว แล้ว bit แปลกๆ เช่น 17 bit 18 bit หรือ resolution ระดับ 20 bit 18 bit ที่อยู่บน แผ่น cd – hdcd กับ sound card เอาไว้ทำอะไร แล้วมันมี ADC/DAC ระดับ 24 bit – 192 kHz ไว้ทำไม ?

หลังจากที่เรา รู้วิธีการทำงาน และ ขีดจำกัดของ มนุษย์ กันไปแล้ว ขออณุญาติ ตัดเรื่อง DAC Bit แปลกๆ ออกเพราะมันเป็น แค่คำโฆษณา หวังผลทางการตลาดเท่านั้น ไม่ได้มี ค่าควรแก่การ จดจำซักเท่าไหร่ เช่น เกิดจากการเอา DAC มาต่อพ่วงกัน หลายๆตัว ส่วน cd ก็เอา bit ที่บันทึกก่อน ถ่ายลง cd มาแปะ เพื่อ up คุณค่า ทางอารมณ์ (ลง cd ก็เหลือ 16 bit 44.1 kH อยู่ดีแหละ) เรามาดู จุดที่สำคัญอีก จุดหนึ่งของ วงการ DAC นั่นก็คือ

DAC แบบ Bit-stream ที่ใช้วงจร Zigma – Delta แปลงจาก PCM เป็น Bit-stream ก่อนทีจะประมวลผล ซึ่งจริงๆ แล้ว เราสามารถ ส่ง data แบบ Bit-stream ไปให้ DAC ประมวลผล ได้เลยเช่นกัน (DAC ที่ผมว่า อยู่ในสมัยราวๆ ปี 1995)

พอ DAC สามารถ รับ Bit-stream Data ได้ สิ่งที่เกิดขึ้น จาก Bit-stream จริงๆ แล้ว มี หลายอย่างทีเดียว เช่น แนวคิดของแผ่น SACD ที่เก็บ Data เป็น แบบ Bit-stream ไม่ได้ใช้ PCM และการแปลง PCM เป็น Streme เพื่อ ลดรูปของ Data ใน File ตระกูล lossy ที่ดังๆและรู้จักกันดีคือ MPEG1 Layer 3, Dolby AC3, SDDS และ อื่นๆ

สาระสำคัญของ File แบบ lossy ที่เป็นหัวใจของมันจริงๆ ก็คือ

1. Logic Gate ที่ใช้ในการ ลดรูปของ Data แบบ stream เช่น

0000000111100110000111111011111011101111111111

จะเห็นได้ว่า จริงๆแล้ว 0 คือ กราฟ ขาลง 1 คือ กราฟ ขาขึ้น

ถ้า
0000000000000000000000000000010000000000000000
ไม่แตกต่าง ถ้าจะเก็บ Data เป็น
0000000000000000000000000000000000000000000000

เพราะในตัวเครื่องเสียงเอง นั้นมีความเพี้ยน ของเสียงอยู่แล้ว ดังนั้น Data จะหายไป ซัก 20 – 30% ทาง ทฤษฏี จะไม่มีผล กับการรับรู้ ยกเว้น คนที่สามารถ แยกเสียง เล็กๆ เบาๆ ในเสียงดังๆ ออก (และแน่นอนต้องตั้งใจฟังด้วย)

2. สามารถ รับ Streme ขนาด Data น้อยๆ ก็สามารถ ทำงานได้ เช่น อยากจะส่งแค่ 8000 bit/sec DAC ก็ทำงานได้ (โดย logic gate จะเติม bit ลงไปให้ครบ ก่อนที่ DAC จะทำงาน) เพียงแต่ เสียงที่ออกมา จะแค่พอฟังรู้เรื่อง เท่านั้น

ในเมื่อรู้จักการทำงานของ file ตระกูลนี้ แล้วจริงๆ จะมี ศัพสำคัญๆ อยู่ 2-3 ตัว นั่นคือ kbit/Sec
Frame/Sec ขนาดของ Data โดยประมาณจะเท่ากับ

Data Size = Sec x kbit หรือ Frame per Sec x Frame x Data Per Frame

เช่น file mp3 128 kbit ขนาด 4 นาที (240 sec) จะมีขนาดเท่ากับ

(240) x (128000 / Cool = ราว 3.7 Mb ไม่รวม Header และ แล้วแต่ว่าจะ แบ่ง frame เท่าไหร่ ถ้าวิละ 4 frame (ค่า defaule) ก็จะตก 960 Frame – Frame ละ 32kbit

อ่านถึงตรงนี้อาจะจะ งงๆว่า พูดเรื่อง Frame ทำไม ?

มันมีแบบนี้ครับ ในช่วงแรกๆ ข้อมูลแบบ mp3 นั่นถูกออกแบบมาเพื่อให้ใช้ในการ ส่งสัญญาณ เสียง Digital ผ่าน ระบบ Network การทำงานผ่าน Network จำเป็นต้อง แบ่ง Data ออกเป็น ส่วนๆ ขนาดพอเหมาะ กับ Speed ของ Network ในยุคนั้น (32 kbit / Frame ใครเคยใช้ Modem แบบ Dialup ยุคกลางๆ พอเห็นอะไร คุ้นๆบ้างมั้ย) และใน file รุ่นหลังๆ นั้น ตัว frame ถึงจะสามารถ จุ data ใส่ ใส่ใน Frame ในขนาดไม่เท่ากัน หรือใหญ่ขึ้นได้ มันถึงมี File ที่เป็น VBR ครับ แล้วก็ไม่ตองสนใจเรื่อง Frame มาก เพราะ ตัว Encode มันจะจัดการ ของมันเอง

มาถึงตรงนี้จะเห็นข้อดีข้อเสีย ของ การรับส่ง Data แบบนี้ กันบางแล้วนะครับ คราวนี้ เรามาดู ของที่ไกล้เคียง ในปัจจุบันกันดีกว่า นั่นก็คือพวก lossless file format จริงๆแล้ว lossless file format ก็คือ lossy นั่นแหละครับ แต่ไม่ได้อัด bit rate ต่ำๆ แค่นั้นเอง

อ้าววว ?? แล้วทำไม file lossless ถึงพึ่งมา โผล่มาขายในช่วง ปัจจุบัน หรือในปี 2006++

คำตอบอยู่ที่ k-Gate Siligon ที่ใช้ทำ Gate ของอุปกรณ์ อิเลคโทรนิค กับ Master Clock ของระบบ Digital ครับ และอีกเหตุผล กลายๆ คือความจุของ media ซึ่งเป็นแค่เหตุผล ทางด้านราคา ถ้าคุณมีเงินไม่จำกัด แต่ไม่มีของมาขาย ก็ไม่มีประโยชน์ อะไรครับ

จาก spec ตัว top สุดที่ ส่งเข้าไป process ที่ตัว DAC 1 Bit-stream โดยตรง คือ 24 bit 192kH Pulse จะอยู่ที่ 3 THz (สาม เทอระเฮิร์ต) ทำให้ Master Clock ของระบบ ต้องอยู่ที่ 10^ -13 วินาที ต่อ 1 ลูกคลื่น ซึ่งไม่มีทางมีขายก่อน ปี 2000 แน่นอนและ Spec นี้จะยังคง อยู่ไปอีกนาน แสนนาน เหมือน CD ที่กว่าจะหาอะไรใหม่ๆมาได้ ก็ปาเข้าไปตั้ง 15 ปี รวม กับที่รอ format หมดอายุ ทางการตลาดเหมือน เครื่องเสียงที่ใช้ เทป แม่เหล็ก ก็ เลย 30 ปีพอดี ไม่ต้อง update เรื่องนี้ ไปอีก
นาน นนน (สบายคนเขียน)

จบแล้ว