تکنولوژی Quad DAC چیست و چه تاثیری در کیفیت صدای ال‌جی V20 خواهد داشت؟!

ال‌جی V20 ساعاتی پیش معرفی شد. یکی از جالب‌ترین ویژگی‌های موجود در این دستگاه DAC چهارگانه یا Quad DAC نام دارد که آن را به اولین گوشی هوشمند مجهز به این ویژگی تبدیل می‌کند، البته نام آن گمراه‌کننده است چراکه که هنوز مشخص نیست که عدد چهار به چیزی اشاره دارد. ما مطمئن هستیم که شما هم از این نحوه نامگذاری دچار سردرگمی شده‌اید، ولی می‌خواهیم در این مقاله با زبانی ساده و روان به شرح این ویژگی بپردازیم تا با آن کمی آشناتر شوید.

ما می‌توانیم با اطمینان کامل اعلام کنیم که ال‌جی دستگاه V20 را به آخرین قطعه ES9218 از شرکت ESS Technologies مجهز خواهد کرد، چراکه تنها چند روز پس از معرفی این قطعه با پشتیبانی از Quad DAC، ال‌جی در بیانیه مرتبط با V20 به این تکنولوژی اشاره کرد که کاملا ارتباط میان این دو مشخص است. با کمی جستجو در رابطه با ES9218 درمی‌یابیم که این قطعه از صدای ۳۲ بیت ۳۹۴ کیلوهرتز پشتیبانی می‌کند و همچنین به DSD512 مجهز است که باعث کنترل بسیار خوب صدای آنالوگ و تقویت یکپارچه صدای هدفون می‌شود. این تراشه وعده پخش صدای ۱۳۰ دسی‌بل SNR، صدای ۱۲۴ دسی‌بل DNR و ۱۱۲- دسی‌بل THD+N را به دوستداران موسیقی می‌دهد و همچنین در بیانیه مربوط به این قطعه به پخش استریو (۲ کاناله) اشاره شده ولی جدا بودن خروجی‌ها مدنظر قرار نگرفته، در نتیجه تئوری خروجی ۴ کاناله از اعتبار ساقط می‌شود. با این حال چون عدد چهار برای این تکنولوژی استفاده شده، باید برای فهمیدن دلیل آن سعی بیشتری کنیم.

قبل از ورود به این ماجراجویی مفصل و طولانی باید دو نکته را مدنظر قرار دهیم، اول از همه ال‌جی و ESS اطلاعات بسیاری کمی در رابطه با DAC منتشر کرده‌اند در نتیجه مقاله‌ای که در دسترس شما قرار دارد براساس کنار هم قرار دادن اطلاعات موجود و دانش صوتی و الکترونیکی من است، که امکان اشتباه بودن آن وجود دارد. نکته دوم مربوط به سنگین بودن مقاله است که البته در پایان آن کاملا با تکنولوژی DAC مدرن آشنا خواهید شد. نفسی عمیق بکشید و خود را آماده کنید چراکه زمان زیادی را باید برای خواندن مطلب زیر صرف کنید.

DAC مدرن چیست؟!

برای شروع به معرفی تکنولوژی DAC و اجزای درونی و کلیدی آن می‌پردازیم. اصولا DAC اطلاعات دیجیتال را از فایل صوتی شما گرفته و آن را تبدیل به امواج آنالوگ می‌کند و در نهایت به هدفون یا بلندگوها برای پخش ارسال می‌کند. ایده اصلی برای این مکانیزم مربوط به بازتولید سیگنال‌های آنالوگ با کمترین نویز یا اعوجاج ممکن در صداست، البته در واقعیت انجام این کار کمی پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد.

DAC‌ها از مراحل مختلفی ساخته شده‌اند که معمولا متشکل از یک مرحله Oversampling ( یک تکنیک است که با افزایش فرکانس یک سیگنال دیجیتال، صداهای ناخواسته را فیلتر می‌کنند)، یک مدولاسیون ΔΣ برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال، یک فیلتر، یک مرحله کاهش سیگنال و در نهایت یک فیلتر خروجی یا آمپر هدفون است. تمامی این تکنولوژی‌ها برای یک اصل ضروری، تغییر شکل صدا برای بهبود عملکرد و قدرت تفکیک‌پذیری (وضوح) آن، طراحی شده‌اند. مدولاسیون دلتا سیگما (تغییرات سیگما) به‌علت صرفه اقتصادی مناسب‌تر نسبت به خازن‌ها یا مقاومت‌های شبکه در DACها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 اولین مرحله در DACها، Overslampling است که معمولا توسط یک فرآیند الحاق (در ریاضیات از آن به عنوان درون‌یابی یاد می‌شود که به معنای ایجاد اطلاعات جدید از میان دو داده است) انجام می‌شود، برای مثال کیفیت صوتی CD با ۴۴.۱ کیلوهرتز را با چهار بار انجام این فرآیند به ۱۷۶.۴ کیلوهرتز افزایش می‌دهند یا با ۱۶ مرتبه به نرخ بالای ۷۰۵.۶ کیلوهرتز می‌رسانند. این مرحله به تنهایی قادر به افزایش کیفیت فایل صوتی نیست ولی باعث ایجاد فرکانس بالاتر می‌شود. ولتاژ صدا در طیف شنیداری به ۳ دسی‌بل برای دو برابر شدن نرخ Oversampling کاهش می‌یابد، اگرچه قدرت نویز کلی در تمامی محدوده‌های فرکانسی ثابت باقی می‌ماند. اگر ما بتوانیم که توسط فیلتری این نرخ بالای جدید را به محدوده شنیداری خود برگردانیم، شاهد کاهش قابل‌توجه میزان نویز خواهیم بود.

مرحله بعدی مربوط به مدولاسیون دیجیتال دلتا سیگما است که باعث تبدیل اطلاعات صدای دیجیتال PCM (کد پالس مدولاسیون) به جریان صوتی PPM (پالس متناسب مدولاسیون) می‌شود، این فرآیند سبب فیلتر شدن صدا به امواج آشنا برای ما می‌شود. تبدیل شدن سیگنال ۱۶ یا ۲۴ بیتی به یک خط جریان ۱ بیتی توسط این مرحله انجام می‌شود البته با نرخ بسیار بالاتر که پخش شدن نویز در فرکانس‌های بیشتری را در پی دارد. در طول این تبدیل، نویز به تدریج فشرده شده و به فرکانس‌های بالاتر راه پیدا می‌کند، نویز در محدوده شنیداری برای هر نرخ Oversampling به ۹ دسی‌بل کاهش می‌یابد، البته امکان افزایش هر نرخ نمونه تا ۱۵ دسی‌بل برای مدولاتور مرتبه دوم سیگما دلتا نیز وجود دارد که بسیار بهتر از درون‌یابی تنها است.

تغییر شکل نویز توسط یک لوپ (حلقه) بازخورد تصحیح خطا انجام می‌گیرد، صدای خروجی نسبت به صدای ورودی Quantized (نوعی جداسازی به روش عددی) می‌شود. تفاوت میان این دو سیگنال، وزن فرکانس همراه با حلقه فیلتر است و با جمع شدن این خطاهای ولتاژ قسمت integrator به عنوان یک فیلتر پایین‌گذر برای سیگنال‌های ورودی و یک فیلتر بالاگذر برای نویزهای جداشده عمل می‌کند. اگر با دقت به مرحله بازخورد نگاه کنید، متوجه می‌شوید که سیگنال بازخورد توسط DAC با بیت واحد تولید می‌شود که خود زیرمجموعه DAC است. در نتیجه یک DAC در زیر مجموعه DAC قرار دارد که این موضوع باعث کنجکاوی ما در رابطه با ال‌جی V20 می‌شود.

 بعد از این مرحله یک فیلتر پایین‌گذر همراه با یک دسیماتور دیجیتال (نوعی مبدل) برای فیلتر کردن نویز شکل گرفته با فرکانس بالا و کاهش فرکانس فایل صوتی استفاده می‌شود. نمونه باقی مانده با نرخ بالای اطلاعات کاربردی ندارد و ما فقط به نمونه‌ای با نرخ دوبرابر نسبت به حداکثر فرکانس شنیداری نیاز داریم، بنابراین دسیماتور در اصل نمونه خروجی را تا زمانی که به نرخ موردنیاز برای نایکوئیست برسد، دچار تغییر می‌کند.

شکل دادن نویز

واقعا امیدوارم که هنوز در حال خواندن این مقاله باشید، چون اکنون که با مدولاسیون سیگما دلتا و تغییر شکل نویز کمی آشنا شده‌ایم، به سراغ DAC چهارگانه خواهیم رفت. همانطور که به اختصار ذکر شد، امکان بهبود عملکرد صدای مدولاتور سیگما دلتا توسط طر‌ح‌های چند مرتبه‌ای (مرتبه دوم به بالا) وجود دارد. این امر تقریبا ضروری محسوب می‌شود چراکه ما خواهان تولید صدای باکیفیت با وضوح ۱۶ بیت هستیم و خوشبختانه مهندسین باهوش با طراحی هسته پیشرفته، قادر به بهبود قابل‌ملاحظه وضوح و کیفیت صدا هستند. استفاده از مرتبه‌های بالاتر، بیت‌های چندگانه و معماری چند مرحله‌ای یا هر سه به طور همزمان، طراحی جدید را تشکیل می‌دهند که نوع آخر (ترکیبی) مورد نظر ماست. یک طراحی موازی قادر به جمع‌آوری خروجی‌ از چندین زیرمجموعه DAC برای افزایش عملکرد خواهد بود که به احتمال زیاد ESS از آن به عنوان Quad DAC یاد می‌کند.

امکان استفاده از مدلاتور دلتا سیگما چند مرحله‌ای به صورت آبشاری (به سمت پایین و زیاد)، باند گذر و یا موازی وجود دارد، همچنین امکان ایجاد طرحی به صورت ترکیبی از مدل‌های قبل نیز هست. ما اطلاع دقیقی از درون ES9218 نداریم چراکه طراحی مدولاتور بسیار پیچیده است و شرکت‌ها تا جای ممکن از آن محافظت می‌کنند. از آنجایی که ES9218 دارای یک طرح موازی چهارگانه مبدل صدای دیجیتال به آنالوگ است، به احتمال زیاد ESS در آن از یک طرح موازی مانند زیرمجموعه DAC استفاده کرده است.

نیازی به پیگیری بیشتر در رابطه با طراحی فنی آن نیست چراکه در طراحی موازی با نمونه‌های زیادی شامل چند باند، در میان زمان یا هادامارد مواجه می‌شویم که هیچ اطلاعی از نمونه مورد استفاده توسط ESS در دسترس ما قرار ندارد. برای ما دانستن این نکته کفایت می‌کند که معماری موازی زیرمجموعه DAC قادر به بهبود عملکرد صدا تا ۶ برابر دسی‌بل ورودی توسط افزایش اکتاو در تعدادی کانال است. یک راه جایگزین برای فهمیدن این فرآیند مربوط به جمع‌آوری سیگنال خروجی و کاهش خطاهای نویز رابطه فازی غیر ثابت توسط آن‌هاست. به عبارت ساده‌تر دو برابر کردن میزان کانال‌های مدولاتور دلتا سیگما باعث بهبود عملکرد صدا تا ۶ برابر دسی‌بل ورودی می‌شود، در نتیجه استفاده از یک طرح مدولاتور ساده دوگانه باعث افزایش ۶ دسی‌بلی SNR نسبت به مدولاتور تک کاناله می‌شود که در یک طرح چهارگانه موازی این میزان به ۱۲ دسی‌بل افزایش پیدا می‌کند. در صورت استفاده از مدولاتور مرتبه دوم دوگانه و چهارگانه این میزان به ترتیب ۱۲ و ۲۴ دسی‌بل می‌شود و این قضیه در مرتبه‌های بالاتر نیز تکرار می‌شود. مدیر ارتباطات جهانی ال‌جی، Ken Hong، می‌گوید:

سیگنال‌ها از هر DAC به هم اضافه می‌شوند ولی برای نویز این اتفاق نمی‌افتد که نتیجه آن افزایش سیگنال با کاهش بسیار کم نویز است و با هر دوبرابر شدن نتایج در مبدل‌ها، نویز نصف می‌شود.

صرف نظر از اقدامی که ESS دقیقا در تراشه خود انجام می‌دهد، این طراحی مهم مدار باعث می‌شود تا این شرکت سخن از DAC چهارگانه به زبان آورد، به جای آنکه از ۴ عدد DAC یا خروجی‌های متعدد استفاده کند یا حتی از قطعات جداگانه برای بلندگوها، هدفون‌ها یا پورت USB Type-C بهره برد.

مزایا و معایب

در کنار بهبود نسبت سیگنال به نویز در صورت استفاده از DAC، زیرمجموعه آن نیز قادر به بهبود بهره‌وری قدرت برای این تراشه است. برای مثال Sampling نرخ فرکانس می‌تواند کاهش یابد درحالیکه بتوان به عملکرد یکسان نویز در یک سیستم تک‌کاناله دست پیدا کرد. سیستم‌ها می‌توانند با توجه به نیاز برای عملکرد نویز اضافی یا منایع کیفیتی مختلف، به‌صورت تکی مدار زیر مجموعه DAC را خاموش یا روشن کنند. Ken Hong اضافه می‌کند:

در حالت کم قدرت DAC چهارگانه، ۳ عدد از آن‌ها خاموش می‌شود تا در هنگام استفاده از صدای با کیفیت پایین یا هدست‌های بی‌کیفیت، شارژدهی باتری افزایش یابد.

به هرحال با افزایش تعداد کانال‌ها، این کاهش بازده با سرعت کمتری انجام می‌گیرد و علاوه بر این هر یک از کانال‌ها و لایه‌های سفارشی اضافه، میزان زیادی مدار به DAC اضافه می‌کند که نتیجه آن افزایش هزینه و پیچیدگی‌های تولید DAC است. سیستم‌های DAC پیشرفته به ۸، ۱۶ و یا حتی تعداد بیشتری مدولاتور موازی مجهز هستند که هم بسیار گران بوده و هم نیاز به انرژی زیادی دارند.

قابلیت‌های دیگر DAC

علاوه بر معماری جدید و فانتزی ES9218، ویژگی‌های دیگری نیز در این تراشه وجود دارد که می‌توان از کنترل آنالوگ حجم صدا، یک حذف‌کننده دامنه زمانی لرزش و یک سوئیچ خروجی برگشتی یکپارچه نام برد. توضیح مورد آخر بسیار ساده است، طراحی آن به منابع اجازه می‌دهد تا هنگامی که نیاز به افزایش کیفیت صدا نیست، ویژگی‌ها DAC را دور بزند، به عنوان مثال می‌توان به صدای انتقالی در زمان مکالمه صوتی یا تصویری اشاره کرد. این قابلیت به شارژدهی بیشتر و بهتر باتری کمک می‌کند، قطعه‌ای که برای دستگاه‌های همراه کاملا حیاتی محسوب می‌شود. حذف‌کننده دامنه زمانی لرزش مقادیری پیچیده‌تر است ولی سعی می‌کنم به دور از اصطلاحات فنی آن را توضیح دهم. لرزش به عدم انطباق جریان داده‌ها و ساعت هماهنگی (قادر به تولید اعوجاج با فرکانس بالا در صورت عدم خواندن بیت به‌طور درست است) اطلاق می‌شود.

برای مقابله با مشکل بالا، ESS تراشه ES9218 را به یک ساعت مرجع کم لرزش جداگانه برای تبدیل درایو دیجیتال به آنالوگ همراه با مبدل نرخ آسنکرون که وظیفه تجزیه و تحلیل داده‌های ورودی و تصحیح جریان بیت داده‌ها با استفاده از یک الگوریتم را برعهده دارد، مجهز کرده است.

در نهایت، کنترل آنالوگ حجم صدا، میزان صدا را در حوزه دیجیتال تنظیم می‌کند و می‌تواند به‌سرعت سیگنال موردنظر را با کاهش شدید نویز ایجاد کند، ESS یک مدار آنالوگ سفارشی را برای تراشه خود طراحی کرده که تلاش می‌کند تا اثرات نویز را در زمان کاهش دامنه سیگنال محدود کند. این شرکت ادعا می‌کند که طراحی آن اجازه گوش کردن به صدای ۱۳۰ دسی‌بل SNR را حتی برای سطوح شنوایی کم ایجاد کند. یک تقویت‌کننده هدفون بر روی این تراشه قرار دارد تا توسعه‌دهندگان مجبور به طراحی یک مدار تقویت‌کننده مجزا برای هدفون خود نباشند.

نتیجه‌گیری

شرکت ESS تلاش زیادی را برای ES9218 بکار برده تا یک DAC با نویز و اعوجاج بسیار کم برای گوشی‌های هوشمند طراحی کند و ال‌جی V20 اولین دستگاه مجهز به این تکنولوژی محسوب می‌شود. اگرچه اطلاعات دقیق و کاملی از طراحی Quad DAC در دسترس ما نیست ولی نتیجه استفاده از این تراشه باید وضوح فوق‌العاده صدا و بالاتر از ۱۶ بیت باشد. با وجود داشتن عدد ۴ در نام این DAC دلیلی بر برتری آن نسبت به دیگر محصولات موجود در بازار نیست چراکه هرکدام مزایا و معایبی دارند. ما امیدوار هستیم تا ES9218 یک قطعه کارآمد و عالی باشد و همچنین بی‌صبرانه منتظر گوشی دادن به موسیقی توسط ال‌جی V20 هستیم. آیا وجود تراشه DAC باعث خریداری شدن این گوشی هوشمند پرچمدار توسط شما خواهد شد؟!