R2R DAC คืออะไร ทำไมคนจำนวนมากถึงหลงรักมัน

เมื่อหลายวันก่อน เราได้รู้จักกับ R2R DAC พอเข้าไปดูในรายละเอียดมันเป็นฟิสิกส์ที่สนุกมาก ๆ วันนี้เราอยากจะมาเอาสิ่งที่ได้อ่านมาย่อยให้เข้าใจได้ง่ายที่สุด สำหรับใครที่กำลังสนใจ อ่านแล้วน่าจะเข้าใจการทำงานของมันมากขึ้นกัน

ทำไมเราต้องใช้ DAC ด้วย ?

เริ่มจากคำถาม Classic กันก่อน จริง ๆ คำตอบคือ เพราะ ลักษณะการเก็บข้อมูลเสียงของเราเปลี่ยนไปเยอะมาก จากยุคที่ใช้พวก แผ่นเสียง หรือเทป พวกนี้เราเก็บข้อมูลเป็นรูปแบบ Analog ที่เราสามารถอ่านและส่งสัญญาณไปให้ลำโพงเล่นได้โดยตรง อาจจะต้องการแค่ Amplifier สำหรับขยายสัญญาณเพื่อให้ลำโพงเล่นเสียงออกมาได้ดังเท่าที่เราต้องการ

แต่ปัจจุบันเราเปลี่ยนไปเก็บเสียงในรูปแบบ Digital กันหมดแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการเก็บลงบนแผ่น CD แบบเมื่อหลายสิบปีที่แล้ว หรือในปัจจุบันเก็บเป็นไฟล์ และให้บริการผ่านอินเตอร์เน็ตผ่านระบบ Steaming เช่น Apple Music, Tidal และ Spotify

ปัญหาของไฟล์เสียงระบบ Digital คือ เราไม่สามารถเล่นมันผ่านลำโพงได้ เพราะลำโพงไม่ได้รองรับการทำงานด้วยระบบ Digital แต่ใช้ระบบ Analog ในการทำงาน ดังนั้น เราจะต้องใช้อุปกรณ์บางอย่างมาแปลงจากสัญญาณแบบ Digital ให้กลายเป็น Analog นั่นคือหน้าที่ของ DAC นั่นเอง

DAC ได้รับการพัฒนาไปไกลมาก ๆ ในปัจจุบัน ส่วนใหญ่ในกระแสหลักมักจะมุ่งเน้นไปที่การใช้การประมวลผลทางคอมพิวเตอร์ เพื่อชดเชยข้อจำกัดทางด้าน Hardware ไม่ต่างกับวงการกล้องถ่ายภาพบนโทรศัพท์ที่เน้นใช้ Computational Photography เพื่อเอาชนะ Sensor ขนาดใหญ่บนกล้องใหญ่ ปัญหามันไม่ต่างกันเลยคือ ถึงภาพและเสียงที่ได้จากการใช้ Software ช่วยชดเชย มันจะดูสมบูรณ์สวยงาม น่าฟังมากขึ้นก็ตาม แต่นักฟังเพลงไม่น้อยกลับรู้สึกว่า เสียงที่ได้นั้นขาดจิตวิญาณ และฟังดูสังเคราะห์มากเกินไป

ความโหยหาในเนื้อเสียงที่เป็นธรรมชาติและมีความเป็นดนตรีสูง ทำให้ผู้ผลิตเครื่องเสียงตัดสินใจเอาเทคโนโลยีเก่า ๆ สุด Classic อย่าง R2R Ladder DAC กลับมาใช้งานใหม่อีกครั้ง การกลับมาของมัน ไม่ได้เป็นแค่กระแสความชอบความ Classic ชั่วคราวเท่านั้น แต่มันเป็นการแสดงจุดยืนในความบริสุทธิ์ของ Hardware มากกว่าการใช้ Algorithm ในทาง Software

R2R Ladder ต่างจาก Delta-Sigma DAC ที่ใช้งานกันมาอย่างไร ?

เพื่อให้เห็นภาพความพิเศษของ R2R Ladder เราจะต้องมาทำความเข้าใจหลักการทำงานของ DAC ที่เราใช้งานกันทั่วไปอย่าง Delta-Sigma DAC กันก่อน

DAC ที่เราใช้งานกันทั่วไปตามท้องตลาด ส่วนใหญ่มาก ๆ มักจะใช้งานสถาปัตยกรรมแบบ Delta-Sigma เพราะต้นทุนการผลิตต่ำ และสามารถใส่ลงไปในแผ่น Silicon ได้ง่าย เราจะเห็นได้จาก DAC ที่ติดมาในโทรศัพท์ และเครื่องคอมพิวเตอร์จนไปถึง DAC แยกราคาตั้งแต่หลักร้อย จนถึงหลักหมื่นบาทได้เลย

หลักการทำงานของ Delta-Sigma DAC ไม่ได้เป็นการแปลงข้อมูลขนาดใหญ่ แบบตรงไปตรงมา แต่มันใช้วิธีการลดความละเอียดของข้อมูลจนเหลือไม่กี่ Bit หรือกระทั่ง 1-Bit จากนั้นใช้เทคนิค Oversampling ดึงความเร็วในการทำงานให้สูงขึ้นไป ควบคู่กับการใช้เทคนิค Noise Shaping เพื่อทำให้ Noise ที่เกิดจากการแปลงสัญญาณออกไปอยู่ในย่านความถี่สูงลิบ แล้วค่อยกรองมันออก เพื่อให้ได้สัญญาณ Analog ที่เรียบเนียนสวยงาม Noise น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ตรงกันข้าม R2R Ladder เลือกที่จะทิ้งความซับซ้อนของ Software และการใช้ Algorithm ที่ซับซ้อนออกไป แล้วหันมาพึ่งพา Physic และ Electronic Circuit แทน โครงสร้างของมันประกอบด้วย ตัวต้านทานเพียง 2 ค่าเท่านั้น คือค่าความต้านทานพื้นฐาน และ ค่าความต้านทานที่สูงเป็นสองเท่า ทำให้เราเรียกว่า R-2R ซึ่งมันถูกนำมาต่อเป็น Network ที่มีลักษณะคล้ายขั้นบันได ข้อมูล Digital แต่ละ Bit ที่ถูกโยนเข้ามา ทำหน้าที่เป็นคำสั่งสำหรับควบคุมการทำงานของ Switch ขนาดจิ๋ว เพื่อเปิดและปิดให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเครือข่ายตัวต้านทานนี้ นั่นแปลว่า ลักษณะของสถาปัตยกรรมแบบ R2R คือการแปลงสัญญาณ Digital แบบ Bit ต่อ Bit อย่างแท้จริง แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นคือ ผลรวมของสัดส่วนข้อมูล Digital โดยไม่ต้องคาดเดา แทรก หรือใช้ Algorithm ใด ๆ มาชดเชย ผลที่ได้คือ สัญญาณ Analog แบบที่แม่นยำสุด ๆ

Oversampling (OS) และ ปรากฏการณ์ Pre-ringing

ความสนุกของการออกแบบ DAC คือ การเล่นกับกฏทางฟิสิกส์ที่เลี่ยงมันไม่ได้ นั่นคือ ปรากกฏการที่อธิบายด้วย Nyquist-Shannon ที่บอกว่า เราสามารถสร้างสัญญาณ Analog ที่สมบูรณ์ได้หาก Sampling Rate มีค่ามากกว่า 2 เท่าของ Frequency สูงสุดในสัญญาณนั้น ๆ เรื่องนี้ไม่ได้ใช้แค่ในเรื่องของเสียงเท่านั้น แต่ในโลกของ Computer Network แกก็หนีเรื่องนี้ไม่พ้น เพราะชั้นเอง ก็พยายามแล้ว แต่ก็ไม่รอด แตกในวิชา Computer Network อยู่ดี แมร่งเอ้ย !

ทีนี้ปัญหา มันอยู่ที่ตอนเราจะสร้างสัญญาณ Analog กลับมา พวก DAC ทั่วไปส่วนใหญ่จะเลือกวิธี Oversampling หรือพยายามเพิ่มอัตราการสุ่มสัญญาณให้สูงขึ้นด้วยการแทรกข้อมูล หรือการทำ Interpolation เพื่อผลัก Noise ออกไปให้ไกลจากความถี่ที่คนจะได้ยิน ทำให้สามารถใช้วงจรสำหรับ Filter ที่มี Low Slope ในการจัดการความถี่ส่วนเกินได้ง่ายดาย

แม้ Oversampling ดูจะเป็นทางออกที่สมบูรณ์ในการทำงาน แต่มันกลับสร้างความชิบหายอีกด้านแทนนั่นคือ Pre-Ringing เพราะ Digital Filter แบบ Finite Impulse Reponse ที่มักจะพึ่งพา Function Sinc ในการทำงาน ซึ่งมีลักษณะเป็นคลื่น ๆ เหมือนที่เราเรียนในวิชาคณิตศาสตร์ พอมีสัญญาณที่มันเหวี่ยงมาก ๆ เข้ามา Filter พวกนี้มันจะสร้างคลื่นสะท้อนเล็ก ๆ ออกมาก่อนที่สร้างกระแทกจริงจะเกิดขึ้น ซึ่งแน่นอนว่า มันทำให้เสียงแปลก ๆ ถึงแม้ว่า Pre-Ringing จะเล็กมาก แต่มันก็มากพอที่บางคนจะสัมผัสได้ ทำให้เสียงดนตรีมันดูขาดความสมจริงได้

พอเกิดปัญหาแบบนี้ ผู้ผลิต DAC เลยบอกว่า โอเค งั้นเราไม่ทำ Oversampling แล้ว มีโหมด Non-Oversampling (NOS) ออกมา กระบวนการของมันทำงานตรงไปตรงมามาก คือสัญญาณ Digital เข้ามาแล้วแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าในทันที และจะรักษาระดับแรงดันไฟฟ้านั้นไว้จนกว่าจะถึงรอบในการประมวลผลครั้งต่อไป ผลท่ได้คือ รูปแบบของสัญญาณขั้นบันไดที่ตอบสนองกับบความเหวี่ยง ๆ ได้สมบูรณ์มาก ๆ ไร้ร่องรอยของการเกิด Pre-Ringing ได้หมดเลย เครื่องดนตรีสามารถให้เสียงออกมาได้แม่นยำ และหยุดแบบเป๊ะตามข้อมูล Digital ต้นฉบับทุกประการ ความสมบูรณ์ในเรื่องของการถ่ายทอดเสียงนี่เองที่ทำให้ R2R DAC มีฐานแฟนคลับที่ติดใจมาก ๆ

ถ้ามันดีขนาดนี้ ทำไมเฮียไม่เก็บไว้ใช้เองละ

ของมันดี แน่นอนว่า มันแพงแน่ ๆ แต่มันไม่ได้แพง เพราะเขาอยากขายแพง แต่มันแพง เพราะความยุ่งยากในการผลิตแบบโคตร ๆ เมื่อเทียบกับ DAC แบบ Delta-Sigma มหาศาล โดยเฉพาะเรื่องของการจัดการกับความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทาน

ในระบบเสียงความละเอียดสูงมาก ๆ ระดับ 24-Bits ตัวต้านทานที่ทำหน้าที่ควบคุมจะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าที่โคตรแม่นยำมาก ๆ ถ้าเกิดมันคลาดเคลื่อนไปนิดเดียว กระแสไฟฟ้าที่เพี้ยนจะเข้าไปกลบทับกระแสไฟฟ้าจิ๋วจาก Bit ที่มีนัยสำคัญต่ำสุดจนมิด ดังนั้น เพื่อให้การทำงานสมบูรณ์ที่สุด ผู้ผลิตจะต้องหาตัวต้านทานที่ความคลาดเคลื่อนโคตรต่ำมาก ๆๆๆๆๆๆ นั่นทำให้ ราคาต้นทุนการผลิตพุ่งพรวดสุด ๆ เลยทีเดียว

นอกจากการผลิตที่ยุ่งยากชิบหายแล้ว ตอนเอามาใช้จริง ฟิสิกส์ ก็ยังสร้างความน่าปวดหัวแบบไม่พักกันเลย เริ่มจากความร้อน ทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงไปได้อีก หนักกว่านั้นพอมันร้อน มันจะสร้าง Noise ที่เรียกว่า Johnson-Nyquist Noise ออกมาอีก ทำให้พวกเครื่องเสียงที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบ R2R จะต้องออกแบบระบบระบายความร้อนที่ดี หรือใช้วงจรที่ออกแบบมาเพื่อรักษาเสถียรภาพของตัวต้านทานให้คงที่ตลอดการใช้งาน

อีกปัญหาที่เจอได้คือ Parasitic Capacitance ชื่อดูยาก อย่าพึ่งตกใจนะ มันคือปัญหาที่เกิดจากเมื่อวงจรที่ทำงานซ้อนมาก ๆ มีเส้นทางเส้นทองแดงที่ยาว และเยอะมาก ๆ มันจะทำให้เกิดค่าความจุไฟฟ้าที่แฝงขึ้นมาระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ ทำให้มันเข้าไปหน่วงความเร็วในการเปิดและปิด Switch ซึ่งเราบอกแล้วว่า ความเร็วส่วนนี้มีผลต่อคุณภาพเสียง บวกกับลักษณะการทำงานเป็นขั้นบันได หากขั้นใดขั้นหนึ่งมีปัญหา แน่นอนว่า ที่เหลือเละเป็นโดมิโน่แน่นอน ดังนั้นเพื่อเป็นการแก้ปัญหา วิศวกรจะต้องออกแบบเส้นทางระหว่างอุปกรณ์หนักมาก ๆ เพื่อลดผลกระทบให้น้อยที่สุด เรียกว่าเป็นทั้งศาสตร์และศิลป์เลย

ทำให้เราบอกเลยว่า ที่มันแพง มันไม่ได้แพงเพราะเขาอยากขายแพง แต่การออกแบบก็ยาก การผลิตก็ยาก แถมยังต้องมานั่งแก้ปัญหาตอนใช้งานอีก มีตรงไหนไม่ปวดหัวบ้างก่อน เนี่ยแหละที่มาของประโยคที่บอกว่า ของดีเฮียเก็บไว้ใช้เองเถอะ

สรุป : R2R DAC เข้ามาตอบโจทย์นักฟังเพลงยังไง ?

ถ้าพิจารณาจากตัวเลข หรือ กราฟอย่างเดียว บวกกับปัญหาตั้งแต่การออกแบบ การผลิต และการใช้งานแล้ว มันดูเป็นเทคโนโลยีที่โคตรล้าหลัง ไปใช้ Delta-Sigma น่าจะดีกว่าเยอะ แต่โลกของการรับรู้ของคน มันไม่ได้เป็นไปตามความสมบูรณ์ที่บอกด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาตร์เท่านั้น ความไม่สมบูรณ์ในบางจุดของ R2R กลับมอบความชอบที่หูบางคนชอบ และถวิลหามากที่สุด

R2R DAC จึงไม่ใช่เครื่องมือสำหรับผู้ที่ตามล่าหาความเพี้ยนของสัญญาณ หรือกราฟความแม่นยำที่ไร้ที่ติ แต่มันคือการเข้าถึงสุนทรีภาพของการฟังเพลง และหยาดเหงื่อ และจินตนาการของวิศวกรที่ออกแบบมาเพื่อคนที่ชอบฟังเพลงจริง ๆ ต้องการหนีจากความแห้งของความเป็น Digital สูง ๆ พูดตรง ๆ ว่าเหมือนกับการได้เอาความเป็น Analog กลับมาในยุคที่โลกเราเปลี่ยนไปเป็น Digital หมดแล้วจริง ๆ