ضبط کننده صدای دیجیتال
ضبط کننده صدای دیجیتال به چه صورت کار میکند
در این مقاله دو قسمتی وب‌سایت ایران توشیبا می خواهیم شما را با اصول ابتدایی ضبط کننده صدای دیجیتال در دستگاه ضبط صدا آشنا کنیم.
اگر برای شما نیز جذاب است که بدانید این دستگاه های کوچک چگونه صدای محیط اطراف را ضبط می کنند؛
با این مقاله همراه باشید.
تبدیل اعداد به صوت و برعکس
در سیستم‌های ضبط کننده صدای دیجیتال، صدا به عنوان موجی از اعداد ذخیره و دستکاری می‌شود
هر عدد فشار هوا را در لحظه‌ای خاص نشان می‌دهد.
اعداد توسط میکروفونی تولید می‌شوند که بر روی یک مدار به نام “تبدیل کننده آنالوگ به دیجیتال” یا همان ADC قرار دارد.
اعداد با نام نمونه (سمپل) شناخته می‌شوند و تعداد اعداد گرفته شده به ازای هر ثانیه نرخ نمونه برداری(Sample Rate) نام دارد.
در نهایت، اعداد توسط “تبدیل کننده دیجیتال به آنالوگ” یا DAC به صدا تبدیل می‌شوند؛ که بر روی بلندگو قرار دارد.
شکل ۱. زنجیره سیگنال دیجیتالی
شکل ۱ اجزاء سیستم دیجیتال را نشان می‌دهد.
دقت کنید که خروجی ADC و ورودی DAC از مجموعه‌ای از سیم‌ها تشکیل شده است.
این سیم‌ها اعدادی را حمل می‌کنند که به عنوان نتیجه تبدیل آنالوگ به دیجیتال شناخته می‌شوند.
این اعداد در سیستم اعداد دوتایی قرار دارند که تنها شامل دو عدد ۰ و ۱ می‌شود.
(مداربندی در حقیقت بر مبنای کلیدهایی ساخته می‌شود که در دو حالت خاموش یا روشن قرار دارند.)
میزان هر علامت به جایگاه آن در عدد بستگی دارد.
درست مانند چیزی که در سیستم‌های اعشاری می‌بینیم. در اینجا می‌توانیم چند نمونه از این معادلات را ببینیم:
۰=۰
۱=۱
۱۰=۲
۱۱=۳
۱۰۰=۴
۱۱۱۱=۱۵
۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱۱=۶۵۵۳۵
هر کدام از اعداد با نام بیت شناخته می‌شوند؛ بنابراین آخرین عدد برابر با ۱۶ بیت است.
اگر عدد دومی را ۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ می‌نوشتیم، در این صورت برابر با ۱۶ بیت و دارای میزان ۱ خواهد بود.
اندازه لغات
تعداد بیت‌های موجود در اعداد، با کیفیت سیگنال رابطه مستقیم دارد.
شکل ۲ نحوه کارکرد آن را نشان می‌دهد.
تعداد سطوح ولتاژ ممکن در خروجی برابر با تعداد نرخ‌هایی است که توسط بزرگ‌ترین عدد نشان داده می‌شود.
اگر در عدد مورد نظر تنها یک بیت وجود داشته باشد؛
خروجی نهایی تنها یک ریتم خالی با دامنه ثابت خواهد بود و حدودا در فرکانس ورودی قرار خواهد داشت.
اگر در عدد مورد نظر بیت‌های بیشتری وجود داشته باشند، موج صدا با دقت بیشتری پردازش می‌شود؛
چرا که هر بیت اضافه شده تعداد نرخ‌ها را دو برابر میکند.
تحریف صدا برابر با درصدی است که کم‌ترین بیت نشان می‌دهد. با کاهش سطح سیگنال در سیستم‌های دیجیتالی تحریف صدا بیشتر می‌شود، که این برخلاف سیستم‌های آنالوگ است.
شکل ۲. تاثیر اندازه لغات
تعداد بیت‌های موجود در اعداد همچنین دامنه دینامیک را تعیین میکند.
تکان دادن یک عدد دوتایی به سمت چپ کمیت اعداد را دو برابر میکند
(همان‌طور که تکان دادن اعداد اعشاری به سمت چپ کمیت آنها را ده برابر میکند).
پس هر بیت باعث دو برابر شدن ولتاژی می‌شود که ممکن است نشان داده شود.
دو برابر کردن ولتاژ نیروی موجود را تا ۶ dB بیشتر میکند،
پس می‌توانیم به این نتیجه برسیم که دامنه دینامیک در دسترس تقریبا برابر با تعداد بیت‌ها ضرب در ۶ dB است.
نرخ نمونه‌برداری ضبط کننده صدای دیجیتال
نرخی که اعداد در بازه آن تولید می‌شوند حتی از تعداد بیت‌ها نیز مهم‌تر است.
شکل ۳ این نکته را توضیح می‌دهد.
اگر نرخ نمونه برداری از فرکانسی کمتر باشد که در پی گرفتن آن هستیم،
چرخه‌های کامل ممکن است از دست بروند؛
و نتیجه رمزگشایی شده ممکن است فرکانس بسیار کمی داشته باشد و اصلا شبیه موج درست نباشد.
این نوع اشتباه با نام بدنمایی (Aliasing) شناخته می‌شود.
اگر نرخ نمونه‌برداری دقیقا با فرکانس ورودی برابر باشد؛ نتیجه به شکل یک خط مستقیم خواهد بود، چرا که همیشه همان نقطه از موج بررسی خواهد شد.
این اتفاق حتی ممکن است زمانی رخ دهد که نرخ نمونه‌برداری دو برابر فرکانس ورودی باشد.
مخصوصا اگر فرکانس به شکل سینوسی یا شبیه به هم باشد.
نرخ نمونه‌برداری باید دو برابر فرکانس اندازه‌گیری شده باشد تا نتایج دقیقی به دست آیند.
(بیان ریاضیاتی این امر برابر با قضیه نایکوئیست است.)
این یعنی اگر ما با صدا سروکار داشته باشیم، باید حداقل نمونه‌ای برابر با ۴۰,۰۰۰ بیت در ثانیه داشته باشیم.
شکل ۳. تاثیرات نرخ نمونه برداری پایین
نرخ نایکوئیست
نرخ نایکوئیست (دو برابر فرکانس مورد نظر) پایین‌ترین حد نرخ نمونه‌برداری است.
برای به دست آوردن بهترین نتایج، نرخ‌های نمونه‌برداری مورد استفاده باید دو یا چهار برابر این باشند.
شکل ۴ ارتقاء موج را با افزایش نرخ نمونه‌برداری نشان می‌دهد.
شکل ۴. تاثیرات افزایش نرخ نمونه برداری
نرخ نمونه برداری ضبط کننده صدای دیجیتال
حتی در نرخ نمونه برداری بالا، خروجی سیستم به شکل مجموعه‌ای از مراحل خواهد بود.
تحلیل فوریر از این مسئله نشان می‌دهد که همه چیزهای متعلق به سیگنال را می‌توان در آن پیدا کرد و همچنین می‌توان دوز مناسبی از نرخ نمونه‌برداری و هم آواهای آن را نیز مشاهده کرد.
چیزهای به درد نخور دیگر را باید با استفاده از یک فیلتر حذف کرد، که کمی بالاتر از بیشترین فرکانس مطلوب قرار دارد.
(یک فیلتر مشابه این را باید قبل از ADC قرار داد تا از بدنمایی محتوای فراصوتی مانند فرکانس‌های رادیویی جلوگیری کنیم).
اگر نرخ نمونه‌برداری دو برابر فرکانس مورد نظر باشد؛ فیلترها باید بسیار بالا باشند تا جواب فرکانس به درستی به دست آید.
ساختن چنین فیلترهایی دشوار و پرهزینه است.
بسیاری از سیستم‌ها در خروجی خود از نرخ نمونه‌برداری بسیار بالایی استفاده می‌کنند تا فیلترها را تقویت کنند.
نمونه‌های اضافی مورد نیاز برای تولید یک نرخ بسیار بالا از نمونه‌های ضبط شده گرفته می‌شوند.
در همین حال، مدارهایی که نرخ نمونه‌برداری را تولید می‌کنند باید بسیار دقیق باشند.
هر تفاوت میان نرخ نمونه‌برداری مورد استفاده برای ضبط صدا و نرخ مورد استفاده در پخش صدا باعث تغییر در زیروبمی صدا خواهد شد، درست مانند چیزی که در نوارهای آنالوگ می‌بینیم.
همچنین هرگونه بی‌ثباتی یا لرزش در نرخ‌ها باعث تحریف سیگنال‌ها خواهد شد؛
چراکه در حال تبدیل از آنالوگ یا به سمت آن است.
در قسمت بعدی این مقاله درباره ضبط کننده صدای دیجیتال، تصحیح خطا در ضبط صدای دیجیتال و مزایای ضبط صدا به شیوه دیجیتال در مقایسه با آنالوگ می‌پردازیم.
منبع : https://en.wikipedia.org
