خانه مسترینگ

خانه مسترینگ

استودیوی شخصی سرمد دهنادی

همه چیز در مورد نرخ نمونه برداری ۲

وقتی صحبت از نرخ نمونه برداری به میان می آید بیشترین بحث و جدل پیرامون انتخاب نرخ نمونه برداری مناسب شکل میگیرد. عده ای بر این باورند که استفاده از نرخ نمونه برداری بالاتر سبب افزایش کیفیت سیگنال میشود و عده ای دیگر بر روی قانون نیکوییست پا فشاری کرده و  استفاده از نرخ های نمونه برداری  بالاتر را بیهوده تلقی می نمایند. در این بخش سعی کردم تمامی زوایای مربوط به این بحث را بررسی و در نهایت به یک نتیجه گیری علمی برسیم.نرخ نمونه برداری

ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که زمانی که در مورد استفاده از نرخ های نمونه برداری بالاتر صحبت می شود باید ابتدا مشخص شود نرخ نمونه برداری بالاتر در مرحله ضبط استفاده می شود یا در مرحله پخش و یا در حین عمل پردازش دیجیتال. چراکه طبق مشاهدات علمی این سه مورد دارای تفاوت می باشند.

نرخ های نمونه برداری استاندارد موجود عبارتند از:

۴۴٫۱ Khz : جهت  CDصوتی و VCD,SVCD و MP3

۴۸ Khz : جهت برای تجهیزات حرفه ای ویدیویی، DVD  و تلویزیون دیجیتال

۸۸٫۲ Khz : مورد استفاده دربعضی تجهیزات حرفه ای در هنگامی که فرمت نهایی CD صوتی می باشد

۹۶ Khz : جهت استفاده در DVD صوتی و تصویری و Blue ray

۱۷۶٫۴ Khz: مورد استفاده دربعضی تجهیزات حرفه ای درهنگامی که فرمت نهایی CD صوتی می باشد

۱۹۲Khz : جهت استفاده در DVD صوتی و تصویری و Blue ray

۳۸۴Khz : جهت استفاده در بعضی نرم افزارهای ادیت صوتی

برای بررسی تاثیر نرخ نمونه برداری بالاتر بر کیفیت سیگنال ابتدا به بیان نظریه های مختلف می پردازیم.

۱-    ضبط صدا با نرخ نمونه برداری بالاتر باعث ضبط فرکانس های فرا صوت می شود و گرچه این فرکانس ها توسط گوش شنیده نمی شود اما به صورت نا محسوس سبب گرم تر شدن سیگنال ضبط شده می گردد.

۲-    ضبط صدا با نرخ نمونه برداری بالاتر به جهت افزایش تعداد نقاط نمونه برداری از سیگنال، سبب میشود سیگنال ضبط شده دارای دقت بالاتری نسبت به اصل سیگنال باشد.

۳-    استفاده از نرخ نمونه برداری بالاتر در هنگام ضبط و پخش به دلیل استفاده ازaliasing filter با شیب کمتر سبب بهبود کیفیت سیگنال و کاهش اثرات ناخواسته این فیلتربر روی فرکانسهای محدوده شنوایی می شود.

۴-    استفاده از افکتهای صوتی در نرخ نمونه برداری بالاتر باعث بالاتر رفتن کیفیت و کاهش دیستورشن ناشی از فرایند می شود.

حال به پاسخ تک تک این موارد می پردازیم.

۱-    مورد یک به طور کامل مردود می باشد زیرا بر فرض توانایی مبدل آنالوگ به دیجیتال برای ضبط سیگنال های فراصوت ، پاسخ گویی فرکانسی ۹۹ درصد میکروفن ها در محدوده ۲۰  هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز است و عملا فرکانس های فراصوت توسط این میکروفن ها قابل ضبط نمی باشند.

تست های دقیق در آزمایشگاه های مجهز مشخص کرده استفاده از نرخ نمونه برداری بالاتر باعث ایجاد دیستورشن در مبدل آنالوگ به دیجیتال می باشد و محققان بر این باورند که این دیستورشن  سبب ایجاد تغییری ناچیز ولی محسوس در صدای ضبط شده با نرخ نمونه برداری بالاتراز ۶۴ کیلوهرتزاست و به مذاق عده ای از صدابرداران خوش می آید.

دلیل ایجاد این دیستورشن در سرعت های بالای نمونه برداری به مباحث الکترونیکی از جمله زمان لازم برای شارژ و دشارژ خازن ها بر می گردد که خارج از موضوع بحث ماست.

۲-    از آنجایی که عملا در هنگام ضبط فرکانسی بالاتر از حدود ۲۰ کیلوهرتز ضبط نمی شود(توضیح شماره یک)، طبق قانون علمی نیکوییست نرخ نمونه برداری۴۴۱۰۰ به طور کامل محدوده شنوایی را پوشش داده و نیازی به سمپل ریت بالاتر نیست.

۳-    این مورد در مبدل های قدیمی تر که از فیلتر آنالوگ بهره می بردند توسط آزمایش های علمی به اثبات رسیده است البته در صورت طراحی صحیح و استفاده از قطعات با کیفیت که معمولا باعث گران شدن قیمت محصول می شد، فیلتر در فرکانس ۴۴۱۰۰ هم پاسخ قابل قبولی داشت.

بسیاری از مبدل های امروزی برای رفع مشکل aliasing filter از روشی به نام Oversampling استفاده می کنند وطی آن  با نرخ نمونه برداری بسیار بالاتر از نرخ نمونه برداری که شما بر روی دستگاه تعیین کردید (۳۲، ۶۴ و یا ۱۲۸ برابر) از سیگنال نمونه برداری می شود و سپس aliasing filter   متناسب با نرخ نمونه برداری انتخابی شما به صورت دیجیتال(نه آنالوگ) بر روی سیگنال اعمال میشود.  در هنگام  باز پخش سیگنال ( تبدیل دیجیتال به آنالوگ) هم ابتدا over sampling  انجام می پذیرد و بعد از اعمال فیلترمتناسب با نرخ نمونه برداری انتخابی شما  سیگنال دیجیتال به آنالوگ تبدیل می شود.

به عنوان مثال فرض می کنیم نرخ نمونه برداری کارت صدای خود را روی ۴۴۱۰۰ تنظیم کرده ایم و قصد ضبط صدای خواننده را داریم . کارت صدای ما بسته به مدل خود، نرخ نمونه برداری تعیین شده توسط ما را در ۳۲ ، ۶۴ و یا ۱۲۸ ضرب می کند و صدای خواننده را با این نرخ نمونه برداری بسیار بالا از آنالوگ به دیجیتال تبدیل کرده و بعد از اعمال aliasing filter مجدد فرکانس را به ۴۴۱۰۰  تقلیل می دهد. در هنگام پخش صدای ضبط شده خواننده، ابتدا نرخ نمونه برداری را مجدد بالا می برد و بعد از اعمال فیلتر پایین گذر دیجیتال و متناسب با نرخ نمونه برداری انتخاب شده، جهت پخش، سیگنال را به آنالوگ تبدیل می کند.

با این روش( استفاده ازover sampling) عملا فضای لازم بین حد بالای فرکانس قابل شنیدن (حدود ۲۰ کیلوهرتز) و بالاترین فرکانس فرا صوت نمونه برداری شده توسط مبدل، جهت اعمال یک فیلتر پایین گذر(aliasin filter) با شیب کم فراهم می آید.

با توجه به مطالب فوق مشخص می گردد انتخاب نرخ نمونه برداری پایین تریا بالاتر در مبدل های امروزی تاثیری در کیفیت عملکرد aliasing filter ندارد.

۴-    مورد ۴  از نظر علمی به اثباط رسیده است. به طور کلی تمامی پروسس هایی نظیر compression, Equalization, distortion   و غیره که موجب ایجاد فرکانس های هارمونیک جدید میگردند ، جهت دستیابی به کیفیت بهتر پردازش و کاهش اعوجاج ناشی از پردازش نیازمند نرخ نمونه برداری بالاتر هستند. اساسا در پردازش سیگنال به دلیل جا بجایی و تغییر مقادیر سمپل ها هرچه تعداد نقاط سمپل گیری از یک سیگنال بیشتر باشد پردازش دقیق تر و با درصد اعوجاج کمتر انجام می پذیرد .

از مجموع مباحث فوق که البته به اختصار مطرح گردید می توان به این نتیجه گیری رسید که در سیستم های پیشرفته امروزی جهت ضبط دیجیتال صدا، نرخ نمونه برداری ۴۴۱۰۰ هرتز کاملا کفایت می کند . جهت پخش تا فرکانس ۹۶ کیلو هرتز قابل قبول اما غیر ضروری و جهت پردازش سیگنال استفاده از نرخ های نمونه برداری بالاتر سبب افزایش کیفیت کار می گردد.

نکته دیگر در بحث استفاده از نرخ های نمونه برداری بالاتر، میزان توان رایانه مورد استفاده است . میزان مصرف CPU  و همچنین فضای لازم جهت ذخیره سازی اطلاعات با دو برابر شدن نرخ نمونه برداری دو برابر می شود و این میزان فشار بر سیستم در سیستمهای نه چندان پر قدرت عملا مشکلات عدیده ای را برای کاربر ایجاد می نماید. علاوه بر این بسیاری از پلاگین ها و نرم افزار های جانبی در نرخ های نمونه برداری بالا مثل ۱۷۶ و۱۹۲ دچار مشکل شده و از طرف دیگر تعداد ورودی های سخت افزاری اکثر رابط های صوتی با افزایش سمپل ریت کاهش می یابد.

با توجه به جمیع جهات و مطالبی که در ابتدا مطرح گردید به جز در مرحله میکس و مسترینگ استفاده از سمپل ریت بالاتر از ۴۴۱۰۰ مقرون به صرفه و تو جیه پذیر نبوده و نتایج منفی آن بسیار بیشتر از نتایج مثبت آن(در صورت وجود !!!) می باشد.

برای مطالعه بیشتر می توانید به این لینک مراجعه فرمایید.

                                                                                                                                                                       سرمد دهنادی

                                                                                                                                                                       ۱۶ تیرماه ۱۳۹۲