همه چیز در مورد نرخ نمونه برداری

وقتي صحبت از نرخ نمونه برداري به ميان مي آيد بيشترين بحث و جدل پيرامون انتخاب نرخ نمونه برداري مناسب شکل ميگيرد. عده اي بر اين باورند که استفاده از نرخ نمونه برداري بالاتر سبب افزايش کيفيت سيگنال ميشود و عده اي ديگر بر روي قانون نيکوييست پا فشاري کرده و استفاده از نرخ هاي نمونه برداري بالاتر را بيهوده تلقي مي نمايند. در اين بخش سعي کردم تمامي زواياي مربوط به اين بحث را بررسي و در نهايت به يک نتيجه گيري علمي برسيم.نرخ نمونه برداري

ابتدا بايد به اين نکته اشاره کرد که زماني که در مورد استفاده از نرخ هاي نمونه برداري بالاتر صحبت مي شود بايد ابتدا مشخص شود نرخ نمونه برداري بالاتر در مرحله ضبط استفاده مي شود يا در مرحله پخش و يا در حين عمل پردازش ديجيتال. چراکه طبق مشاهدات علمي اين سه مورد داراي تفاوت مي باشند.ميکس و مسترينگ

نرخ هاي نمونه برداري استاندارد موجود عبارتند از:

???? Khz : جهت CDصوتي و VCD,SVCD و MP3

?? Khz : جهت براي تجهيزات حرفه اي ويديويي، DVD و تلويزيون ديجيتال

???? Khz : مورد استفاده دربعضي تجهيزات حرفه اي در هنگامي که فرمت نهايي CD صوتي مي باشد

?? Khz : جهت استفاده در DVD صوتي و تصويري و Blue ray

????? Khz: مورد استفاده دربعضي تجهيزات حرفه اي درهنگامي که فرمت نهايي CD صوتي مي باشد

???Khz : جهت استفاده در DVD صوتي و تصويري و Blue ray

???Khz : جهت استفاده در بعضي نرم افزارهاي اديت صوتي

براي بررسي تاثير نرخ نمونه برداري بالاتر بر کيفيت سيگنال ابتدا به بيان نظريه هاي مختلف مي پردازيم.

?- ضبط صدا با نرخ نمونه برداري بالاتر باعث ضبط فرکانس هاي فرا صوت مي شود و گرچه اين فرکانس ها توسط گوش شنيده نمي شود اما به صورت نا محسوس سبب گرم تر شدن سيگنال ضبط شده مي گردد.

?- ضبط صدا با نرخ نمونه برداري بالاتر به جهت افزايش تعداد نقاط نمونه برداري از سيگنال، سبب ميشود سيگنال ضبط شده داراي دقت بالاتري نسبت به اصل سيگنال باشد.

?- استفاده از نرخ نمونه برداري بالاتر در هنگام ضبط و پخش به دليل استفاده ازaliasing filter با شيب کمتر سبب بهبود کيفيت سيگنال و کاهش اثرات ناخواسته اين فيلتربر روي فرکانسهاي محدوده شنوايي مي شود.

?- استفاده از افکتهاي صوتي در نرخ نمونه برداري بالاتر باعث بالاتر رفتن کيفيت و کاهش ديستورشن ناشي از فرايند مي شود.

حال به پاسخ تک تک اين موارد مي پردازيم.

?- مورد يک به طور کامل مردود مي باشد زيرا بر فرض توانايي مبدل آنالوگ به ديجيتال براي ضبط سيگنال هاي فراصوت ، پاسخ گويي فرکانسي ?? درصد ميکروفن ها در محدوده ?? هرتز تا ?? کيلوهرتز است و عملا فرکانس هاي فراصوت توسط اين ميکروفن ها قابل ضبط نمي باشند.

تست هاي دقيق در آزمايشگاه هاي مجهز مشخص کرده استفاده از نرخ نمونه برداري بالاتر باعث ايجاد ديستورشن در مبدل آنالوگ به ديجيتال مي باشد و محققان بر اين باورند که اين ديستورشن سبب ايجاد تغييري ناچيز ولي محسوس در صداي ضبط شده با نرخ نمونه برداري بالاتراز ?? کيلوهرتزاست و به مذاق عده اي از صدابرداران خوش مي آيد.

دليل ايجاد اين ديستورشن در سرعت هاي بالاي نمونه برداري به مباحث الکترونيکي از جمله زمان لازم براي شارژ و دشارژ خازن ها بر مي گردد که خارج از موضوع بحث ماست.

?- از آنجايي که عملا در هنگام ضبط فرکانسي بالاتر از حدود ?? کيلوهرتز ضبط نمي شود(توضيح شماره يک)، طبق قانون علمي نيکوييست نرخ نمونه برداري????? به طور کامل محدوده شنوايي را پوشش داده و نيازي به سمپل ريت بالاتر نيست.

?- اين مورد در مبدل هاي قديمي تر که از فيلتر آنالوگ بهره مي بردند توسط آزمايش هاي علمي به اثبات رسيده است البته در صورت طراحي صحيح و استفاده از قطعات با کيفيت که معمولا باعث گران شدن قيمت محصول مي شد، فيلتر در فرکانس ????? هم پاسخ قابل قبولي داشت.

بسياري از مبدل هاي امروزي براي رفع مشکل aliasing filter از روشي به نام Oversampling استفاده مي کنند وطي آن با نرخ نمونه برداري بسيار بالاتر از نرخ نمونه برداري که شما بر روي دستگاه تعيين کرديد (??، ?? و يا ??? برابر) از سيگنال نمونه برداري مي شود و سپس aliasing filter متناسب با نرخ نمونه برداري انتخابي شما به صورت ديجيتال(نه آنالوگ) بر روي سيگنال اعمال ميشود. در هنگام باز پخش سيگنال ( تبديل ديجيتال به آنالوگ) هم ابتدا over sampling انجام مي پذيرد و بعد از اعمال فيلترمتناسب با نرخ نمونه برداري انتخابي شما سيگنال ديجيتال به آنالوگ تبديل مي شود.

به عنوان مثال فرض مي کنيم نرخ نمونه برداري کارت صداي خود را روي ????? تنظيم کرده ايم و قصد ضبط صداي خواننده را داريم . کارت صداي ما بسته به مدل خود، نرخ نمونه برداري تعيين شده توسط ما را در ?? ، ?? و يا ??? ضرب مي کند و صداي خواننده را با اين نرخ نمونه برداري بسيار بالا از آنالوگ به ديجيتال تبديل کرده و بعد از اعمال aliasing filter مجدد فرکانس را به ????? تقليل مي دهد. در هنگام پخش صداي ضبط شده خواننده، ابتدا نرخ نمونه برداري را مجدد بالا مي برد و بعد از اعمال فيلتر پايين گذر ديجيتال و متناسب با نرخ نمونه برداري انتخاب شده، جهت پخش، سيگنال را به آنالوگ تبديل مي کند.

با اين روش( استفاده ازover sampling) عملا فضاي لازم بين حد بالاي فرکانس قابل شنيدن (حدود ?? کيلوهرتز) و بالاترين فرکانس فرا صوت نمونه برداري شده توسط مبدل، جهت اعمال يک فيلتر پايين گذر(aliasin filter) با شيب کم فراهم مي آيد.

با توجه به مطالب فوق مشخص مي گردد انتخاب نرخ نمونه برداري پايين تريا بالاتر در مبدل هاي امروزي تاثيري در کيفيت عملکرد aliasing filter ندارد.

?- مورد ? از نظر علمي به اثباط رسيده است. به طور کلي تمامي پروسس هايي نظير compression, Equalization, distortion و غيره که موجب ايجاد فرکانس هاي هارمونيک جديد ميگردند ، جهت دستيابي به کيفيت بهتر پردازش و کاهش اعوجاج ناشي از پردازش نيازمند نرخ نمونه برداري بالاتر هستند. اساسا در پردازش سيگنال به دليل جا بجايي و تغيير مقادير سمپل ها هرچه تعداد نقاط سمپل گيري از يک سيگنال بيشتر باشد پردازش دقيق تر و با درصد اعوجاج کمتر انجام مي پذيرد .

از مجموع مباحث فوق که البته به اختصار مطرح گرديد مي توان به اين نتيجه گيري رسيد که در سيستم هاي پيشرفته امروزي جهت ضبط ديجيتال صدا، نرخ نمونه برداري ????? هرتز کاملا کفايت مي کند . جهت پخش تا فرکانس ?? کيلو هرتز قابل قبول اما غير ضروري و جهت پردازش سيگنال استفاده از نرخ هاي نمونه برداري بالاتر سبب افزايش کيفيت کار مي گردد.

نکته ديگر در بحث استفاده از نرخ هاي نمونه برداري بالاتر، ميزان توان رايانه مورد استفاده است . ميزان مصرف CPU و همچنين فضاي لازم جهت ذخيره سازي اطلاعات با دو برابر شدن نرخ نمونه برداري دو برابر مي شود و اين ميزان فشار بر سيستم در سيستمهاي نه چندان پر قدرت عملا مشکلات عديده اي را براي کاربر ايجاد مي نمايد. علاوه بر اين بسياري از پلاگين ها و نرم افزار هاي جانبي در نرخ هاي نمونه برداري بالا مثل ??? و??? دچار مشکل شده و از طرف ديگر تعداد ورودي هاي سخت افزاري اکثر رابط هاي صوتي با افزايش سمپل ريت کاهش مي يابد.

با توجه به جميع جهات و مطالبي که در ابتدا مطرح گرديد به جز در مرحله ميکس و مسترينگ استفاده از سمپل ريت بالاتر از ????? مقرون به صرفه و تو جيه پذير نبوده و نتايج منفي آن بسيار بيشتر از نتايج مثبت آن(در صورت وجود !!!) مي باشد. 

منبع" sdrecords.ir ت