يك شنبه , 26 آذر 1396
  • :
  • :
محیط دیجیتال

امتیاز شما

توضیحات دسته: محیط دیجیتالی بازدید: 3353

همیشه ذهن محققین و مهندسان مخابرات این بوده که بتوانند برای ذخیره­‌سازی، محیط پایدار و جهت ارسال پیام، کانال امنی ابداع نمایند. نتیجه تحقیقات به آنجا ختم شد که برای ذخیره­‌سازی از محیط­‌‌های مکانیکی(گرامافون) و مغناطیسی(ضبط مغناطیسی) و الکتریکی(Cool memory SDD) و یا نوری (...,CD,DVD) استفاده نمایند و برای ارسال پیام‌ها از کابل‌های متقارن و امواج الکترومغناطیس بهرمند شوند.

۱- چرا محیط دیجیتال

۲- شناخت محیط دیجیتال

۳- دو مسیر انتقال

۴- مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog to Digital Convertor. ADC)

   ۴-۱ نمونه­‌برداری (Sampling)

   ۴-۲ سطح بندی (Quantizing)

۵- مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital to Analog Convertor. DAC)

 

۱- چرا محیط دیجیتال

همیشه ذهن محققین و مهندسان مخابرات این بوده که بتوانند برای ذخیره­‌سازی، محیط پایدار و جهت ارسال پیام، کانال امنی ابداع نمایند. نتیجه تحقیقات به آنجا ختم شد که برای ذخیره­‌سازی محیط­‌‌های مکانیکی(گرامافون) و مغناطیسی(ضبط مغناطیسی) و الکتریکی(Cool memory SDD) و یا نوری (...,CD,DVD) استفاده نمایند و برای ارسال پیامها از کابلهای متقارن و امواج الکترومغناطیس بهرمند شوند. با اینکه تا قبل از ورود به محیط دیجیتال توانسته بودند محیط­های امن را فراهم نمایند، لیکن همیشه سیگنال مزاحمی (نویز) این عملیات را تهدید می­نمود. سیگنال مزاحم نویز دارای تنوع و گستردگی فراوانی است. ساده‌­ترین آن دامنه­ نویز الکترومغناطیسی است که علاوه بر انتقال پیامها - می­‌تواند برای سایر محیط­های ارسال نیز مزاحم باشد. در این سالها نفوذ دامنه­ نویز بر روی محیط­ های آنالوگ (پیوسته) آزار دهنده بود. تنها راه حل دست یافتنی کنترل نفوذ آن به محیط­های مزبور بود،که با اعمال شیلدینگ در دستگاه‌های الکترونیکی تا حدودی به این امر موفق شدند.

انتخاب مدولاسیون (FM) به جای مدولاسیون (AM) در زمینه ­ارسال پیامها توسط امواج الکترومغناطیسی توانست تا حد قابل توجهی از ورود دامنه­ نویز به کانال انتقال جلوگیری نمایند. حتی روش مدولاسیون (FM) که کارخانه (Ampex) در ضبط ویدیو ابداع نمود میزان آسیب­ پذیری روی سیگنال آنالوگ را کاهش داد. این روش در دهه ۵۰ میلادی امنیت بر روی محیط مغناطیسی را بالا برد. این موارد اگر چه ورود دامنه­ نویز را با وجود امکانات و تجهیزات آن موقع کنترل می­‌نمود اما تقریبا آخرین ترفندهایی بود که توانسته بودند بکار بگیرند.

دامنه­ نویز بر روی تغییرات دامنه سیگنال اثر گذار است به عبارت دیگر با دامنه­ ­سیگنال اطلاعات جمع شده و در طول راه برای ذخیره­‌سازی و همچنین انتقال باقی می­‌ماند. در صورت عدم کنترل آن در تکرار ذخیره‌­سازی و همچنین ارسال می­‌تواند دامنه نویز را دو چندان نماید. بنابراین به دنبال روشی همانند مدولاسیون (FM) بودند که به جای تغییرات در دامنه، تغییرات درفرکانس ایجاد نمایند، آن گاه مشکل اساسی قابل حل بود و دامنه­ ­نویز نیز قابل حذف می­‌گردید.

نسبت سیگنال به نویز محیط ضبط صوت آنالوگ ناگرا برای سرعت (۷/۵in/s) در بهترین شرایط (۶۵dB) است. برای افزایش نسبت سیگنال به نویز تا مرز (۷۲dB) می‌­بایست سرعت نوار را دو برابر ­نمود. در نتیجه برای افزایش نسبت سیگنال به نویز حتما افزایش هزینه چشمگیر خواهد شد. بطور معمول دستگاه ضبط کاست که دارای نسبت سیگنال به نویز (۴۵dB) است برای ارتقا به سطح (۵۰dB) هزینه تمام شده آن حداقل دو برابر دستگاه معمولی می­‌شود و یا برای افزایش نسبت سیگنال به نویز محیط اپتیک در فیلم (۳۵mm) از (۴۵dB) به (۶۵dB) نیاز به ابداع روش نوین (Dolby-SR) می­‌شود. این عمل موجب تغییراتی عمده­‌ای تجهیزات جدید در هر سالن سینما می­‌شود.

چگونگی ورود دامنه­ نویز در زمان ارسال (امواج الکترومغناطیس) و یا ذخیره علایم الکتریکی در محیط­ های ضبط مغناطیسی را در شکل ۱ مشاهده می­‌کنید. دامنه­ نویز پس از ورود در حین انجام فرآیند ارسال و ذخیره­‌سازی بیشتر بر روی دامنه سیگنال آنالوگ اثر می­‌گذارد. همچنین این تغییرات می­‌توانست به صورت پارازیت در محدوده­ه‌ای نامعین سیگنال آنالوگ نیز وارد گردد. در چنین شرایطی امنیت سیگنال آنالوگ سلب شده و نیاز به حفاظت بیشتری دارد. یکی از این پیشنهادها تغییر ماهیت سیگنال آنالوگ است. این کار شبیه دستور العملی قدیمی است که برای حفاظت از نامه­‌های ارسالی آن را به رمز می­‌نگاشتند. در سیستم­‌های مخابرات آنالوگ روش‌های گوناگونی برای ایجاد رمز ارایه گردید که مهمترین آن تغییر محیط آنالوگ(پیوسته) به محیط دیجیتال (گسسته) بود.

(نویز شناسی):

الف- در محیط آنالوگ اثر دامنه­ نویز اگرچه مشهود است، اما قابل تفکیک نیست. همانند آب شفاف که گل­ آلود می­‌شود.

  ب- در محیط دیجیتال اثر دامنه­ نویز برای سیستم مخابرات قابل شناسایی است و توسط همان ساختار پس از شناسایی از بین می­‌رود.

 

۲- شناخت محیط دیجیتال

برای شناخت محیط دیجیتال ابتدا لازم است محیط آنالوگ را تعریف نموده تا بهتر به ارزش محیط دیجیتال پی ببرید.

محیط آنالوگ(شباهت اندکی به لحظه قبل) این معنی می‌­تواند احساس پیوستگی در تمام دوران تغییرات را تداعی نماید. هنگامی که از یک سیگنال صوتی نام می‌­برید، احساس تداوم لحظات قبل تا بعد را، درک می‌­کنید. به گونه‌­ای که هیچ لحظه‌ای را نمی­‌توانید در آن بیابید که منقطع شده باشد. آنالوگ یعنی (پیوستگی محض در تمام لحظات) و دیجیتال به معنی (رقمی یا عددی) است که همیشه احساس تفرُق و جدایی را تداعی می­‌کند. چنانچه عدد دو با سه نزدیک است اما در ریاضیات این دو عدد بسیار از هم جدا و منفک هستند. زیرا بینهایت عدد مابین این دو عدد وجود دارد تا به هم متصل و پیوسته شوند.

اکنون چرا نیاز به تغییر محیط از آنالوگ به دیجیتال بوجود می­‌آید؟ لازمه­ این کار چیست؟ درک ما از گزارش پیوستگی علایم صوتی بهتر خواهد بود یا ناپیوستگی آنها؟ اما تنها یک علت می­‌تواند کافی باشد تا امینت علایم را در شرایط گسستگی جستجو کرد. چرا که در صورت آسیب (ورود دامنه­ نویز) اعداد تغییر مقدار می‌­دهد و این تغییرات سریعاً در مقصد قابل شناسایی خواهد بود. ضمناً ماشین الکتریکی تنها دو میزان را درک و احساس می­‌کند. (روشن، خاموش)

چنانچه در نمای شکل ۲ مشاهده می­‌کنید، سیگنال آنالوگ قبل از ورود به محیط دیجیتال توسط مدارات مبدل، از آنالوگ به دیجیتال تبدیل می­‌شود. خروجی این مدارات به صورت سیگنالی متوالی است که دارای تنها دو حالت بالا (۱) و پایین(۰) هستند. گزاره این سیگنال معرّف ماهیت گسسته شدن سیگنال آنالوگ است. مجموعه­ سیگنال دیجیتال برای محیط دیجیتال تنها دو حالت بالا (۱) و پایین(۰) را دارد. محیط دیجیتال تفاوتی بین علایم تصویر، تصویر متحرک، داده­‌های جغرافیایی، تغییرات آب و هوا، داده­‌های بورس، داده‌­های مالی و تجاری و همچنین سیگنال صوتی تشخیص نخواهد داد. محیط دیجیتال بعد از فرآیند پردازش، ارسال، ذخیره­‌سازی و انجام عملیاتی که مطابق نرم­ افزار موجود انجام می­‌دهد. نهایتاً در صورت دستور پخش می‌­تواند در مسیر خروجی قرار بگیرد. داده­‌ها دیجیتالی قبل از قرار گرفتن در درگاه خروجی به مدار مبدل (DAC) ارسال می‌شود. در این مدارات پس از اجرای الگوریتم معین، سیگنال دیجیتال را به آنالوگ تبدیل می­‌نماید. چنانچه در شکل مشاهده می­‌کنید سیگنال ورودی آنالوگ به محیط دیجیتال و انجام مراحل مختلف مانند پردازش، ارسال و ذخیره­‌سازی با همان شرایط و بدون دامنه­ نویز اضافی خارج می­‌گردد.

 

۳- دو مسیر انتقال

برای انتقال از محیط انالوگ به دیجیتال دو مسیر پیش بینی شده است که در شکل ۳ مشاهده می­‌کنید.

همانگونه که می­‌دانید سیگنال آنالوگ دارای پیوستگی در زمان و دامنه است.

روش نخست به این صورت است که ابتدا از سیگنال آنالوگ بر اساس قانون نایگوئیست نمونه­‌برداری می­نمایند. در این موقعیت سیگنال از جهت دامنه پیوسته است اما از جهت زمان گسسته می­شود. سپس در مرحله بعد برای گسستگی در دامنه آن را با ارزش سنجی نسبت به سطوح مختلف سطح­‌بندی می‌­نمایند. در این مرحله سیگنال از جهت دامنه و زمان گسسته شده و آماده تبدیل به کد اعداد دودویی یا باینری می­‌شود.

در روش دوم  ابتدا ارزش سنجی می­‌نمایند تا سیگنال از جهت دامنه گسسته گردد. در مرحله بعدی از سیگنال نمونه­‌برداری می­‌نمایند که در انتهای کار سیگنال آنالوگ نیز گسسته در زمان گردد.

معمولا در ورودی هر سیستم دیجیتال از روش اول استفاده می­‌نمایند. ارزش این سیستم­‌ها به سرعت نمونه­‌برداری و انتخاب همزمان چندین ورودی می­‌باشد. روش دوم که از جهت ارزش نسبت به روش اول بهتر است از جهت سازماندهی الکترونیکی نیز پر هزینه می­‌شود. روش دوم معروف به روش مدولاسیون دلتا (Delta Modulation) است.

 

۴- مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog to Digital Convertor. ADC)

هر سیستمی که دارای محیط دیجیتال باشد، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال در ورودی آن طراحی ­و نصب می­‌شود. نمای کلی این درگاه را در شکل ۴ مشاهده می­‌کنید.

در این نما ابتدا از سیگنال آنالوگ به کمک فرکانس معین، نمونه­‌برداری می‌­شود. طبق قانون نمونه­‌برداری، دامنه متغیری که با فواصل معین بدست می­‌آید مبیّن خود سیگنال آنالوگ است. بطوری که به سادگی می­‌توان همین سیگنال را به حالت قبل یعنی سیگنال آنالوگ بازگرداند. اما در ادامه نشان می­‌دهد که برای ارزش­‌دهی(Quantization) می­‌بایست سطوح هر نمونه ارزش­یابی گردد. به همین دلیل در مرحله بعدی دامنه­ نمونه­‌ها را با (n bit) تعداد سطوحی که بر مبنای (۲n ) بدست می­‌آید، مقایسه نموده و ارزش آنها را تعیین می­‌نمایند. سپس برای تبدیل به مبنای دو (باینری) به بخش مبدل اعمال می­‌نماید. همانگونه که بیان شد، تعداد سطوحی که در این قسمت قابل ارزیابی است بر اساس تعداد بیت (n) تعریف می­‌شود. هرچه عدد بیت بیشتر باشد مطمئنا سطوح تشکیل دهنده­ ارزیابی نیز بیشتر و دقیق‌تر خواهد بود.

 

 ۴-۱ نمونه‌برداری(Sampling)

ساختار الکترونیکی مدار نمونه‌­برداری بسیار ساده در شکل ۵ نشان داده شده است. این مدار توسط پالس نمونه­‌زنی با فرکانس نائکویست تغذیه می­‌شود تا از تغییرات دامنه سیگنال آنالوگ نمونه­‌برداری نماید. خروجی این مدار مطابق شکل سیگنالی است که شباهت زیاد به سیگنال ورود دارد بطوریکه تغییرات دامنه همسان با تغییرات دامنه ورودی است که تنها از جهت زمان دچار گسستکی شده است.

براساس قانون نمونه­‌برداری با یک عملیات انتگرال‌گیری می­‌توان سیگنال آنالوگ را از درون این سیگنال استخراج نماید.

انتخاب فرکانس نمونه­‌برداری از مهمترین شاخص‌های مدار نمونه‌­بردار است. بر اساس قانون نائکویست، فرکانس نمونه‌­بردار می­‌بایست حداقل دو برابر و یا کمی بیشتر از دو برابر بیشینه فرکانس موجود در سیگنال آنالوگ باشد. بطور مثال: بیشترین فرکانس موجود در گستره صدا ( ۱۶KHz) است. لذا انتخاب فرکانس نمونه­‌برداری می­‌تواند به اندازه دو برابر (۳۲KHz) یا بیشتر باشد. در شکل ۶  عملیات همزمان نمونه­‌برداری را نشان می­‌دهد.

در عمل برای کیفیت مناسب فرکانس نمونه­برداری (۴۸KHz) و ( ۴۴/۱KHz) و با بیشتر (۹۶KHz) و (۸۸/۲KHz) پیشنهاد شده است.

دامنه­ هر نمونه با همان لحظه­‌ای که سیگنال انالوگ وارد مدار می­‌شود، متناسب است. بنابراین دامنه­ هر لحظه مابین حداکثر ولتاژ (V ۴/۸) و حداقل ولتاژ (۰/۲ V) تغییر می­‌کند.

پرسش:

 راهنمایی: تنها عدد و پارامتر مشترک بین سیستم رنگی (PAL) و (NTSC) است.

 انتخاب فرکانس نمونه‌برداری بر اساس عدم تداخل(Aliasing) به بیشتر از دو برابر بیشینه فرکانس تعریف می­‌شود. در صورتی که فرکانس نمونه­‌برداری کمتر از مقدار نائکویست انتخاب گردد حتماً می­‌بایست قبل از فرآیند نمونه­‌برداری توسط یک فیلتر پایین­‌گذر، فرکانس باند بالا را حذف نموده تا شرایط تداخل(Aliasing) بوجود نیاید. پدیده(Aliasing) موجب ظاهر شدن پارازیتی می­‌شود که در هنگام تبدیل از دیجیتال به آنالوگ، موجودیت فرکانس­‌های بالا را مخدوش می­‌نماید.

ارزش کارتهای صدا در انتخاب فرکانس نمونه­برداری است. هر اندازه انتخاب فرکانس نمونه­برداری را بالاتر تعریف نموده باشد و در عمل نیز بتواند آن را درست انجام دهد، فرآیند تبدیل دارای ارزش کیفی بالاتر خواهد بود. قطعاً اگر از سیگنال آنالوگی با فرکانس (۱۰۰Hz) بخواهد با فرکانس (۴۸KHz) نمونه‌برداری شود، برای هر یک سیگل می­‌تواند (۴۸۰) نمونه و یا از فرکانس(۱KHz) قادر است (۴۸) نمونه و از فرکانس (۱۶KHz) تنها (۳) نمونه انتخاب نماید. این در شرایطی است که اگر فرکانس نمونه‌برداری دو برابر یعنی (۹۶KHz) شود، تعداد نمونه‌­ها دو برابر شده و با داشتن نمونه­‌های بیشتر علاوه بر پردازش دقیق‌­تر بر روی داده­‌ها، از جهت آسیب­‌پذیری نیز حفاظت بیشتری خواهد شد.

معمولا کارت‌های صدا که در روی بُرد اصلی(Main board) نصب شده‌­اند، فرکانس نمونه­‌برداری (۴۸KHz) و (۴۴/۱KHz) و یا پایین­‌تر را پشتیبانی می­‌نمایند و کارت‌های صدای که به صورت جداکانه در کنار محیط دیجیتال (کامپیوتر) نصب می­‌شود ارزش واقعی دارند و با فرکانس (۹۶KHz) و یا (۸۸/۲KHz) نمونه­‌برداری نمایند.

 

۴-۱ ارزش‌­دهی­ (Quantizing)

مرحله بعدی برای تبدیل به بخش ارزش­‌دهی می­‌رسد که در این مرحله هر نمونه از سیگنال نمونه‌­برداری شده در هر پله عملیات فرآیند قیاس را انجام می­‌دهد تا اندازه­ دامنه­ هر نمونه با سطح معینی مقایسه شود.

در شکل مشاهده می­‌کنید که سیگنال نمونه­‌برداری شده به ترتیب، نمونه­‌ها را با پالس ساعت به بخش سطح سنجی انتقال می­‌دهد.

در هنگام نمونه­‌برداری کمترین ولتاژی که نمونه‌­ها می­‌توانند انتخاب نمایند، سطح ولتاژ (۰/۲ V) است و بیشترین سطح ولتاژ (۴/۸ V) می­‌باشد. تعداد سطوح قابل ارزیابی می­‌تواند مابین این دو ولتاژ عمل نمایند.

بطوریکه در شکل۷ مشاهده می­‌کنید، با تعداد دو بیت ( n=۲ bit) می­توان (۲n =۲ ۲=۴) چهار سطح را مورد ارزیابی قرار داد. این چهار سطح مابین ولتاژهای ( ۰/۲ V ۴/۸ ~ V) قابل دستیابی است.

چهار سطح ولتاژ می‌­تواند از نمونه­‌ای بدست آمده در چهار ناحیه ارزش سنجی شود.

سطح صفر معادل ولتاژ (۰/۲ V ۱/۳۵ ~ V) است. (ناحیه صفر)

سطح یک معادل ولتاژ ( ۱/۳۵ V ۲/۵ ~ V) است. (ناحیه یک)

سطح دو معادل ولتاژ ( ۲/۵ V ۳/۶۵ ~ V) است (ناحیه دو)

سطح سوم معادل ولتاژ ( ۳/۶۵ V ۴/۸ ~ V) است. (ناحیه سه)

بطور مثال: نمونه (۶) که دارای دامنه متغیر در ناحیه(۱) است، پس از مقایسه آن را معادل‌سازی نموده و در همین ناحیه معادل سطح ولتاژ (۱/۳۵ V) گِرد به پایین می­‌نماید و نهایتا برای نمونه (۶)، معادل سطح (۱/۳۵ V) ارزیابی می‌­شود.

به بیان دیگر اگر دامنه یک نمونه برابر با ولتاژ (۲/۸ V) باشد این نمونه پس از مقایسه با سطوح ارزیاب، آنرا معادل ناحیه (دو) ارزیابی می­‌نماید و آن را گِرد به پایین نموده و با ولتاژ (۲/۵ V) معادل می‌­نماید. 

بنابراین هر ناحیه دارای محدوده ولتاژ متغیری است که می‌­توان آن را با سطح معینِ پایین، گِرد نمود. از این مرحله به بعد هر نمونه در رمزدهی دارای اندازه معین شده و مقدار آن معلوم خواهد بود. این مطلب را در شکل ۸ مشاهده می­‌کنید.

در مرحله تبدیل به رمز دو دویی، ابتدا نمونه اول توسط فرمان ساعت وارد می­‌شود و پس از گرد شدن با هر سطحی که قیاس شد، خروجی رمز آن نیز تولید خواهد شد. بطور مثال: با ورود نمونه (۱) در ناحیه صفر ارزیابی و با ولتاژ (۰/۲ V) گِرد می­‌شود که در همان لحظه خروجی رمز (۰-۰) را تولید می­‌کند. بنابراین مطابق آنچه که در شکل ۹ مشاهده می­‌کنید هر نمونه مطابق ارزش‌­دهی(Quantization) می­‌گردد. نمونه­‌ها از حالت موازی به حالت سری تبدیل می‌شوند.

شکل پالس خروجی برای نمونه(۱)، رمز ( ۰ - ۰) دو دامنه متوالی پایین ( Low) تولید خواهد نمود. همینطور برای نمونه(۲) که دارای رمز ( ۰ - ۱) است، ابتدا دامنه پایین(Low) و سپس دامنه بالا(High) تولید می­‌گردد. برای نمونه­‌های بعدی بطور متنوع اقدام به تولید دامنه­‌های معین خواهد نمود. سیگنال تولید شده در خروجی، همان سیگنال دیجیتال است.

در نمای شکل ۱۰ مشاهده می­‌کنید سه شکل موج بر روی هم مقایسه می­‌شوند. ابتدا منحنی سبز نقطه­ چین که همان سیگنال آنالوگ است و سیگنال قرمز مربعی که سیگنال دیجیتال شده آن است و شکل موج قهوه‌­ای سیگنال تولید شده در مقصد است که به دلیل انتخاب سطوح ارزش‌­دهی پایین معادل سیگنال اصلی نخواهد شد، اما سیگنال دیجیتال (قرمز) به جهت ورود دامنه نویز کاملا ایمن است. بطوریکه اگر در مسیر ارسال و یا ذخیره‌سازی دچار دامنه نویز گردد مطابق شکل زیر دامنه نویز قابل شناسایی و حذف خواهد شد.

اگر سیگنال دیجیتال در مسیر انتقال و یا ذخیر‌ه‌­سازی قرار بگیرد دامنه نویز به پیک دامنه‌­های سیگنال، اضافه و میکس می‌گردد. دامنه نویز به هر سیگنال الکتریکی و یا الکترومغناطیسی قابلیت ادغام شدن را دارد. چنانچه در شکل ۱۱ مشاهده می­‌کنید در مقصد نیز دامنه نویز به سیگنال دیجیتال افزون شده و همین دامنه می­‌تواند در هنگام پردازش، تولید نویز اطلاعاتی نماید. این دامنه برای سیستم دیجیتال قابل شناسایی است چرا که به دلیل رمزی شدن اطلاعات، دیگر دامنه­ سیگنال دیجیتال تابعی از علایم نخواهد بود. به همین سبب تا قبل از ورود به مرحله پردازش، توسط مدارات‌(Clipper) دامنه نویز را برش داده و آنرا حذف می‌­نمایند. اگر چه پس از انجام مرحله برش، دامنه سیگنال دیجیتال کاهش می‌­یابد، اما به راحتی با تقویت دامنه به جبران آن می­‌پردازند که در مراحل پردازش می­‌تواند همانند سیگنالی که در مبدا داشتند، برای مقصد فراهم نمایند.

امنیت سیگنال دیجیتال بقدری بالاست که می‌­توان آنرا بارها در ذخیره­‌سازی تکرار نمود و بارها آنرا در مسیر دامنه­ نویز ارسال کرد.  

پس از آگاهی از ایمن شدن سیگنال دیجیتال نسبت به ورود دامنه نویز، می‌­توانید به کمبودی که در انتخاب تعداد سطوح بیان شد، بپردازیم.

همانگونه که بحث شد با انتخاب دو بیت ( ۲bit) در ارزش­‌دهی، نتوانستیم کیفیت سیگنال آنالوگ را در مقصد جبران نماییم. منحنی قهوه­‌ای در شکل ۱۲ می‌­تواند میزان تخریب سیگنال را نشان دهد.

برای رفع این نقیصه می‌بایست در هنگام ارزش­‌دهی تعداد سطوح را افزایش داد. افزایش تعداد بیت تا آنجا ادامه دارد که کیفیت و کمیت را متعادل نماید. لذا طراحان پیشنهاد می­‌نمایند که تعداد بیت‌ها را برای حداقل کیفیت، (۸bit) و برای کسب بهترین کیفیت، ( ۱۶bit) و کسب حداکثر کیفیت تا اندازه (  ۲۴bit) در نظر بگیرند.

بطور مثال: برای نمونه اگر تعداد بیت از (۸bit) به (۸bit) تغییر نماید تعداد سطوح مطابق محاسبه (۲n =۲ ۸=۲۵۶) خواهد شد به بیان دیگر از ولتاژ (۰/۲ V ) الی (۴/۸ V ) که به چهار ناحیه تقسیم شده بود اکنون به ( ۲۵۶) قسمت تقسیم خواهد شد. در اینصورت هر نمونه از تعداد بیت‌های ( ۰۰۰۰`۰۰۰۰) الی ( ۱۱۱۱`۱۱۱۱) متغیر خواهد شد که موجب افزایش (بیت در ثانیه) خواهد شد. البته این امر موجب افزایش تعداد سطوح و در نتیجه نزدیک شدن جزییات به هم گردد. با افزایش تعداد سطوح، شکل موج سیگنالی که در مقصد دریافت می­‌شود، نسبت به سیگنال در مبدا شباهت بیشتری خواهد داشت. همچنین موجب کاهش اعوجاج هارمونیک خواهد شد.

با بالا بردن تعداد بیت از (۸bit) به (۱۶bit) چنین نتیجه خواهد داد که تعداد سطوح از (۲۵۶) به (۲n =۲ ۱۶=۶۵۵۳۶) سطح افزایش خواهد داشت. بطوریکه از پایین‌­­ترین سطح ولتاژ ( ۰/۲ V) تا بالاترین سطح ولتاژ ( ۴/۸ V) تعداد سطوح به (۶۵۵۳۶) تعداد تقسیم می­‌گردد. اکنون می‌­توانید دقت و نزدیکی شدن دامنه سیگنال آنالوگ را حدس بزنید که چگونه شکل موج سیگنالی که از این وضعیت بدست می­‌آید بسیار دقیق و شبیه سیگنال اصلی در مبدا خواهد بود.

با انتخاب تعداد سطوح کم در ارزش­‌دهی می­‌توان انتظار داشت که مناطقی بیشترین آسیب را خواهند دید که دارای تغییرات دامنه اندکی باشند. با مقایسه دو تصویر می‌توان این مطلب را فهمید. در شکل ۱۲ منطقه آسیب‌پذیری برای هنگامیکه سطوح ارزش­‌دهی کمتری در نظر گرفته شده باشد اغلب در تغییرات دامنه­ کم، که ما بین دو سطح قرار می­‌گیرند، تصمیم­‌گیری مشکل می­‌شود. در حالیکه با افزایش تعداد سطوح (تعداد بیت)  همین تغییرات اندک دامنه­ می‌­تواند در بین چندین سطح قرار بگیرد و در نتیجه تصمیم­‌گیری را افزایش دهد. شکل۱۳

بطور مثال: اگر منطقه‌­ای از تغییرات دامنه­‌ای در روش (۸bit) که تنها (۲۵۶) سطح تصمیم­‌گیری دارد، مابین دو سطح مانند: سطوح (۴۵و۴۶) قرار بگیرند، با افزایش تعداد بیت به روش (۲۴bit) همان منطقه مابین (۶۵۵۳۶) سطح قرار خواهد گرفت. نتیجه می­‌گیریم که قدرت تصمیم­‌گیری افزایش بافته است.  

همانگونه که در قبل بیان شد، هنگامی در تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال بهترین عملکرد را خواهد داشت که ابتدا فرکانس نمونه­‌برداری زیاد باشد و در درجه دوم تعداد سطوح نیز تا حد امکان افزون باشد.

 

۵-  مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital to Analog Convertor. DAC)

بعد از گذراندن مراحل پردازش و عملیات ذخیره­‌سازی و همچنین دریافت از کانال‌های دیجیتال، اکنون زمان آن رسیده تا سیگنال دیجیتال برای راه­‌اندازی افزار آنالوگ به سیگنال آنالوگ تبدیل گردد. معمولا در یکی از آخرین مدارات خروجی سیستم دیجیتال مدار مبدل (DAC) نصب می­‌شود.

مسیر تبدیل معمولا وارون آنچه که در زمان تبدیل آنالوگ به دیجیتال انجام شده بود را طی می‌­کند.

این مسیر عبارت است از:

۱- تبدیل متوالی به موازی وارون عملیات موازی به متوالی

۲- جمع جبری (MIXER) بیت‌های هر نمونه وارون عملیات ارزش­‌دهی

۳- نمونه و نگهداری (Sample & Hold) وارون عملیات نمونه‌­برداری

  

 مسیر تبدیل از دیجیتال به آنالوگ را در شکل ۱۴مشاهده می­‌کنید. سیگنال دیجیتال که از پردازش و حافظه به خروجی هدایت می­‌شود، به صورت سری است و برای تفکیک بیت‌ها به مبدل سری به موازی اعمال می­‌شود. برای اینکار همزمان پالس ساعت می­‌تواند تک تک بیت‌ها را شناسایی نموده و در خانه­‌های خود قرار دهد. پس از چیدمان آنها به مدار جمع کننده سپرده می­‌شود و سپس در مدار میکسر دامنه­‌ها بیت‌ها با هم جمع شده و نمونه‌­های سیگنال آنالوگ پدید می­‌آید. در انتها پس از عبور از فیلتر پایین‌گذر (انتگراتور) سیگنال آنالوگ خالص ظاهر می­‌گردد.

برای آشنایی با نحوه و مسیر تولید سیگنال آنالوگ از دیجیتال می­‌توان ابتدا به ساختار سیگنال دیجیتال پرداخت که بطور همزمان آنرا با شکل موج فرمان ساعت نشان می­‌دهد. در شکل ۱۵ مشاهده می­‌کنید که شکل موج سبز رنگ دارای یک توالی تکراری است. بطوری که تعداد ۱۶ بیت مربوط به نمونه (A Sample) در حد فاصل بیت‌های همزمانی (Sync) واقع شده است که ۱۶ بیت مربوط به (B sample) نیز بعد از آن قرار دارد. ترتیب هر ۱۶ بیت متوالی با بیت ارزش بالا (Most Significant Bit. MSB) شروع می­‌شود و به بیت ارزش پایین (Least Significant Bit. LSB) پایان می‌­یابد. بطوریکه بیت (MSB) مربوط به ارزش (bit X  ۲۱۵) و ( LSB) مربوط به ارزش (bit X  ۲۰)  است. هر نمونه از توالی دارای ارزش سطحی هستند که می­‌توان با روشی که نشان داده شده محاسبه و ارزش آن را تعیین نمود. بطوریکه ارزش بیت‌های نمونه (A) برابر با سطح (۴۸۶۱۶) و ارزش نمونه ( B) برابر با سطح ( ۴۸۶۲۰) است. اکنون برای استخراج سطوح ارزشی هر ۱۶ بیت، آنها را از حالت توالی به موازی تبدیل می­‌نمایند. برای این کار به کمک پالس فرمان ساعت بیت به بیت در مسیر یک حافطه متوالی آنها را انتقال داده تا بیت با ارزش به بالاترین نقطه و بیت کم ارزش در پایین­‌ترین نقطه قرار بگیرند.

در نمای شکل ۱۶ مشاهده می‌­کنید مدار مبدل سری به موازی از (۱۶) ثبات (LSB, D۲, D۳,…  D ۱۵, MSB) که همگی تحت فرمان ساعت (Clock) هستند، داده­‌ها (DATA) را در مسیر انتقال قرار می­‌دهند. با هر فرمان (بالا رفتن پالس ساعت) یک داده به ثبات (Register) بالاتر منتقل می­‌گردد. پس از اتمام 16 بیت نمونه (B)، اکنون داد‌ه‌­ها سری به داده‌­های موازی تبدیل می‌شود. بطوری که داده (MSB) در بالاترین ثبات و داده (LSB) در پایین­ترین ثبات ذخیره می­‌شوند. این داده­‌ها در ورودی ۱۶ ثبات (Latch) توقف می­‌کنند و پس از ورود فرمان لَخت به مدار لَخت (Latch) وارد می‌­شود. مدار لَخت که در حال انتقال نمونه‌های قبلی به خارج بود، اکنون می­‌تواند بیت‌های نمونه­ تازه که مربوط به نمونه (B) است را دریافت کند. با ورورد نمونه (B) به مدار لَخت بیت‌های مربوط به نمونه (A) بطور متوالی و با فرمان ساعت وارد مبدل سری به موازی می­‌گردند. این فرآیند هماهنگ شده بطور منظم داده­‌های متوالی را به موازی تبدیل و جهت عدم تداخل آنها با یکدیگر به مدار لَخت می‌­سپارد.

۱۶ خروجی مدار لَخت به مدار جمع کننده خطی (میکسر) ارسال می‌­گردد. تمام بیت‌هایی که دارای ارزش (۱) هستند ولتاژی به اندازه معین مثلا (۵ V ) دارند. در این صورت بیت‌های با ارزش ( ۰) نیز دارای ولتاژی برابر با ( ۰ V) هستند. (عجب ماشین با شعوری که تنها - دو واژه را می­شناسد!!) با جمع آثار بیتهایی که دارای ولتاژ هستند می­‌توان انتظار داشت که سطوح (۴۸۶۱۶, ۴۸۶۲۰ ) دارای شخصیت نمونه‌­های ( B, A) ولتاژی در خروجی ظاهر نماید که معرف ادامه شیب سیگنال آنالوگ باشد. این عملیات وارون فرآیند ارزش­‌دهی (Quantization) است.

 

 

در نمای شکل ۱۷ نشان می­‌دهد که چگونه نمونه‌­های خروجی از مدار میکسر، توسط مدار انتگراتور به منحنی سیگنال آنالوگ تبدیل می­‌گردد. در نمای بزرگتر دو منحنی ترسیم شده که برخورد مدار اتنگراتور با نمونه­‌ها را نشان می­‌دهد. مدار انتگراتور از نمونه­‌ها توسط فیلتر پایین­‌گذر انتگرال گرفته و پالس­‌های نمونه را به شیب متغیر تبدیل می­‌نماید. نکته مهم در مدار انتگراتور شیب بالا رونده و پایین رونده آن است که بتواند آن را به منحنی حقیقی نزدیک نماید. این مرحله وارون فرآیند نمونه‌­برداری (Sampling) است.

مطلب آخر اینکه محیط دیجیتال یک ضرورت فن­آوری بود و شاهد بودیم که علاوه بر سادگی کاربریش می­‌تواند توانایی بالایی در پردازش و ذخیره­‌سازی باشد. مهمتر از آن اینکه محیط دیجیتال عاجز از تشخیص نوع داده‌­ها است. چراکه پس از خارج شدن از حافطه و گذراندن مسیر پردازش و قرار گرفتن در مسیر خروجی، تنها مترجم آن می‌­تواند نوع داده را ترجمه نموده و اجازه خروج را صادر نماید.

بکارگیری نرم­‌افزارها فراوان برای یک سری داده‌­ها تنها قابلیت انعطاف­‌پذیری ناچیز محیط دیجیتال است. اگر قیمت تمام شده افزار رسانه­‌ای کاهش یافته و دستیابی آن آسان‌تر نموده، تنها اثرات ثانویه محیط دیجیتال است نه هدف اول آن. 

 

                                                                                                   نگارش: مهندس ابراهیم وژده میانه

                                                                                                    wogedehmebrahim@gmail.com

                                                                                                       ویراستار: مازیار شیخ محبوبی

                                                                                                           Shmm325@gmail.com

 

 

نظر شما
کد بالا را وارد کنید:
نظر های بازدیدکنندگان
 
مجید اشتر
مطلب کامل است. مهندس وژده میانه متشکریم.

    گالری تصاویر

    پیشخوان

    پیوندها

    فیلم آموزشی(پرتره یک هنرمند طراح صدا)

    1395/06/16

    اخبار خانه سینما

    مجمع عمومي عادي انجمن صنفي كارگري فيلمبرداران سينما ـ استان تهران ، روز چهارشنبه 22 آذر ماه 1396 ، در تالار زنده ياد سيف اله داد خانه سينما برگزار شد.
    شوراي برگزاري جشنواره در جهت اعتلاي سينماي ايران و ارتقاء سطح كيفي تبليغات و اطلاع‌رساني و همچنين ترغيب و تشويق هنرمندان اين عرصه، اقدام به برگزاري مسابقه در بخش‌هاي عكس، پوستر، آنونس و تيزر فيلم‌هاي سينمايي ايراني مي‌كند.
    در پنجمين جشن نوشتار سينماي ايران از يك عمر فعاليت فرهنگي مسعود مهرابي، نويسنده، منتقد، صاحب امتياز و مدير مسئول ماهنامه سينمايي فيلم تجليل خواهدشد.
    همزمان با اعطاي احكام و آغاز به‌كار هيأت انتخاب بخش سوداي سيمرغ سي و ششمين جشنواره فيلم فجر، پوستر اين دوره از جشنواره با حضور محمد مهدي حيدريان رئيس سازمان سينمايي، ابراهيم داروغه‌زاده دبير جشنواره، اعضاي شوراي سياستگذاري و اعضاي هيأت انتخاب سوداي سيمرغ رونمايي شد.

    تبلیغات

    تماس با ما

     Info@IranAMPS.com

     تهران، پیچ شمیران٬ بهار جنوبی، کوچه سمنان، پلاک۲۹ 

    کد پستی:۳۷۵۱۱-۱۵۶۱۷

     ٧٧٥٣٦٠٤١ و ٧٧٦٥٠٢٠٣ (داخلی ۲۱۹)

    نظرسنجی

    سایت انجمن صدای سینمای ایران را چگونه ارزیابی می کنید؟

    بازدیدکنندگان

    امروز 735
    هفته گذشته 735
    این ماه 735
    کل 175561

    عضویت در خبرنامه