جمع شدن(Summation) سیگنال‌های الکتریکی صدا(قسمت اول)

نویسنده: سارا محمودان

جمع شدنِ سیگنال‌های صدا با یکدیگر می‌تواند آکوستیکی یا الکتریکی باشد. جمع شدن دو سیگنال به‌صورت آکوستیکی، هنگامی رُخ می‌دهد که دو منبع صوتی در یک محل(موقعیت=Position) ) از فضای سربسته به طور همزمان شنیده شوند و یا با میکروفن ضبط شوند.

در این صورت آنچه در ورودی میکرون یا گوش دریافت شده است، جمع اکوستیکی دو منبع صوتی است. درجمع ‌شدن به‌صورتِ الـکتریکی، صدای هرمنبع از میکروفن‌های مجزا گرفته می شود، میکروفن‌هـا به میکسر صدا وصل می شوند، سیگنال‌ها با هم به طور الکتریکی جمع می‌شوند و ترکیب نهایی آنها به یکی از خروجی‌های میکسر مسیردهی می‌شوند.

ترازِ کلی سیگنال‌هایِ ترکیب‌شده به ماهیت تک تک سیگنال‌ها بستگی دارد. بعضی از نمونه‌های بارز در این‌جا توضیح داده می‌شود.

 

                                             

                                                                                                                      میکسر وسیله‌ای برای جمع سیگنال‌ها

جمع الکتریکیِ سیگنال‌هـای هم‌بـسـتـه (Correlated Signals)

سیگنال‌های هم‌بسته کم و بیش به‌یکدیگر شباهت دارند یا حداقل اشتراک‌های زیادی با هم دارند. تصور کنید که نغمه‌نابی در دو تراکِ (track) دستگاه ضبط صـدا، ضبط شده باشد: این نغمه نـاب، موج سینوسیِ یک کیلو هرتزی است که به دو تراک دستگاه منتقل شده است. سیگنال‌های موجود در این دو تراک بسیار به یکدیگر هم‌بسته‌اند. این دو تراک از نظر محتوا، فـاز و تـراز یکسان هستند. با جمع این دو سیگنال، سیگنال جدیدی تولید می‌شود که ترازی دو برابر تراز الکتریکی هر یک از دو سیگنال دارد. بر حسب واحد دسی‌بـل، دو برابر شدن تراز سیگنال الکتریکی برابر با ۶+ دسی‌بل است.
اگر دو سیگنالِ یکسان داشته باشیم و قبل از جمع الکتریکیِ این دوسیگنال با یکدیگر، فـازِ یکی از آن دو سیگنال را معکوس کنیم (فاز سیگنال را ۱۸۰ درجه بچرخانیم)، نتیجة جمع این دوسیگنال صـفـر است. در تعریف براساس دسی‌بل نتیجه ∞- است.
جمع الکتریکیِ سیگنال‌هـای غـیـر هم‌بـسـتـه (Uncorrelated Signals)
اگر به‌طور مثال، نغمة نـاب هزار هرتزی، روی دو تراکِ نوار مغناطیسی ضبط شـود و نویز فرکانس بالایی (Hiss)  که غالباً در نـوارهای مغناطیسی بروز می‌کند، وجود داشته باشد: این نویز با اطمینان زیاد، در حوزه فرکانس، دامنه‌ای برابر خواهد داشت. با این حال، ماهیت نویز تصادفی است.

بنابراین صدای ضبط شده رویِ دو تراک نوار مغناطیسی با یکدیگر نـاهم‌بسته هستند. با جمع الکتریکی دو تراک، تراز نویز فقط ۳+ دسی‌بـل افزایش می‌یابد. مهندسان حرفه‌ای که از هنر قدیمی و نوستالژی ضبط صدا روی نوارهای مغناطیسی لـذت می‌برند، با ترفندی قدیمی نیز آشنا هستند: ایشان حتّی هنگام ضبط صدا به‌صورت مونو، سیگنال را به دو تراک دستگاه ضبط صدا می‌فرستند و روی دو تراک ضبط می‌کنند. سپس دو سیگنال را با هم جمع می‌کنند. با این کار حاصل جمعِ تراز الکتریکی سیگنال ۶+ دسی‌بل افزایش می‌یـابد، امّـا نویز زمینه دستگاه فقط ۳+ دسی‌بل زیاد می‌شود. به این ترتیب نسبتِ سیگنال به نویزِ سیگنال نهایی ۳+ دسی‌بل بهبود می‌یـابد.

سیگنال تحویلی به رادیو و تلویزیون هرگز به‌صورت تک کانال نیست. در میان برودکسترهای جهان فقط IRIB است که در طول سالیان گذشته و به‌دلیل رعایت نکردن استانداردهای بین‌المللی، مدیای تحویلی با یک کانال و یا دو کانال کاملاً نـاهم‌بسته و متفاوت (مثلاً کانال یک کلام و کانال دوم موسیقی) برای ارزیابی و پخش از تهیه‌کننده تحویل می‌گرفت.
اگر محصولِ تولیدی به‌صورت مونو صداگذاری شده باشد، باید صدا در دو کانال یک و دو به پخش تحویل داده شود. صدای کانال یک و دو بـاید دقیقاً شبیه به هم باشنـد. در این حالت این دو صدا کاملاً هم‌بسته هستند. اگر این دو سیگنال به هر علتی در میکسر با هم جمع شوند – زمانی‌که دکمة مونو روی ورودی خطوط پلیرها فعال باشد، کانال یک و دو با هم جمع می‌شوند و حاصل به هر دو کانالِ خروجی میکسر صدا منتقل می‌شود- تراز الکتریکی سیگنال خروجی در هر یک از کانال‌های خروجی میکسر، ۶+ دسی‌بل افزایش می‌یـابد. در صدای استریو برای رادیو و تلویزیون، تفاوت کمی از نظر تراز و فاز بین دو کانالِ چپ و راست سیگنال وجود دارد. این دو سیگنال نـاهم‌بسته هستند. اگر این دوسیگنال با هم جمع‌شوند، سیگنال خروجیِ ارسالی به هر کانال ۳+ دسی‌بل افزایش تـراز خواهـد داشت.
جمع برای مونو
فرآیند جمع دو سیگنال، با استفاده از مدارهای خـاص – مبدل مونو- برای جمع دو کانالِ استریو به‌راحتی عملیاتی است.
مبدلِ سـادة مـونـو به‌این روش کـار می‌کند:
۱٫برای سیگنال‌های استریو با توزیع فـازِ تصادفی، ترازِ مونوی به دست آمده این طور محاسبه می‌شود:    Mono= L+R-3 dB

۲٫برای دو سیگنال شبیه به هم در هر دو کانال(Dual Mono) یا سیگنال‌هایی با هم‌بستگیِ بسیار زیـاد    Mono= L+R-6 dB

۳٫ارائه سیگنال فقط به یک کانال: Mono= L یا Mono= R

با این‌حال، این ساختارِ جمع سیگنال سـاده، سیگنال‌هایی با مقدار زیادی محتوایِ خارج از فـازout-of-phase) ) را نـمی‌تواند مدیریت و به‌درستی در خروجی ارائـه کند.

این محتواها ممکن است از خروجیِ ماتریسِ انکد شده(matrix-encoded) برنامه‌هایی با صدای فراگـیـر(Surround) به‌دست آمده باشند (۴:۲:۴ یا ۵:۲:۵). این محتواهای خارج از فاز، حتی می‌توانند در ضبط استریو با تکنیک‌های M/S نیز بروز کـنـد:

هنگامی‌که S » M است(تراز صدای جانبی بسیار بیش از صدای وسط و مستقیم باشد) . همچنین تولید صدای استریو به کمک پردازشگرهای افکت‌‌ساز(Effect Processors) با عرض استریوی زیاد نیز چنین وضعیتی دارند و محتواهـای ارائه شده خارج از فازند. در این شرایط، ترفندِ جمع ۹۰ درجه‌‌ایِ ( ۹۰°summation) سیگنال قابل استفاده است.

جمع ۹۰ درجه‌‌ای

به‌کمک ترفند جمع ۹۰ درجه‌‌ای، محتوای یک کانال(برای مثال کانال چپ) در مقایسه با کانال دیگر، در همة فرکانس‌‌ها ۹۰ درجه تغییر می‌کند.

بخش بالای شکل، جمع مستقیم را نشان می‌دهد. جمعِ مستقیمِ سیگنال‌های هم‌فاز یا با اختلاف فـاز ۱۸۰ درجه‌ای(de-Phase) قسمت پایین، جمع سیگنال‌ها با استفاده از شیفتِ فـاز ۹۰ درجه‌‌ای را نشان می‌دهد. جایی‌که سیگنال‌ها با ترازی یکسان با یکدیگر جمع می‌شوند.

این تغییر فاز را می توان به‌عنوانِ تاخیر زمانی نیز توضیح داد. اگرچه به‌جای تاخیرِ زمانی که در همة فرکانس‌ها ثابت است، این تاخیر به فرکانس وابسته است.تاخیر زمانی ایجاد شده برای سیگنال صدا در شیفت فاز ۹۰ درجه‌‌ای در فرکانسِ ۲۰ هرتزِ سیگنالِ صدا، تاخیر زمانیِ ایجاد شده در سیگنال با فرآیند شیفت فاز ۹۰ درجه‌ای    است.

در فرکانسِ ۲۰ کیلوهرتزِ سیگنالِ صدا، تاخیر زمانیِ ایجاد شده در سیگنال با فرآیند شیفت فاز ۹۰ درجه‌ای  است.

رابطه فـازی بین دوسیگنالِ a و b برای محاسبه ترازِ نهایی سیگنال‌های جمع شده به صورت است.که در آن φ زاویه فـاز است(زاویه میان دو سیگنال).اندازه‌گیرِ هم‌بستگی فـاز (Phase Correlation Meter) اختلاف زاویه میان دو سیگنال را بر حسب تابع کسینوس نشان می‌دهد.زمانی‌که دو سیگنالِ چپ و راست از نظر فازی دقیقاً شبیه به‌هم هستند؛ یعنی اختلاف زاویه میان آن‌ها صـفـر است، اندازه‌گیرِ هم‌بستگی فاز عدد ۱+ را نشان می‌دهد:

زمانی‌که دو سیگنالِ چپ و راست در حداکثر تفاوت فازی نسبت به‌هم هستند(بهde-Phase مشهور است)؛ یعنی اختلاف زاویه میان آن‌ها۱۸۰° ± است، اندازه‌گیرِ هم‌بستگی فاز عدد ۱- را نشان می‌دهد:
بیش‌ترین میزانِ خارج از فاز دو سیگنال است و هرگز چنین سیگنال‌هایی نـبـاید به پخش رادیو و تلویزیون تحویل شود.

در سیگنال‌های استریویِ قابل قبول برای پخش از رادیو و تلویزیون، عقربه‌های نشانگر فاز بین صـفـر تا ۱+ حرکت می‌کند.شکل فوق، مثالی از معدود شرایطی ‌است که جمع ۹۰ درجه‌ای عواقب خوشایندی نـدارد: وقتی دوسیگنال استریو با هم جمع می‌شوند.فرض کنید به طور تصادفی، فیلتر بالاگذری(Low Cut) روی یکی از کانال‌های صدای استریوی شکل بالا فعال شود.اثـر این فیلتر بالا گذر، هنگامی که این دو سیگنال در حالت استریو پخش می‌شوند، به سختی قابل تشخیص و شنیدن است. امّا اگر این دو کانال استریو، بدون فعال بودنِ فیلتری با هم جمع شوند، در فرکانس حـوالـی ۱۱۵ هرتز تقریبا در فـاز مخالف یکدیگرند که در صدای مونوی پخش‌شده کمبود بسامدهای پایین(Lack of bass) احساس می‌شود.

صفحه ۶،نشریه بسامد شماره ۱۰۱