آنالوگ در مقابل دیجیتال | Analog & Digital Sound
بحث و گفتگو در زمینه صدای دیجیتال و آنالوگ قطبی است. برخی افراد طرفدار صداهای دیجیتال و برخی طرفدار صداهای آنالوگ هستند. واقعیت امر اینست که هر دو صدای دیجیتال و آنالوگ دارای مزایا و معایبی هستند. قصد داریم مطالبی بی طرفانه درباره تفاوت این دو در این مقاله ارائه نمائیم.
تفاوت بین دیجیتال و آنالوگ در نحوه ذخیره اطلاعات صوتی است. امواج صوتی یکسری ارتعاشات است که از طریق یک منبع (رسانه) پخش می شود. فناوری ضبط صدای آنالوگ این اطلاعات را با ایجاد یکسری بارهای مغناطیسی در طول حلقه نوار مغناطیسی ذخیره می کند. اما فناوری صوتی دیجیتال اطلاعات صوتی را بصورت یکسری از مقادیر عددی در هارد ذخیره می نماید. در این مقاله جوانب مثبت و منفی هر دو روش ضبط بهمراه تفاوت های فناوری صوتی آنالوگ و دیجیتال برای برنامه های صدای زنده ارائه داده خواهد شد.
آنالوگ در مقابل صدای دیجیتال: ضبط و پخش
قبل از شروع بحث در مورد تفاوت بین سیستم های صوتی دیجیتال و آنالوگ، ذکر این نکته مهم است که همه سیستم های صوتی دیجیتال شامل برخی از فناوری های صوتی آنالوگ نیز هستند. میکروفون ها دستگاه های صوتی آنالوگ هستند که انرژی صوتی را به یک سیگنال الکتریکی آنالوگ منتقل می نماید. پیش تقویت کننده ها، تقویت کننده های قدرت و بلندگوها همگی دستگاه های آنالوگ هستند. تمرکز اصلی این بخش برجسته سازی تفاوت های اساسی در فناوری ضبط آنالوگ و دیجیتال خواهد بود.
صدای آنالوگ
نوار
نوار مغناطیسی بهترین روش صوتی آنالوگ برای ضبط و پخش می باشد. دستگاه های نوار براساس اصل زیر عمل می کنند: وقتی یک جریان الکتریکی از طریق سیم فرستاده می شود، یک میدان مغناطیسی در اطراف سیم شکل می گیرد و بالعکس.
برای ضبط صدا یک دستگاه نوار، سیگنالهای صوتی الکتریکی را از طریق سیم کویل در اطراف آهنربایی که در نزدیکی نوار مغناطیسی قرار دارد، می فرستد. به این سیم پیچ اطراف آهنربا هد رکورد گفته می شود. با عبور نوار از میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سر ضبط، ذرات در کنار نوار مغناطیسی شارژ می شوند. الگوی بارهای مغناطیسی در طول نوار شبیه سیگنال صوتی است که از طریق سیم پیچ سیم ارسال می شود. شدت یا دامنه سیگنال صوتی با شدت بارهای مغناطیسی ایجاد شده در نوار ارتباط دارد.
برای پخش صدا روند فوق به شکل معکوس انجام می شود. نوار مغناطیسی جریان الکتریکی را روی سر پخش ایجاد می کند، که به یک آمپلی فایر وصل می شود تا از طریق بلندگوها پخش گردد.
انواع مختلفی از دستگاه های نوار و نوار وجود دارد. اما دو متغیر اصلی سرعت نوار و عرض نوار بر کیفیت صدای ضبط شده تأثیرگذار هستند.
سرعت نوار
همانطور که اشاره شد، سرعتی که در آن نوار ضبط می شود بر روی کیفیت ضبط تأثیر گذار است. سرعت بالای نوار برای ضبط بهمراه پاسخ فرکانس زیاد موجب تولید صداهای کم صدا و ترک های کوتاهتر می شود. واحد سرعت دستگاه نوار اینچ بر ثانیه است(IP). سرعت دستگاه نوارهای معمولی 7ip، 15 ip و30ip می باشد. اما استاندارد ضبط صدا بصورت حرفه ای 15ip است.
عرض نوار
گفتیم که عرض نوار نیز از دیگر پارامترهای تأثیر گذار بر روی کیفیت صدا است. معمولاً نوارهای گسترده تر امکان ضبط با کیفیت بالاتر را فراهم می آورد. از عرض نوار می توان برای ضبط آهنگ های بیشتر بجای بهبود کیفیت صدای یک آهنگ واحد استفاده نمود. همچنین عرض نوار این اجازه را می دهد تا چندین منبع بطور مستقل ضبط و پخش شوند.
وینیل
سوابق وینیل یک مصرف کننده استاندارد برای ضبط های صوتی آنالوگ است. نگهداری، ذخیره و توزیع آنها آسانتر می باشد. در مقایسه با نوار، سوابق وینیل نسبت به عناصر آسیب پذیر نیستند، در حالیکه نوار با قرار گرفتن در معرض بارهای مغناطیسی از بین می رود. سوابق وینیل از میدان مغناطیسی مصون هستند زیرا از وسیله دیگری برای ذخیره سازی صوتی استفاده می کنند. شیارهای بافتی بر روی سطح سوابق وینیل اطلاعات صوتی را ذخیره می کنند.
هنگامی که رکورد وینیل با سرعت مشخصی می چرخد، یک قلم از شیارهای سطح آن عبور می کند. قلم با شیارها به جلو و عقب حرکت می کند و باعث ایجاد یک جریان الکتریکی در سیم خواهد شد که در انتها به یک آمپلی فایر وصل می شود و صدا از طریق بلندگوها پخش می گردد. قابل ذکر است شدت یا دامنه سیگنال صوتی با شدت حرکت قلم در ارتباط است. شما می توانید نحوه عملکرد یک وینیل را در سایت Animagraffs مشاهده نمائید.
سوابق وینیل فقط برای پخش در دنیای مدرن مورد استفاده قرار می گیرد. ضبط های آنالوگ با نوار مغناطیسی ساخته می شوند و از نوارها برای ایجاد میله برای فشار دادن اطلاعات به دیسک های وینیل استفاده می شوند.
صوت دیجیتال (PCM) مدولاسیون کد پالس
PCM یا Pulse code Modulation روش استانداردی برای رمزگذاری سیگنال های صوتی در اطلاعات باینری است. در ضبط صدای آنالوگ، مدلی از امواج صوتی با استفاده از بار مغناطیسی ایجاد می شود. با این حال PCM با ذخیره دنباله ای از مقادیر عددی که نشان دهنده دامنه یا شدت، در نقاط مختلف در طول موج، الگویی از امواج صوتی ایجاد می کند. این مقادیر توسط گروه هایی از بیتهای باینری نمایش داده می شوند که به آنها نمونه می گویند.
هر نمونه مقدار عددی را در یک محدوده از پیش تعیین شده از مقادیر ممکن نشان می دهد. این فرآیند کمیت نامیده می شود و توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال انجام می شود.
در حین پخش ضبط دیجیتال، نمونه ها به سیگنال های برقی تبدیل شده و برای بلندگوها ارسال می شوند. این فرآیند توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ انجام می گردد.
عمق بیت
هر نمونه مقادیری را در طیف وسیعی از مقادیر ممکن نشان می دهد. این دامنه مقادیر ممکن توسط عمق بیت تعیین می شود. عمق بیت اصطلاحی است که توصیف می کند چند بیت در هر نمونه گنجانده شده است. هر بیت می تواند دو مقدار ممکن را نشان دهد ( صفر یا یک). اما نمونه هایی که از بیت های بیشتری استفاده می کنند، طیف وسیعی از مقادیر را نشان می دهند.
بنابراین می توانند اطلاعات دقیق تری درباره دامنه یک موج صوتی ذخیره کنند. هر بار که به دامنه اضافه می شود، تعداد مقادیر ممکن دو برابر می شود. توجه داشته باشید یک بیت می تواند دو مقدار، دو بیت چهار مقدار، سه بیت هشت مقدار را می تواند نشان دهد و غیره.
عمق بیت استاندارد برای سی دی ها 16 بیت است که مقدار دامنه آن 64536 می باشد. همچنین همانطور که در
جدول فوق نشان داده شده است عمق بیت حرفه ای استاندارد24 بیت با مقدار دامنه 16777216 است. در هر حال اکثر استریوها با استفاده از نقطه شناور 32 بیتی ضبط و میکس می کنند که این موضوع در مقاله ای دیگر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
نرخ نمونه
نرخ نمونه تعیین می کند که چند نمونه در ثانیه گرفته شده است. میزان نمونه با واحد هرتز اندازه گیری می شود. ضبط با نرخ نمونه های بالاتر اجازه می دهد تا فرکانس های بالاتر نیز ثبت شوند.
قضیه Nyquist بیان می نماید که امواج باید دو برابر بیشترین فرکانس مورد نظر برای ضبط را داشته باشند. این بدان معناست که اگر می خواهید 20 کیلو هرتز بالاترین فرکانس قابل شنیدن برای انسان را ضبط کنید باید از نمونه ای با فرکانس حداقل 40 کیلو هرتز استفاده کنید.
به همین دلیل 44.1 KHZ نرخ نمونه استاندارد برای سی دی هاست. صدای حرفه ای برای فیلم با استفاده از استاندارد48KHZ انجام می شود. بسیاری از ضبط ها فراتر از این استاندارد هستند با نمونه های 96KHZ و یا فراتر از از آن.
قالب های فشرده سازی داده های صوتی دیجیتال
فایل های صوتی تولید شده توسط استودیوهای ضبط به دلیل میزان اطلاعاتی که در آن قرار دارند، بسیار بزرگ هستند. اگر یک آهنگ سه دقیقه ای با عمق 24 بیت و نمونه بار 96KHZ ضبط شود، اندازه پرونده تقریباً 52MB خواهد بود. این پرونده برای برنامه های مصرف کننده بسیار زیاد است همانند پخش جریان. به همین دلیل از قالب های فشرده سازی استفاده می کنند. فشرده سازی داده ها روشی برای کاهش اندازه پرونده است که دو دسته اصلی از قالب های فشرده سازی داده وجود دارد که عبارتند از :Lossy و Lossless.
قالب های فشرده سازی داده های از دست رفته
اگر اطلاعات از طریق پردازش داده ها از بین بروند، قالب فشرده سازی مورد استفاده نیز از بین می روند. متأسفانه بیشترین استفاده از فرمت های فشرده سازی داده ها در صدای مصرف کننده از بین می رود. بدین معنا که اگر چه از الگوریتم های ویژه ای برای کاهش اثرات منفی استفاده می شود، اما داده ها در طی فرآیند فشرده سازی پرونده از بین می روند. قابل ذکر است که قالب های فشرده سازی با از بین رفتن داده ها هرگز قابل بازیابی نخواهند بود.
رایج ترین قالب های فشرده سازی داده های صوتی بی ضررAAC ، MP3 و Ogg Verbis هستند. این فرمت ها برای ذخیره سازی بسیاری از پرونده ها با فضای محدود درایو سخت یا پخش محتوای بیشتر از طریق اتصالاعات اینترنت پهنای باند محدود استفاده می شوند.
الگوریتم های اختصاصی در پشت این قالب ها با هدف اولویت بندی محتوا براساس مدل های درک انسان از صدا و از بین بردن محتوای کم اولویت قرار دارند.
قالب های فشرده سازی داده های بدون ضرر
اگر هیچ گونه اطلاعاتی از طریق فشرده سازی از بین نرود، قالب فشرده سازی مورد استفاده بدون ضرر است. برخی از سرویس های جریان مانند Tidal از قالب های فشرده سازی بی ضرر استفاده می کنند. با استفاده از این قالب ها می توان اطلاعات را در یک پرونده کوچک رمزگذاری و سپس رمزگشایی نمود و در نهایت اطلاعات PCM را بعنوان یک فایل WAV بازیابی کرد. اگر چه این قالب ها در مقایسه با پرونده های فشرده نشده، موجب صرفه جویی در فضای کمی می شوند، اما این قالب ها از کارآیی بیشتری( نسبت به قالب هایی که با از بین رفتن داده آنها نیز از بین می روند) برخوردار هستند.
تفاوت های اصلی بین صداهای آنالوگ و دیجیتال
ضبط و پخش
همانطور که مشاهده می کنید، فناوری های ضبط صدای آنالوگ و دیجیتال هدف مشترکی دارند و آن ایجاد یک مدل از شکل های صوتی آکوستیک که می توانند با دقت هر چه تمام تر پخش شوند. هر کدام از این فناوری ها این هدف را بخوبی انجام می دهند. کیفیت صوتی حاصل از یک روش لزوماً بهتر از روش دیگر نیست، بلکه فقط با یکدیگر متفاوتند. در این بخش قصد داریم خصوصیات منحصر بفرد هر یک از روشها را مورد بررسی قرار دهیم.
دقت دامنه
علاوه بر محدودیت های پهنای باند، این واقعیت که صدای دیجیتالی مبتنی بر مقادیر عددی گسسته است، توانایی آن را در گرفتن بی نهایت متغیر امواج صوتی محدود می کند. امواج صوتی قادر به اندازه گیری سیستم های دیجیتالی با دقت کامل نیستند بلکه فقط به آنها بسیار نزدیکند.
شکل موج ضبط شده به نوار آنالوگ براساس تغییرات بار مغناطیسی بجای اعداد استوار است و بنابراین مقادیر می تواند نامتناهی باشد. بدین معنی که نوسانات نامتناهی در شدت موج می توانند بر روی نوار مغناطیسی مدل شوند.
کمیت دیجیتال با افزایش عمق بیت، دقت شان بیشتر می شود. اما مقادیر ممکن همیشه محدود خواهد بود. بعبارت دیگر می توانید مراحل بیشتری را اضافه کنید، اما همیشه در بین مقادیر مراحل ناشناخته ای وجود دارد. صدای دیجیتال همانند یک پله است، همانطور که صدای آنالوگ به یک سطح شیبدار شبیه است.
طبقه یا کف نویز
مهمترین اشکال، در فناوری ضبط صدای آنالوگ اینست که نسبت به صدای دیجیتال دارای یک سطح سروصدای بالاتری می باشد. حتی با کیفیت ترین نوار آنالوگ نیز دارای نویز مغناطیسی هستند. این دلیل بروز اوه در ضبط های آنالوگ است. طبقه نویز تئوریک دیجیتال 24 بیتی برابر با db144 است که بطور موثر بی نهایت می باشد.
توجه داشته باشید که کف سروصدای هر سیستم فقط به اندازه کف سروصدای ترکیبی همه اجزای آن است. بدین معنا که اگر سیستم های دیجیتالی حاوی عناصر الکترونیکی پر سر وصدا باشند آنگاه سیستم های دیجیتالی نیز سرو صدا خواهند داشت.
آسیب پذیری و طول عمر
نه تنها رسانه های آنالوگ، مانند نوار و وینیل دارای سرو صدای ذاتی هستند، بلکه به مرور زمان در برابر تخریب بسیار آسیب پذیر می باشند. اما رسانه های دیجیتال مانند هارد دیسک ها و سی دی ها بسیار مقاومت هستند.البته باید گفت تمامی رسانه های بدنی آنالوگ و دیجیتال با گذشت زمان تخریب می شوند.
نوار آنالوگ می باید در شرایط بسیار خاصی نگهداری شود تا از افت کیفیت در طول زمان جلوگیری گردد. سوابق وینیل نیز با هر بار باز شدن آسیب می بیند. اگر چه رسانه های دیجیتال نیز آسیب پذیر هستند اما جلوگیری از تخریب آنها بسیار ساده است.
ضبط دیجیتالی مجموعه ای از اعداد است که می تواند بی نهایت بار با دقت کامل تکثیر شوند، در حالی که هر یک از تولیدات صدای آنالوگ به کل نویز ضبط می افزاید. بطور مثال اگر یک ضبط نوار را به حلقه نوار دیگر منتقل کنید، بمانند اینست که نویز را از حلقه اول به حلقه دوم ضبط کرده اید.
قابل حمل بودن و تکرار پذیری
رسانه های دیجیتال نسبت به رسانه های آنالوگ بطور چشمگیری قابل حمل و باز تولید هستند. علاوه بر اینکه هارد دیسک هها و حافظه های فلش بسیار کوچکتر و سبک تر از قرقره های نوار و وینیل هستند، بلکه می توان اطلاعات دیجیتالی ذخیره شده بر روی آنها را از طریق اینترنت به سراسر سیاره زمین ارسال کرد. تولید مثل اطالاعات دیجیتال در مقایسه با تولید مثل رسانه های آنالوگ تقریباً هزینه ای ندارد.
آنالوگ در مقابل صوت دیجیتال : تقویت و توزیع
در این بخش بجای سیستم های ضبط، تفاوت های بین سیستم های تقویت صدا و آنالوگ و دیجیتال و چگونگی توزیع آنها را بررسی می کنیم. این سیستم ها، سیستم هایی هستند که در مکان های عمومی و برنامه های کنسرت زنده مورد استفاده قرار می گیرند.
صوت آنالوگ
سیستم های صوتی آنالوگ برای تقویت و پخش نیازی به فناوری ضبط ندارند.
سیگنال آکوستیک با استفاده از میکروفن به برق تبدیل می شود. سیگنال های صوتی الکتریکی به یک پیش تقویت کننده میکروفون، سپس به جلوه های صوتی آنالوگ و میکسر و در نهایت به یک تقویت کننده ارسال می شوند. سیگنال صوتی تقویت شده توسط بلندگو به انرژی اکوستیک تبدیل می شود.
از ابتدا تا انتهای یک زنجیره سیگنال آنالوگ، سیگنال صوتی یا بصورت انرژی آکوستیک و یا انرژی الکتریکی است. باید بیان نمود که نیازی به ذخیره سیگنال نیست و همه چیز در زمان واقعی با سرعت برق در سیم اتفاق می افتد که سرعت آن برابر با 75% سرعت نور است.
صوت دیجیتالی
سیستم های صوتی دیجیتال برای تقویت و پخش نیاز به فناوری ضبط دارند.
سیگنال صوتی الکتریکی به PCM (Pulse code Modultion) تبدیل و یا کمیت می شود. هر زمان که سیگنال از آنالوگ به دیجیتال و یا از دیجیتال به آنالوگ تبدیل شود، این کمیت رخ می دهد. این بدان معناست که هر سیگنالی که از یک اثر دیجیتالی با استفاده از کابل های آنالوگ به سیستم وارد و یا از آن خارج شود، به PCM درون واحد تبدیل و پردازش می شود و دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. تمامی پردازنده های صوتی دیجیتال، میکسر و تقویت کننده ضبط های مختصر برای پردازش سیگنال های صوتی ایجاد می کنند.
تفاوت های اصلی بین صوت آنالوگ و صوت دیجیتال
تأخیر
اگر چه سرعت پردازش اندازه گیری های دیجیتال بسیار سریع است، اما هنوز هم کند تر از انتقال برق از طریق سیم عمل می کنند. این ویژگی سیستم های دیجیتال تأثیر منفی در اضافه کردن تأخیر به سیگنال دارد. تأخیر سیگنال ناشی از پردازش است.
تمامی سیستم های صوتی دیجیتال تأخیر را به زنجیره سیگنال اضافه می کنند. با این وجود با پیشرفت فناوری، تأثیر تأخیر بطور چشمگیری کاهش یافته است. یکی از اشکالات اصلی برای اضافه کردن تأخیر به سیستم، خطر مداخله فاز مخرب است. اگر سیگنالی دو مسیر را طی کند، تأخیرهای متفاوتی به سیگنال اضافه می کنند. در این صورت سیگنال از فاز خارج شده و ممکن است باعث فیلتر شانه با اکو شوند.
همچنین تأخیر می تواند یک پایش غیر طبیعی برای نوازندگان و یا دیگر هنرمندان بوجود آورد. ارگ یک سیگنال به تأخیر بیفتد، شخصی که در حال صحبت کردن و یا نواختن است، ممکن است به اشتباه بیفتد، زیرا او خود را از طریق میکروفون تحت نظر دارد. از همین رو اگر سیستم دیجیتال تأخیری بیش از حد به سیگنال اضافه کند بهتر است مستقیماً از طریق زنجیره سیگنال آنالوگ کنترل شود.
قابلیت حمل
مشکل اصلی سیستم های آنالوگ وزن و اندازه آنهاست. میکسرهای صوتی دیجیتال مدرن در داخل آنها اکولایزر، کمپرسور، دروازه و جلوه های دیگری برای هر کانال وجود دارد. سیستم های آنالوگ با همان قابلیت پردازش به چندین قفسه و هزاران دنده نیاز دارد. اما پیکربندی سیستم های دیجیتالی بسیار ساده تر است. همچنین آنها نیازی به اضافه کردن کابل های آنالوگ برای وصله ندارند. اگر یک مهندس میکس بخواهد جلوه نمایش میانه متفاوتی را امتحان نماید، این کار به سادگی فشار دادن چند دکمه سیستم دیجیتالی است. حال آنکه این تغییر در سیستم های آنالوگ نیاز به بازخوانی می باشد.
تجهیزات آنالوگ شامل اجزای الکتریکی سنگینی است که از اکولایزر، کمپرسور و تأثیرات Reverb تشکیل شده است. تراشه های پردازش دیجیتال ابزارهای مشابهی را در فضا و با وزن کمی ارائه می دهند.
طبقه نویز
هر چه بیشتر جلوه های آنالوگ را زنجیره کنیم، سروصداهای الکتریکی دستگاه بیشتر می شود. اما استفاده از جلوه های دیجیتالی بیشتر هیچ نویز یا صدای اضافه ای به سیگنال اضافه نمی بخشد، زیرا سیگنال هرگز سیگنال پردازنده دیجیتال را ترک نمی کند و فقط نویز ذاتی یک دستگاه واحد وجود دارد.
نتیجه گیری
واقعیت امر اینست که هر دو سیستم صوتی آنالوگ و دیجیتال در دنیای مدرن امروزی کاربرد داشته و مفیدند. صحبت در مورد اینکه کدام یک بهتر و یا بدتر هستند همواره ادامه دارد، زیرا هیچ پاسخ روشنی برای آن وجود ندارد. یک میلیون برنامه برای فناوری های صوتی (اسپیکر، هدفون و …) وجود دارد و هر یک خواستار مجموعه ای بی نظیر از تجهیزات هستند. ما بعنوان یک مهندس صدا، نوازنده و یا شنونده، باید در مورد هر یک مجموعه تجهیزات صوتی تصمیم بگیریم که کدامیک به ویژگی های منحصر بفردش پاسخگوی نیازها در هر موقعیت هستند.
پاسخگوی سوالات شما هستیم