|
فيلترها و اكوالايزرها
محمد
کریوند
مقدمه
هرگاه سخن
از اكوالايزر به ميان مي آيد معمولا منظور وسيله يا مداري
است كه جهت تقويت فركانسهاي مشخصي بكار مي رود و در حقيقت
براي جبران افت لول وابسته به فركانس استفاده مي شود. شما
با انواع اكوالايزرها چه در سيستم هاي خانگي و چه در سيستم
هاي حرفه اي آشنا هستيد. از طرف ديگر فيلتر به مداري گفته
مي شود كه به منظور تضعيف و يا حذف بخشي از سيگنال مورد
استفاده قرار مي گيرد. اگرچه امروزه هر دو مورد( فيلترها و
اكوالايزرها ) مي توانند پروسس هاي مختلفي را روي سيگنال
انجام دهند. فيلترها مي توانند يك پهناي باند را عبور دهند
و يا آنرا حذف كنند ( فيلترهاي
Band pass يا
Band reject
) يا فركانس هاي بالا و پائين را عبور دهند (
High pass and Low pass
) . در خصوص فيلترها همواره بايد به خاطر داشته باشيم كه
قطعات مورد استفاده در اين مدارها ، تغييراتي را در سيگنال
ورودي ايجاد مي كنند كه مهمترين آنها تغيير فازي (
Phase shift )
است. ميزان اين تغيير فاز ارتباط مستقيم با شيب پاسخ فيلتر
دارد. هر چه شيب فيلتر بيشتر باشد، تغيير فاز سيگنال بيشتر
است. در اين جزوه قصد داريم شما را با مفاهيم و تعاريف
اساسي فيلترها ( اكتيو يا پسيو) و اكوالايزرها آشنا سازيم
و از ورود به مباحث نظري از قبيل مرتبه فيلترها و يا كلاس
آنها كه شامل فيلترهاي باترورث ، بسل ، چبي شف و غيره
ميشود ، پرهيز مي كنيم. در نهايت مباحثي در خصوص ديناميك
كنترل ها كه شامل كمپرسورها ، ليميترها ، اكسپندرها و گيت
مي باشد را مطرح مي كنيم.
مفاهيم
اساسي فيلترها:
1-
فركانس قطع( Cutoff frequency)
: فركانسي است كه پاسخ فيلتر در آن نقطه به اندازه
3dB افت كرده
است.
2- فركانس مركزي (
Central frequency
) : در فيلترهاي ميان گذر به فركانسي كه در وسط پهناي باند
قرار گرفته است ، فركانس مركزي مي گويند:
fc =( f1 + f2
)/2
f1
و f2
فركانس هاي قطع بالا و پايين فيلتر هستند.
3- پهناي باند (Band
width ) : محدوده فركانسي كه
فيلتر اجازه عبور مي دهد بدون آنكه تضعيفي ايجاد كند. سمبل
نمايش آن WB
است.
4- ضريب كيفيت (Q
) : Q
ضريب كيفيت يك فيلتر در پهناي باند مشخص مي باشد و طبق
رابطه ذيل با پهناي باند و فركانس مركزي در ارتباط است:
Q = fc / wB
5-
شيب فيلتر ( Slope
) : شيب گراف فيلتر، سرعت كاهش و يا افزايش بهره در ابتدا
يا انتهاي پهناي باند كه با واحد
dB/octave بيان مي گردد مي
باشد. در فيلترهاي استاندارد اين شيب معمولا با مقادير 6 ،
12 ، 18 و يا 24 دسي بل در اكتاو طراحي مي گردند.
انواع
فيلترها
فيلترها را مي
توان بر اساس نوع پاسخ آنها دسته بندي نمود و سپس براي هر
دسته دو نوع مدارات Passive
و Active
را بررسي كرد.
1-
فيلترهاي بالا گذر ( High pass
filters ) : اين نوع فيلتر به
فركانس هاي بالاتر از فركانس قطع اجازه عبور مي دهد بدون
آنكه تضعيفي در آنها ايجاد كند. بديهي است كه فركانس هاي
كمتر از فركانس قطع تضعيف شده و يا حذف مي شوند.
بيشترين مورد
استفاده فيلترهاي بالا گذر در حذف سيگنالهاي ناخواسته در
محدوده فركانسي 40 تا 70 هرتز مي باشد.( در مدارات محافظ
بلندگوها و....). مدارات پسيو و اكتيو نمونه در ادامه
آمده است. شيب گراف فيلتر صفحه بعد
9dB/octave
است.
الف- فيلتر بالا
گذر RC
:
همانطور كه در
مدار شكل فوق مي بينيم با افزايش فركانس سيگنال ورودي خازن
به سمت اتصال كوتاه رفته و خواهيم داشت :
Vout =
Vin
در حاليكه در
فركانس هاي پايين، Xc
بسيار زياد بوده و مي تواند تضعيف زيادي روي اين دسته از
فركانسها ايجاد كند:
Vout ≈ 0
ب-
فيلتر بالا گذر اكتيو : يك فيلتر بالا گذر مرتبه دو در شكل
زير نمايش داده شده است.
مقادير خازنها
طبق روابط ذيل محاسبه مي شوند :
C1 = (R1+R2)/2√2πfcR1R2
C2 = 1/2√2πfcR1R2
-
مقاومت R1
تيزي قطع را افزايش مي دهد.
شايد ساده تر ين
مدار فيلتر بالا گذر همان مدار مشتق گير باشد كه شكل آن در
ذيل آمده است.
سوال : چرا در
محدوده فركانسهاي صوتي از مدارات اكتيو به جاي مدارات پسيو
استفاده مي كنند؟
2-
فيلتر هاي پايين گذر (low pass
filter ) : اين نوع فيلتر نيز
داراي مشخصات عمومي مشابه با فيلترهاي بالا گذر است با اين
تفاوت كه به جاي فركانس هاي بالاتر از فركانس قطع ، فركانس
هاي پايين تر از فركانس مذكور را عبور مي دهد. اين نوع
فيلتر به ميزان كمتري مورد استفاده قرار مي گيرد و بيشتر
براي حذف نويزهايي از قبيل Hiss
بكار مي رود. اگر چه امروزه با افزايش كاربرد مدارات
ديجيتال از اين نوع فيلترها بطور وسيعي به عنوان فيلتر
Anti-aliasing
استفاده مي شود. از آنجاييكه شيب اين فيلترها بسيار زياد
است ( حدود 40 dB
تا 100 dB)
به آنها فيلترهاي ديوار آجري مي گويند. در ذيل گراف يك
فيلتر پايين گذر با فركانس قطع 700 هرتز و با شيب
12dB/octave
آمده است.
الف- فيلتر پايين
گذر RC
:
همانطور كه در
شكل فوق مي بينيم در فركانس هاي پايين راكتانس خازن بالا
بوده و خواهيم داشت :
Vout ≈ Vin
با افزايش فركانس
، راكتانس خازن كم شده و به سمت اتصال كوتاه خواهد رفت كه
در اين صورت خروجي مدار صفر خواهد شد:
Vout
≈ 0
ب- فيلتر اكتيو
پايين گذر
:
همانند آنچه در
مورد فيلتر بالا گذر گفتيم ، مدار انتگرال گير مي تواند به
عنوان ساده ترين فيلتر پايين گذر اكتيو مطرح گردد. شكل اين
مدار در ذيل آمده است.
3- فيلترهاي ميان
گذر ( Band pass filter
) : اين نوع فيلتر يك پهناي باند مشخصي را عبور داده و
بقيه فركانس ها را بر اساس فاصله آنها تا فركانس مركزي
فيلتر ، تضعيف مي كند.
مشكل ذاتي اين نوع
فيلترها كه با نام” اثر Ringing
“ شناخته مي شود ، تمايل اين فيلتر به رزونانس در فركانس
طبيعي فيلتر است هنگاميكه با يك موج سينوسي در آن فركانس
تحريك شود.
چنانچه Q
فيلتر پايين باشد مثلا حدود 0.5
، اين اثر كاملا قابل حذف مي باشد و ليكن در مدارات با
Q بالا
اين مشكل حاد تر خواهد بود. همانطور كه مي دانيد هرچه
Q
بالاتر باشد پهناي باند كمتر خواهد بود و يا به عبارت ديگر
فيلتر از نوع Narrow Band
است. شرط
Narrow Band بودن يك فيلتر در
ذيل آورده شده است :
f2/f1<2
f1
و f2
فركانس هاي قطع بالا و پايين فيلتر مي باشند.
در ذيل يك نمونه
گراف فيلترهاي ميان گذر با پهناي باند مشخص آورده شده
است:
اكثر اكوالايزر
هاي امروزي از اين نوع فيلترها جهت جبران لول وابسته به
فركانس استفاده مي كنند.
الف – فيلترهاي
ميان گذر پسيو:
مدار فوق يك مدار
LC سري
است كه مقاومت آن در برابر عبور جريان در فركانسي كه
راكتانس خازن و سلف برابر مي شوند بسيار زياد است.
ب- فيلترهاي ميان
گذر اكتيو:
نمونه فوق از
تركيب دو فيلتر بالا گذر و پايين گذر تشكيل شده است .
4- فيلترهاي ميان
نگذر( Filter
Band Reject ):
اين نوع فيلترها تنها يك فركانس معين را تضعيف كرده و بقيه
فركانس ها را بدون تغيير عبور مي دهند. به اين فيلترها ،
Notch Filters
نيز مي گويند. در ادامه مدارات و گراف
هاي مربوطه آورده شده اند.
مدار فوق يك فيلتر
LC سري
مي باشد كه به محض برابر شدن راكتانس سلف و خازن ( در
فركانس fc
) به صورت يك اتصال باز عمل كرده و اجازه عبور آن فركانس
را نمي دهد. و ليكن تمام فركانس هاي ديگر را عبور مي دهد.
همانطور كه مشخص است با تغيير مقدار
R2 مي توان
ميزان عمق فيلتر را تغيير داد يا به عبارت ديگر ميزان
تضعيف فركانس مورد نظر را تعيين نمود.
5- فيلترهاي
Shelving
: نمونه گراف يك فيلتر Shelving
بسيار عمومي در ذيل آمده است . علت استفاده از اين نام شكل
گراف آنها مي باشد.
كاربرد فيلترها
در مدارات Cross over
بلندگوها :
از آنجاييكه هيچ
بلندگويي وجود ندارد كه تمامي فركانسهاي صوتي را توليد
كرده و آنها را با لول يكسان و بدون ديستورشن پخش كند لذا
براي داشتن يك پاسخ مناسب ، حداقل به يك
Woofer بزرگ و
يك Tweeter
نياز داريم. در بلندگوها قبل از تقويت كل سيگنال مي بايست
ابتدا كل باند فركانسي به زير باندهاي فركانسي كوچكتر تحت
عنوان LF
وHF
تبديل شده و به ترتيب به Woofer
و
Tweeter اعمال گردند. براي اين
كار از مدارات فيلتر بالا گذر و پايين گذر استفاده مي
شود. چنانچه بخواهيم پاسخ بهتري داشته باشيم مي توان از سه
باند فركانسي استفاده كرد . اين مدارات مي توانند از نوع
پسيو و يا اكتيو باشند. بسته به اينكه سيگنال را به چند
باند فركانسي تقسيم كنيم بلندگوها به دو دسته
2 Way و
3 Way
تقسيم بندي مي شوند. در اشكال ذيل هر دو نمونه با مدارات
Cross Over
اكتيو و پسيو ارائه شده اند :
اشكال فوق بلوك
دياگرام يك بلندگوي 3 Way
را نشان مي دهند. كه علاوه بر فيلترهاي بالا و پايين گذر
از فيلتر ميان گذر نيز استفاده شده است . به درايور مربوطه
نيز Mid-range
مي گويند.
بلوك دياگرام يك
بلندگوي2 Way
بصورت دو نمونه پسيو و اكتيو در ذيل نشان داده شده است.
سوال مهم : مدارات
Cross over
پسيو و اكتيو چه مزايا و معايبي نسبت به يكديگر دارند؟
اكوالايزرها
( Equalizers
)
يك اكوالايزر
بطور ساده تشكيل شده از تعدادي فيلترهاي الكترونيكي كه به
شما اجازه مي دهد تا پاسخ فركانسي يك سيستم صوتي را كنترل
و يا تنظيم كنيد. اين نام از صنعت تلفن گرفته شده است چرا
كه پاسخ فركانسي خط تلفن مي بايست به گونه اي تنظيم شود تا
تمام فركانسهاي مورد نظر بصورت يكسان تقويت شوند.
اكوالايزرها
معمولا جهت تغيير پارامترهاي زير بكار مي روند:
1-
بهره(Gain
) : چقدر بهره را تقويت كرده و
يا تضعيف كند؟
2-
فركانس
مركزي (fc
) : اين فركانس كجا باشد؟
3-پهناي باند (Band
width ): اثر اكوالايزر در چه
پهناي باندي اعمال شود؟
بهره –
اكوالايزرها بمنظور تغيير مشخصات معيني از يك باند فركانسي
بكار مي روند و اين امر با تكه كردن سيگنال به باندهاي
مجزا با استفاده از فيلترها ي ميان گذر و تنظيم بهره هر يك
از آنها حاصل مي شود. اكوالايزرهاي اكتيو قادر خواهند بود
بهره را هم افزايش دهند و هم كاهش در حاليكه انواع پسيو
توانايي افزايش بهره را ندارند.
فركانس مركزي –
قبلا اين پارامتر را تعريف كرده ايم.
پهناي باند و
Q – اين
دو پارامتر نيز در بخش هاي قبلي شرح داده شده اند.
تغييرات فوق الذكر
توسط سه نوع اكوالايزر قابل كنترل مي باشند :
1-
Graphics
: تنها پارامترهاي اول و دوم را تغيير مي دهد.
2-
Sweep EQ.:
تنها پارامترهاي اول و دوم را تغيير مي دهد.
3-Para
metrics : هر سه پارامتر فوق را
مي تواند تغيير دهد.
اكوالايزر هاي
گرافيكي :
اين اكوالايزرها
مرسوم ترين تجهيزات پردازش سيگنال در محيط ضبط (Recording
) مي باشند. اين دسته از اكوالايزرها شامل يك بانك فيلتر
هستند كه فاصله فركانس مركزي آنها يك اكتاو و يا كسري از
اكتاو بوده و به صورت موازي در مجاورت يكديگر قرار گرفته
اند. در اين نوع اكوالايزرها چنانچه بخواهيم فركانس بين دو
فركانس مركزي مجاور را تقويت كنيم با مشكلاتي روبرو خواهيم
شد چرا كه مجبوريم بهره يكي از فيلترها را به شدت بالا
ببريم. توجه داشته باشيد كه گراف نهايي در حقيقت پاسخ
فركانسي واحد EQ
است نه كل سيستم. سه نوع اكوالايزر گرافيك وجود دارد كه
تفاوت عمده آنها در تعداد فيلترها ي آنها مي باشد.
كوچكترين آنها اكوالايزر اكتاو باند مي باشد كه معمولا
داراي 9 يا 10 فيلتر با فاصله يك اكتاو مي باشند. هر فيلتر
به صورت جداگانه تنظيم مي شود و سپس شكل نهايي فيلتر ،
حاصل اثر تك تك فيلترهاست . فيلترهاي 3/2 اكتاو با تعداد
15 فيلتر و 3/1 اكتاو با تعداد 27 تا 30 فيلتر نيز وجود
دارند. در ذيل يك نمونه گراف اكوالايزر گرافيكي يك اكتاو
آورده شده است :
كاربردهاي
فيلتر گرافيكي :
1-
همسان
سازي( Flattening
) پاسخ فركانسي بلندگوها
2-
كاهش و يا
حذف فيدبك در سالن هاي سر بسته
3-جبران كاهش باس
(Bass )
حاصل از مكان بلندگوها
اكوالايزر هاي
Sweep
:
اين اكوالايزرها
بيشتر در طبقات ورودي ميكسرهاي صدا بكار مي روند و به طور
كلي بيشتر در جاييكه نياز به كنترل بيشتري روي سيگنال
احساس مي شود، استفاده مي شوند واين امر افزايش تعداد
پتانسيومترها را به دنبال خواهد داشت. اكوالايزرهاي
Sweep كنترل بر
روي 3 تا 4 باند فركانسي را مهيا مي كنند و با اين كار
تعداد knob
ها را كاهش مي دهند. عيب مشخص اين اكوالايزرها عدم كنترل
روي پهناي باند است .
اكوالايزرهاي
پارامتريك :
عموما اين
اكوالايزرها بر اساس خواست سازنده طراحي مي شوند. فركانس
مركزي بطور پيوسته (نه پله اي) قابل تغيير بوده و لذا قادر
به كنترل پهناي باند ، Q
و همچنين بهره خواهيم بود. بايد توجه داشت كه تغيير هر يك
از اين پارامترها مستقل از بقيه آنها خواهد بود و تاثيري
روي ديگر پارامترها نخواهد داشت.
Dynamic controllers
در اين قسمت مي
خواهيم به بخش بسيار مهمي از پروسس هاي سيگنال صدا
بپردازيم. مهمترين ديناميك كنترلرها،
Compressor و
Expander
هستند و كنترلرهاي ديگر از قبيل
limiter و
Noise gate در
حقيقت زير مجموعه اين دو مي باشند. قبل از معرفي اين
كنترلرها بهتر است تعريف دقيقي از
Dynamic Range (گستره پويايي )
در يك سيستم صوتي داشته باشيم. گستره پويايي يكي از
پارامترهاي كيفيت صدا است كه عبارت است از نسبت ماكزيمم
سطح صدا (آستانه ديستورشن) به كمترين لول صداي قابل شنيدن
( ماكزيمم سطح سيگنال خروجي توسط منبع تغذيه تعيين شده و
كمترين سطح را نويز زمينه مشخص مي كند.) كه اين نسبت بر
حسب dB
بيان مي گردد. معمولا در سيستم هاي حرفه اي آنالوگ ماكزيمم
لول خروجي +26dBu
بوده و بهترين ميزان نويز نيز حدود
94dBu – مي
باشد كه خواهيم داشت :
Dynamic Range = 120 dBu
اين مقدار معادل
گستره پويايي صداي ديجيتال 20 bit
است.
كمپرسورها(Compressors
) :
كمپرسورها چه عملي
انجام مي دهند؟ فرض كنيد در ماشين نشسته ايد ،
CD Player
ماشين شما روشن است و يك قطعه موسيقي كلاسيك را گوش مي
دهيد. قطعه موسيقي در ابتدا بسيار آرام شروع مي شود و شما
براي بهتر شنيدن آن (نسبت به صداي نويز موتور و ديگر
نويزهاي محيط) ولوم ضبط را افزايش مي دهيد. به محض آنكه
موسيقي پيش مي رود صداي خروجي بلندتر شده و كمي آزار دهنده
خواهد بود. در اين لحظه شما نياز داريد تا مجددا ولوم ضبط
را كاهش داده و به صداي مطلوب دست يابيد. اين كاري كه شما
مي كنيد در حقيقت دست كاري Dynamic
Range آن قطعه موسيقي است. با
اين كار ولوم صداي ضبط شما صداهاي آرام را بلند تر و
صداهاي بلند را آرام تر كرده و لذا گستره پويايي (در اينجا
تفاوت بين آرام ترين و بلند ترين صدا ) را فشرده مي كند.
در حال حاضر موسيقي پخش شده همچنان داراي بخش هاي بلند و
آرام خواهد بود اما تفاوت اين دو بخش مثل سابق نيست. اين
ماهيت كاري است كه يك كمپرسور انجام مي دهد. در كمپرسور
چهار پارامتر وجود دارد كه تعيين كننده و تعريف كننده نوع
اثر آن بر روي سيگنال مي باشد. اين پارامترها عبارتند از:
Threshold،Ratio
،Attack Time
و Time
Release
1-
Threshold(آستانه)
: سطح ولتاژ آستانه ، ولتاژي است كه به محض برابري لول
سيگنال ورودي با آن ، مدارات كمپرسور فعال شده و با نسبتي
كه تعيين شده عمل فشرده سازي سيگنال را انجام مي دهد.
2-
Ratio : ميزان
تقويت سيگنال خروجي به ازاي هر واحد افزايش سيگنال ورودي
را تعيين مي كند. به عنوان مثال يك كمپرسور با نسبت
2:1 به اين
معني است كه به ازاي هر دو واحد افزايش در ورودي ، سيگنال
خروجي تنها يك واحد افزايش مي يابد.
3-Attack
Time : به مدت زماني كه طول مي
كشد تا مدارات كمپرسور، سيگنال ورودي بزرگتر از ولتاژ
آستانه را تشخيص داده و وارد عمل شود
Attack Time
مي گويند.
4-Time
Release : به
مدت زماني كه طول مي كشد تا مدارات كمپرسور، كاهش مجدد سطح
سيگنال ورودي و نزول آن را از سطح آستانه تشخيص داده و عمل
كمپرسينگ را متوقف سازد، Release
Time مي گويند.
در ادامه گراف يك
كمپرسور با نسبت هاي مختلف رسم شده است.
در گراف بالا
ولتاژ آستانه 5dBu
– و نسبت 2:1
است.
در اين گراف ولتاژ
آستانه تغيير نكرده ولي نسبت 10:1
است.
در گراف شكل سوم
همانطور كه مي بينيم ولتاژ آستانه را مي توان تغيير داد تا
زمان شروع عمل كمپرس را به دلخواه
User تعيين نمود و همانطور كه
در گراف دوم مي بينيم ميتوان ميزان لول خروجي را با تعيين
Ratio
تغيير داد. Limiter
در حقيقت يك كمپرسور است با نسبت
∞: 1 كه گراف آن در ذيل نشان
داده شده است.
لازم به توضيح است
كه در بيشتر كمپرسورها كنترل زمانهاي
Attack و
Release
به دست اپراتور نبوده و مقادير ثابتي هستند وليكن در بعضي
موارد اين كنترل ها نيز در دسترس اپراتور گذاشته شده است.
سوال: عنصر اصلي
تشكيل مدار كمپرسور چه مي تواند باشد؟
اكسپندر(Expander
) :
اين دسته از
پروسسورها به منظور افزايش
Dynamic Range مورد استفاده
قرار مي گيرند. نمونه هاي مدرن اين مدارات در سطح ولتاژ
پايين تر از يك ولتاژ آستانه تعريف شده كار مي كنند و اين
كار باعث مي شود كه صداهاي آرام به گونه اي آرام تر پخش
شوند. در حقيقت Expansion
در جهت كاهش لول در محدوده سطح نويز زمينه عمل مي كند.
بعنوان مثال فرض كنيد ولتاژ آستانه روي پايين ترين سطح
ولتاژ صداي كلام ضبط شده تنظيم گرديده و نسبت
2:1 جهت
Expansion در
نظر گرفته شود . آنچه كه اتفاق مي افتد اين خواهد بود كه
به محض قطع شدن صداي كلام ، لول صداي باقيمانده در حد
نويز زمينه خواهد شد. حال هرگونه كاهشي در سطح صداي ورودي
به ميزان دو برابر در خروجي كاهش خواهد يافت. مثلا 10 دسي
بل كاهش در لول سيگنال ورودي باعث كاهش 20 دسي بل در
لول خروجي خواهد شد. از اين خاصيت براي حذف نويز استفاده
مي شود. Noise Gate
همان اكسپندر است كه Ratio
آن ∞: 1
است.
گراف فوق خروجي بر
حسب ورودي هر چهار سيستم مورد بحث را در يك شكل متحد نشان
ميدهد.
|
