دیستورشن

در هر سیستم ضبط و پخش صدا مطلوب است که سیگنال خروجی دقیقا مانند سیگنال ورودی باشد ولی متاسفانه این امر معمولا اتفاق نمی افتد. در واقع هر نوع خطا و تغییر شکل در سیگنال ورودی را می توان به صورت یک سیگنال ناخواسته که به سیگنال اصلی اضافه شده تعیبیر کرد. این سیگنال خطا به دو دسته تقسیم می شود. اگر سیگنال خطا مستقل از سیگنال ورودی بوده و تابعی از آن نباشد نویز و اگر تابعی از آن باشد دیستورشن یا واپیچش یا اعوجاج (Distortion) نامیده می شود.

انواع دیستورشن :

غیر خطی بودن :

اصلی ترین نوع دیستورشن، دیستورشن دامنه است که از غیر خطی بودن سیستم حاصل می شود. در هر سیستم صوتی ایده آل انتظار داریم که تابع انتقال (Transfer Function) سیستم خطی باشد یعنی شکل دامنه سیگنال خروجی دقیقا مانند ورودی باشد. در عمل تمامی سیستم ها درجاتی از رفتار غیر خطی را از خود نشان می دهند و در نتیجه سیگنال خروجی تغییر شکل می یابد.

هرگاه یک موج سینوسی ساده، واپیچیده شود و شکل آن تغییر کند می توان نشان داد که هارمونیک هایی به آن اضافه شده زیرا هر شکل موج مرکب متناوب از مجموعه ای از امواج سینوسی ساده با فرکانس هایی با نسبت صحیح (مجموعه هارمونیک ها) تشکیل شده است. این نوع دیستورشن را دیستورشن هارمونیک (HD) می نامند که به صورت دیستورشن هارمونیک کل (Total Harmonic Distortion) یا THD بر حسب درصد اندازه گیری می شود.

مقدار THD به عنوان یکی از مقیاس های تعیین کیفیت یک سیستم صوتی توسط سازندگان اعلام می شود (هرچه کمتر بهتر) در حالیکه از سالهای پیش معلوم شده که مقدار عددی  THD چندان معنی دار نیست و دو سیستم با مقدار THD برابر، ممکن است کیفیت های صوتی متفاوتی را عرضه کنند و یا حتی سیستم با THD بیشتر، خوش صداتر از سیستمی با مقدار THD کمتر باشد! این بدان سبب است که در حقیقت آرایش و مقدار هارمونیک های مختلف مهم تر از مقدار مجموع آنان است.

هارمونیک های زوج (دوم، چهارم، ..) از نظر موسیقیایی فاصله اکتاوی با صدای اصلی دارند که عمدتا به گوش خوشایند است. هارمونیک سوم با صدی اصلی فاصله موسیقیایی معادل فاصله پنجم (البته یک اکتاو بالاتر) دارد که فاصله ای خوشایند تلقی می شود. هارمونیک فرد بالاتر فاقد ارتباط موسیقیایی با صدای اصلی بوده و در نتیجه ناخوشایند خواهند بود. بنابراین سیستمی که عمدتا دیستورشن هارمونیک های درجات پایین (دوم و سوم) تولید می کند خوش صداتر از دیستورشن با آرایش هارمونیکی درجات بالاتر است حتی اگر THD هر دو سیستم برابر باشد.

در واقع مقدار کم دیستورشن درجات دوم و سوم به گرمتر شدن صدا کمک می کند و ممکن است توسط شنونده نسبت به یک سیستم بدون دیستورشن ترجیج داده شود و به همین دلیل است که گاهی برخی از سیستم های لامپی یا آنالوگ نسبت به سیستم های دیگر مطلوب تر تلقی می شوند. مقدار THD برای یک تقویت کننده ترانزیستوری مدرن باید کمتر از ۰٫۰۱ درصد باشد.

بهر حال وجود THD نشان می دهد که سیستم خطی نیست و این غیر خطی بودن باعث تولید نوع دیگری از دیستورشن دامنه می شود که (IMD (Inter-Modulation Distortion نام دارد و عامل اصلی ناخوشایند بودن صدا است.

هرگاه یک سیگنال مرکب شامل دو یا چند مولفه سینوسی با فرکانس های متفاوت به یک سیستم غیر خطی وارد شود، در خروجی علاوه بر هارمونیک ها، مجموع و تفاضل آن ها نیز ظاهر خواهد شد. به این دیستورشن IMD می گویند که شامل تعداد زیادی تن است که ارتباط هارمونیک با فرکانس های اصلی ندارند و در نتیجه صدای حاصل بسیار نامطلوب است و در حقیقت بیشتر احساس ناخوشایند دیستورشن از IMD نتیجه می شود که باعث حذف جزییات و شفافیت صدا می شود.

از آنجا که هیج ارتباط مشخصی بین IMD و THD برقرار نیست اندازه گیری معمول THD نمی تواند تخمین مفیدی درباره کیفیت سیستم صوتی باشد و بر طبق یک بررسی انجام شده، اندازه IMD معمولا در حدود ۳ تا ۴ برابر THD است و چون حدود ۱۰ برابر ناراحت کننده تر تلقی می شود در عمل ۴۰ برابر THD تاثیر نامطلوب خواهد داشت.

برش Clip :

اگر دامنه سیگنال ورودی یا خروجی از حد مجاز سیستم فراتر رود دچار برش شده و قله آن صاف می گردد یعنی نوعی موج مربعی حاصل می شود. چون تعداد هارمونیک های موج مربعی، بی نهایت است تعداد بسیار زیادی هارمونیک مرتبه بالای ناخوشایند تولید می شوند.

همچنین در بسیاری از میکسرهای ارزان و متوسط، در طبقات پیش تقویت کننده از IC ها استفاده می شود. تولید دیستورشن در ICها  بسیار ناگهانی است و هارمونیک های حاصل عموما از درجات بالا هستند بنابراین باید توجه داشت که سهوا یا عمدا (به منظور حصول دیستورشن برای گرمتر شدن صدا) این طبقات اضافه بار نشوند.

دیستورشن سیگنال های گذرا Transient Distortion :

اگر یک سیستم صوتی نتواند تغییرات سیگنال ورودی را عینا دنبال کند واپیچش گذرا رخ می دهد. برای حصول پاسخ گذاری خوب، سیستم باید دارای پاسخ فرکانسی وسیع و همواره بدون دیستورشن فاز باشد. واپیچش گذرا معمولا در اثر کافی نبودن Rate Slew رخ می دهد که در سیستم های با مقدار فیدبک منفی زیاد دیده می شود.

از فیدبک منفی در بسیاری از تقویت کننده ها برای افزایش پایداری و پهنای باند سیستم و کاهش دیستورشن استفاده می شود ولی مقدار زیاد آن باعث ایجاد مشکلاتی در رفتار سیستم در برابر سیگنال های گذرا خواهد شد.

وقتی یک سیگنال گذرای بسیار سریع به یک تقویت کننده با فیدبک منفی زیاد اعمال می شود ممکن است طبقه ورودی برای مدت زمان کوتاهی اضافه بار شده و اشباع شود تا اینکه سیگنال ورودی به خروجی تقویت کننده برسد و سیگنال تصحیح کننده توسط فیدبک به ورودی بازگردد. در این حالت قسمت گذاری ابتدای سیگنال حذف می گردد که به صورت کاهش کیفیت صدا شنیده خواهد شد.

دیستورشن فاز Phase Distortion :

اگر سیگنال صوتی از یک سیستم خطی و بدون واپیچش فاز عبور کند پاسخ فاز یا Phase Shift (تفاوت بین فاز ورودی و خروجی ) باید هموار باشد یعنی تمام اجزای یک شکل موج پیچیده باید به یک اندازه تاخیر داشته باشند و در این صورت شکل موج خروجی بدون تغییر می ماند.

اگر پاسخ سیستم دارای واپیچش فاز باشد باعث می شود فرکانس های مختلف با سرعت های متفاوت منتشر شوند بنابراین شکل موج یک سیگنال مرکب تغییر می کند بدون آنکه طیف فرکانسی آن تغییر کند.
عملکرد حوزه زمان برای سیستم های صوتی بسیار مهم است و نیاز به پاسخ فاز خطی و بدون دیستورشن دارد. بدین منظور Phase Shift باید بسیار کم (کمتر از ۵ درجه) و پاسخ فرکانسی بسیار وسیع ( بین ۰٫۸ هرتز یا ۳۵ کیلوهرتز ) باشد.

دیستورشن فاز نه تنها باعث تغییر در رنگ صوتی می شود بلکه Headroom سیستم را نیز کاهش می دهد. دامنه قله سیگنالی که از سیستمی با پاسخ فرکانسی تخت (Flat) ولی با پاسخ به واپیچش فازی زیاد می گذرد ممکن است بین ۱۰ تا ۱۵ دسی بل افزایش یابد. حتی پاسخ فازی ناهموار در محدوده فرکانسی بالاتر از حد شنوایی (Ultrasonic) نیز ممکن است باعث تولید مدولاسیون تقاطعی در باند شنوایی و در نتیجه مشکلاتی برای سیستم های صوتی بخصوص تقویت کننده های قدرت گردد.

دیستورشن فرکانس Frequency Distortion :

دیستورشن فرکانس وقتی رخ می دهد که پاسخ دامنه بر حسب فرکانس تخت (Flat) و هموار نباشد. در این صورت دامنه برخی از فرکانس ها نسبت به بقیه در خروجی تغییر می کند. گرچه بعضی از پردازشگرها مانند متعادل کننده ها (Equlaizer) را به منظور تصحیح بکار می بریم اما برای یک سیستم صوتی ایده آل مطلوب است که پاسخ بر حسب فرکانس تخت باشد.

دیستورشن مدولاسیون فرکانس Frequency Modulation Distortion :

وقتی صدا روی نوار یا صفحه ضبط می شود هر گونه تغییر در دور نوار یا صفحه به هنگام پخش باعث تغییر ارتفاع اصوات و کوک موسیقی خواهد شد که بسیار نامطلوب است. به این نوع اختلال، دیستورشن مدولاسیون فرکانس گفته می شود.

نویسنده : ارد انزابی پور
منبع : صنعت صدا و تصویر