مشخصات فنی عمومی و اجرایی تاسیسات برقی ساختمان : ضابطه شماره 110 جلد 2 | ۵-۷- سیگنال های صوتی

۱-۵-۷- سیگنال های صوتی آنالوگ 

سیگنال صوتی آنالوگ علایم الکتریکی پیوسته است که ولتاژ فرکانس و شکل موج آن متناسب با دامنه فرکانس و میزان فشار آکوستیک صوتی (SPL) است. ولتاژ سیگنال آنالوگ صوتی بسته به منبع تولید کننده آن می تواند از چند میکروولت در میکروفن ها، تا چند صد ولت در خروجی تقویت کننده ها باشد. ولی به شکل استاندارد دامنه حداکثر ولتاژ سیگنال صوتی بسته به کاربری آن طبق جدول (۷-۴) است. 

۱-۱-۵-۷- سیگنال صوتی آنالوگ نامتعادل 

سیگنال آنالوگ نامتعادل در اثر وجود اختلاف پتانسیل بین یک هادی حاوی سیگنال نسبت به یک هادی صفر که شاسی یا زمین دستگاه است ایجاد می شود. این نوع سیگنال با توجه به ساده و ارزان تر بودن مدارها و اتصالات آن در دستگاه های خانگی و غیر حرفه ای استفاده شده و به دلیل تقویت سیگنال و نویز دریافت شده از مسیر عبور، نویز پذیری بالایی دارد و به همین جهت در انتقال سیگنال در مسیرهای طولانی و تجهیزات حرفه ای که حفظ سیگنال به نویز در آنها دارای اهمیت است استفاده نمی شود. کابل مورد استفاده در این نوع سیگنال کابل شیلددار تک رشته ای بوده و اتصالات آن از قبیل جک و فیش RCA و TS دارای دو پایه است. شکل (7-9) نمونه سیگنال و یک نوع اتصال سیگنال نامتعادل را نشان می دهد. 

۲-۱-۵-۷- سیگنال صوتی آنالوگ متعادل 

سیگنال آنالوگ متعادل در اثر وجود اختلاف پتانسیل بین دو هادی حاوی سیگنال که نسبت به یک دیگر ۱۸۰ درجه اختلاف فاز دارند ایجاد می شود. سیگنال آنالوگ متعادل شامل هادی های سیگنال مثبت (+) و سیگنال منفی (-) است و هادی صفر، شاسی یا زمین دستگاه است و نقش نقطه صفر و شیلد را دارد. این نوع سیگنال با توجه به گران تر بودن مدارها و اتصالات آن در دستگاه های حرفه ای استفاده می شود. با توجه به این که ورودی دستگاه گیرنده دارای تقویت کننده تفاضلی است با کسر شدن سیگنال منفی و مثبت از یک دیگر سیگنال نویز حذف می شود. به همین دلیل جهت انتقال سیگنال در مسیرهای طولانی بسیار مناسب است. کابل مورد استفاده در این نوع سیگنال کابل شیلددار دو رشته ای بوده و اتصالات آن از قبیل جک و فیش XLR و TRS دارای سه پایه است. شکل (7-10) نمونه سیگنال و یک نوع اتصال سیگنال متعادل را نشان می دهد. 

۲-۵-۷- سیگنال های صوتی دیجیتال 

سیگنال های صوتی دیجیتال رشته ای از اعداد دیجیتال است که با نمونه برداری و تبدیل مقادیر پیوسته سیگنال آنالوگ به مقادیر گسسته ایجاد می شود. فرآیند تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به وسیله مدارهای مبدل آنالوگ به دیجیتال انجام شده و دارای استاندارد و فرمت های مختلفی است. پس از انجام مراحل پردازش و ذخیره سازی جهت بازیافت سیگنال آنالوگ اصلی از سیگنال دیجیتال از میدل دیجیتال به آنالوگ استفاده می شود. شکل (۷-۱۱) روش نمونه برداری و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ را نشان می دهد. 

دو مشخصه مهم سیگنال دیجیتال عبارت است از تفکیک پذیری و نرخ نمونه برداری که در ادامه تعریف شده است. 

۱-۲-۵-۷- تفکیک پذیری 

تفکیک پذیری معیاری از دقت تبدیل است که بر اساس آن یک سیستم دیجیتال می تواند بین دامنه های دو نمونه مختلف از یک سیگنال تمایز ایجاد کند. این پارامتر با عمق بیت نیز بیان می شود. هر چقدر تعداد بیت های مذکور بیش تر باشد کیفیت صدای نهایی به صدای آنالوگ اولیه نزدیک تر خواهد بود. تعداد پله های اندازه گیری شده دامنه ولتاژ سیگنال آنالوگ برابر است با ۲ به توان عدد رزولوشن. ولتاژهایی که در حد فاصل دو پله قرار بگیرد اندازه گیری و تبدیل نشده و موجب بروز خطا در تبدیل می شود که با افزیش رزولوشن درصد این خطا کاهش می یابد. این خطا در اثر از دست دادن اطلاعات دامنه سیگنال آنالوگ موجب ایجاد نویزی تدریجی در سیگنال دیجیتال خروجی می شود. کوچکترین مقدار سیگنال آنالوگ قابل اندازه گیری است و از رابطه زیر به دست می آید : 

که در آن A حداکثر دامنه سیگنال و n تفکیک پذیری تبدیل است. 

یکی از پارمترهای نشان دهنده کیفیت سیگنال دیجیتال، داینامیک رنج است که با dB بیان شده و از رابطه زیر بدست می آید :

که در آن n رزولوشن تبدیل سیگنال است. طبق این رابطه داینامیک رنج برای تبدیل 4bit برابر ۲۴dB و برای تبدیل ۱۶bit برابر 96dB و برای تبدیل ۲۴bit برابر 14۴dB است. جدول (7-5) مقادیر خطا در رزولوشن های ۱۶bit ،8bit و ۲۴bit به ازای تقسیم ولتاژ ۵ ولت ارایه شده است. 

۲-۲-۵-۷- نرخ نمونه برداری 

نرخ نمونه برداری سیگنال دیجیتال در واقع فاصله زمانی هر نمونه برداری با نمونه برداری بعدی را بیان می کند و با فرکانس نمونه ساعت مرجع نمونه برداری مشخص می شود. به منظور جلوگیری از حذف یک دوره تناوب از فرکانس سیگنال آنالوگ، فرکانس نمونه برداری حداقل باید دو برابر بالاترین فرکانس سیگنال باشد. جدول (۷-۶) جدول فرکانس نمونه برداری و پهنای باند برای کاربردهای مختلف را نشان می دهد. در کاربردهای حرفه ای از فرکانس های 88/2kHz ، 96Hz و 192kHz نیز استفاده می شود. 

۳-۲-۵-۷- مبدل آنالوگ به دیجیتال به روش فلش  

این روش از چندین مقایسه کننده و مقاومت های تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده است. مزیت این روش سرعت بالای تبدیل سیگنال است ولی به دلیل حجم سخت افزاری بیشتر در تفکیک پذیری کم استفاده می شود. به همین دلیل در دستگاه های حرفه ای کاربرد ندارد. شکل (7-12) بلوک دیاگرام مبدل فلش را نشان می دهد. 

۴-۲-۵-۷- مبدل آنالوگ به دیجیتال به روش تقریب متوالی 

روش تبدیل تقریب متوالی یکی از پرکاربردترین روش های تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. این روش هر چند نسبت به روش فلش کندتر است ولی سرعت قابل قبولی برای تبدیل دارد. در این روش سیگنال آنالوگ ورودی با یک مقدار دیجیتال حاصل از یک شمارنده مقایسه می شود و هنگامی که نتیجه مقایسه عدد شمارنده مساوی سیگنال ورودی باشد. شمارنده قفل شده و عدد دیجیتال نهایی به عنوان اطلاعات خروجی مبدل معتبر می شود. شکل (۷-۱۳) بلوک دیاگرام مبدل آنالوگ به دیجیتال تقریب متوالی را نشان می دهد. 

۵-۲-۵-۷- مبدل آنالوگ به دیجیتال به روش سیگما - دلتا  

در روش تبدیل سیگما - دلتا به جای اندازه گیری دامنه لحظه ای سیگنال آنالوگ، افزایش یا کاهش دامنه سیگنال نسبت به نمونه برداری قبلی سنجیده می شود و در فرکانس 48kHz سرعت تبدیل ۱۲۸ یا ۲۵۶ بار سریع تر از روش تقریب متوالی است. شکل (7-14) بلوک دیاگرام مبدل آنالوگ به دیجیتال سیگما دلتا را نشان می دهد.

۶-۲-۵-۷- مبدل دیجیتال به آنالوگ به روش متعارف نردبانی 

در این روش با اعمال ولتاژ با جریان به میزان ارزش هر بیت به یک جمع کننده مجموع مقدار وزنی بیت های ورودی که معادل مقدار آنالوگ خروجی است به دست می آید. سرعت تبدیل در این روش بالا است. شکل (۷-۱۵) نمونه ساده شده مبدل متعارف نردبانی دیده می شود. 

۷-۲-۵-۷- سیگنال صوتی دیجیتال AES 

یکی از قدیمی ترین پروتکل های سیگنال دیجیتال، AES3 است که برای انتقال همزمان دو کانال صدا به کار می رود و به صورت اتصال هم زمان با دستگاه خروجی ارتباط برقرار می کند. پروتکل این سیگنال با استاندارهای زیر سازگار است :

   • استاندارد 1-60958 IEC مشخصات عمومی 

   • استاندارد 3-60958 IEC مشخصات کاربردهای خانگی 

   • استاندارد 4-60958 IEC مشخصات کاربردهای حرفه ای 

در این پروتکل از جک XLR برای اتصال استفاده میشود. در نسخه 1992-3 AES امپدانس گیرنده سیگنال ۱۱۰Ω مقدار 20%± تعریف و اتصال بیش از یک گیرنده بر روی مسیر سیگنال منع شده است. ولتاژ خط Vpp 2-7 و طول کابل ۱۰0m و حداکثر ۲۰0m روی کابل شیلددار متوازن تعریف شده است. شکل (7-16) مبدل سیگنال متوازن 1985-3 AES را نشان می دهد. در استاندارد 1996-AES 2id کابل ارتباطی شیلد نامتوازن و جک BNC با امپدانس ۷۵Ω ولتاژ 1Vpp شکل (7-17) مبدل سیگنال نامتوازن 1996-AES 3id را نشان می دهد. 

۸-۲-۵-۷- سیگنال صوتی دیجیتال AES/EBU 

این نوع سیگنال دیجیتال بر پایه AES۳ توسعه یافته با استاندارد اروپایی سازگار شده است. سیگنال بالانس می تواند تا 24Bit/192kHzرا پشتیبانی کند. شکل (7-18) بلوک دیاگرام انکودر سیگنال دیجیتال AES/EBU و شکل (۷-۱۹) بلوک دیاگرام دکودر سیگنال دیجیتال AES/EBU را نشان می دهد. 

۹-۲-۵-۷- سیگنال صوتی دیجیتال S/PDIF 

پروتکل دیجیتال S/PDIF نیز بر پایه پروتکل AES3 توسعه یافته و برای کاربرد غیر حرفه ای و خانگی طراحی شده است. این سیگنال برای فواصل کوتاه جهت استفاده در سینمای خانگی و یا سیستم ها صوتی Hifi خانگی طراحی شده و به وسیله کابل شیلددار تک رشته و جک RCA و هم چنین به وسیله کابل فیبر نوری و جک TOSLINK منتقل می شود. ولتاژ سیگنال حداقل 0/2Vpp و حداکثر 0/5-0/6 Vpp  و طول کابل حداکثر ۱۰ متر است. این پروتکل سیگنال دیجیتال دارای رزولوشن 44/1kHz/16Bit برای CD و 48kHz/20Bit برای DAT (ر.ک بند 7-3-1) است و هم چنین از رزولوشن ۲۴Bit پشتیبانی می کند. 

۱۰-۲-۵-۷- سیگنال صوتی دیجیتال MADI 

سیگنال دیجیتال MADI بر مبنای پروتکل ۱۹۹۱-۱۰ AES کار می کند. زیر بنای آن استاندارد AES3 است و در نسخه های ۲۰۰۳-۱۰ AES و ۲۰۰۸-۱۰ AES به روز رسانی شده است. سیگنال MADI انتقال سیگنال دیجیتال را بر روی کابل شیلددار هم محور (Coaxial) یا فیبر نوری ۲۷، ۳۲، ۵۶ و ۶۴ کانال را با کیفیت  تا ۱۹۲KHZ ، 24Bit/96Khz فراهم می کند. ارتباط MADI به صورت یک طرفه است. کاربرد این سیگنال در ارتباط بین دو میکسر صوتی حرفه ای یا ارتباط میکسر با Stage Box است. برای انتقال سیگنال MADI می توان از کابل کواکسیال با کانکتور BNC و/یا فیبر نوری با کانکتور SC استفاده نمود که حداکثر طول کابل به ترتیب ۵۰ متر و ۲ کیلومتر خواهد بود. مشخصات فیبر نوری و کانکتور SC از استاندارد 3-9314 IEC پیروی می کند. با استفاده از پروتکل AoE امکان انتقال سیگنال MADI از طریق کابل های شبکه نیز وجود دارد. معمولا جهت بالا بردن ضریب اطمینان در ارتباطات MADI از دو کابل اصلی و کمکی به صورت پشتیبان استفاده می شود که در صورت قطع ارتباط کابل اصلی ارتباط از طریق کابل کمکی به صورت خودکار برقرار می شود. شکل (7-20) دو نمونه کارت ارتباطی MADI را نشان می دهد. 

۳-۵-۷- سیگنال های صوتی دیجیتال تحت شبکه 

با توجه به گسترش روز افزون استفاده از شبکه های دیجیتال رایانه ای با قابلیت بالا به کارگیری فن آوری روز دنیا از قبیل سیستم های صوتی دیجیتال تحت شبکه های رایانه ای اجتناب ناپذیر است. سیستم های صوتی نیز بر اساس انتقال و کنترل صوت دیجیتال طراحی شده و گسترش یافته است. در این راستا با توجه به تعداد کانال ها و هم چنین انتقال سیگنال از طریق سوییچ های شبکه IT استاندارد می توان یکی از پروتکل های انتقال سیگنال و کنترل تجهیزات را در پروژه انتخاب کرد و شبکه صوتی مورد نیاز را بر مبنای آن پروتکل توسعه داد. استاندارد مورد نظر باید قابلیت انتقال سیگنال چند کاناله دو طرفه با تعداد کانال های مورد نیاز پروژه را دارا باشد و از استاندارد حرفه ای غیر فشرده پیروی کند. هم چنین امکان کنترل و پایش تجهیزات تحت شبکه را داشته باشد. در این بخش پرکاربردترین پروتکل های انتقال سیگنال دیجیتال معرفی شده است. 

1-3-5-7- پروتکل دانته

این پروتکل سال ۲۰۰۶ توسط شرکت Audinate طراحی و ارایه شد و جزء پروتکلهای جدید و به روز دنیا است. در این پروتکل انتقال سیگنال صوت غیر فشرده بر روی شبکه پر سرعت Fast Ethernet و Gigabit Ethernet با قابلیت انتقال از طریق سوییچ های شبکه لایه ۳ انجام می شود. رزولوشن این پروتکل حداکثر ۳۲bit با فرکانس نمونه برداری حداکثر ۱۹2kHz است و امکان انتقال حداکثر (512+512)1024 کانال را با تاخیر (Latency) حداقل ۸۳/۳μs فراهم می کند. با توجه به قابلیت های بالا و هزینه مناسب توسط شرکت های مختلف مورد استفاده قرار گرفته و محصولات مختلفی در حال گسترش و تولید بر پایه این پروتکل است. از محاسن این پروتکل می توان به تاخیر کم و تعداد کانال های زیاد و قابلیت کنترل اشاره کرد. در نسخه های جدید علاوه بر انتقال سیگنال صوت قابلیت انتقال سیگنال تصویر نیز به آن اضافه شده است. 

۲-۳-۵-۷- پروتکل AVB 

این پروتکل با نام AVB در سال ۲۰۱۳ توسط موسسه IEEE,Avnu و کمیته استاندارد 802.1 IEEE با هدف انتقال صدا و تصویر طراحی و ارایه شد و جزو پروتکل های مدرن دنیا به شمار می رود. در این پروتکل انتقال سیگنال صوت بر روی شبکه پرسرعت Fast Ethernet و Gigabit Ethernet و Gigabit Ethernet با مشخصه AVB Support و نه Router انجام می گیرد. رزولوشن این پروتکل حداکثر ۳۲bit با فرکانس نمونه برداری حداکثر ۱۹2kHz است و امکان انتقال حداکثر (400+400)800 کانال را با تاخیر حداقل 0/25ms فراهم می کند. این پروتکل به دلیل کارایی و امنیت بالا توسط تولید کنندگان تجهیزات مورد استفاده قرار گرفت ولی به دلیل پر هزینه بودن سوییچ های شبکه و عدم پشتیبانی از سوییچ ها و روترهای متداول کاربرد فراوانی پیدا نکرده است. 

۳-۳-۵-۷- پروتکل کبرانت  

این پروتکل در سال ۱۹۹۶ توسط شرکت Cirus Logic طراحی و ارایه شد. در این پروتکل انتقال سیگنال صوت غیر فشرده بر روی شبکه سرعت بالا با قابلیت انتقال از سوییچ ها و روترهای شبکه انجام می شود. رزولوشن این پروتکل حداکثر ۲۴bit با فرکانس نمونه برداری حداکثر ۹6kHz است و امکان انتقال حداکثر (32+32)64 کانال را با تاخیر حداقل ۱/3ms فراهم می آورد. با توجه به مزایای متنوع و هزینه مناسب این پروتکل توسط شرکت های مختلف مورد استفاده قرار گرفت و توسعه پیدا کرد. 

4-3-5-7- پروتکل Q-SYS

این پروتکل در سال ۲۰۰۹ توسط شرکت Q-SYS زیر مجموعه QSC طراحی و ارایه شد و جزو پروتکل های جدید به شمار می رود. در این پروتکل انتقال سیگنال صوت بر روی شبکه پر سرعت با قابلیت انتقال از سوییچ ها و روترهای شبکه انجام می شود. رزولوشن این پروتکل حداکثر ۳۲bit با فرکانس نمونه برداری حداکثر 32kHz است و امکان انتقال حداکثر (512+512)1024 کانال را با تاخیر حداقل 1ms فراهم می کند. با توجه محدودیت شبکه های پرسرعت و تاخیر زیاد و محدودیت فرکانس نمونه برداری، مورد استفاده تولید کنندگان زیادی قرار نگرفته است و توسط QSC عرضه می شود. 

۵-۳-۵-۷- پروتکل Blu-Link 

این پروتکل توسط شرکت BSS طراحی و ارایه شده است. در این پروتکل انتقال سیگنال صوت غیر فشرده بر روی شبکه با توپولوژی Ring انجام گرفته و سوییچ و روترهای LAN را پشتیبانی نمی کند. رزولوشن این پروتکل حداکثر ۳۲bit با فرکانس نمونه برداری حداکثر 192kHz است و امکان انتقال حداکثر ۲۵۶ کانال را با تاخیر حداقل ۱۱ نمونه به علاوه ۴ نمونه به ازای هر دستگاه در مسیر، فراهم می کند. این پروتکل یکی از سریع ترین پروتکل های موجود است و در کاربری های پخش زنده بسیار کاربرد دارد اما با توجه به محدودیت استفاده از سوییچ های شبکه عمدتا برای شبکه های سریع داخلی و پشتیبان مورد استفاده قرار می گیرد و فقط توسط شرکت BSS ارایه می شود.

۶-۳-۵-۷- پروتکل VoIP 

پروتکل VoIP جهت انتقال سیگنال صوتی به صورت بسته های اطلاعات روی شبکه IP ایجاد شده است. در این پروتکل سیگنال صوت بعد از فشرده سازی به صورت بلادرنگ معمولا با فرمت RTP روی شبکه IP بسته سازی می شود. یک سرتیتر جهت کنترل ارسال، به هر بسته اضافه شده و بر روی شبکه منتقل می شود. پس از رسیدن بسته اطلاعات به مقصد، ابتدا باید سیگنال صوت از بسته پیاده سازی شود. در این پروتکل از استاندارد 711.ITU-T G با پهنای باند 4kHz و رزولوشن ۱۲bit یا ۱۳bit استفاده می شود. با توجه به فشرده سازی و پهنای باند کم، در این پروتکل کیفیت سیگنال صوت خروجی پایین است و در سیستم های صوتی حرفه ای استفاده نمی شود. عمده استفاده از این پروتکل در تلفن های تحت شبکه، سیستم های اینترکام و ارتباط صوتی روی اینترنت است. 

علاوه بر پروتکل های نام برده شده پروتکل های دیجیتال دیگری نیز وجود دارد که توسط شرکت های مختلف ارایه شده است.