ملخص رقمنة الصوت — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة السادسة: تصميم المعلومات — الموضوع 6-7

الصوت الذي تسمعه موجة تناظرية مستمرة في الهواء، أما ملف الأغنية على هاتفك فمجموعة من الأرقام الثنائية. فكيف تتحول الموجة إلى أرقام؟ ولماذا يكون حجم بعض الملفات الصوتية أكبر من غيرها رغم أن مدتها واحدة؟

أهداف التعلم

أن تعرّف التردد والفترة لموجة الصوت.
أن ترتب خطوات رقمنة الصوت بطريقة PCM وتشرح كلًّا منها.
أن توضح العلاقة بين الجودة وتردد أخذ العينات وعمق البت وحجم البيانات.
أن تحسب كمية بيانات الصوت.

شرح الدرس

الصوت

الصوت ظاهرة تنتقل عبر اهتزاز جزيئات الهواء، وتُمثل بيانات الصوت على شكل موجة تناظرية. ولتخزينه على الأقراص المدمجة أو الهاتف نحوله إلى بيانات رقمية.

التردد: عدد الموجات التي تمر في ثانية واحدة، ووحدته الهرتز (Hz).
الفترة (الزمن الدوري): الزمن الذي تستغرقه موجة واحدة، ووحدته الثانية.

رقمنة الصوت بطريقة PCM

طريقة التعديل بالنبضات (PCM) تحول الصوت التناظري إلى شفرة ثنائية في ثلاث خطوات:

أخذ العينات (Sampling): نقسم المحور الأفقي (الزمن) إلى فترات متساوية، ونقيس ارتفاع الموجة (الجهد) عند كل فترة. تسمى النقاط المقاسة نقاط العينة.
- فترة أخذ العينات: الزمن بين كل عينة والتي تليها.
- تردد أخذ العينات: عدد العينات المأخوذة في الثانية الواحدة (بالهرتز).
التحويل الكمي (Quantization): نقسم المحور الرأسي (الجهد) إلى مستويات متساوية، ونقرب ارتفاع كل عينة إلى أقرب مستوى.
- عمق البت الكمي: عدد البتات المستخدمة لكل عينة، ويحدد عدد المستويات؛ فعمق 3 بت يعطي $2^3 = 8$ مستويات، وعمق 16 بت يعطي $65536$ مستوى.
الترميز (Encoding): نكتب قيمة كل مستوى بالنظام الثنائي.

الجودة وحجم البيانات

كلما زاد تردد أخذ العينات وعمق البت، اقترب الصوت الرقمي من الموجة الأصلية فتحسنت الجودة، لكن زاد حجم البيانات أيضًا. فالأمر موازنة بين الجودة والحجم.

نظرية أخذ العينات: إذا كان تردد أخذ العينات أكبر من ضعف أعلى تردد في الموجة الأصلية، أمكن إعادة بناء الموجة الأصلية بدقة من البيانات الرقمية. ولذلك تستخدم الأقراص المدمجة ترددًا قدره 44100 هرتز، وهو أكبر من ضعف أعلى تردد تسمعه الأذن البشرية (نحو 20000 هرتز).

القنوات وحساب كمية البيانات

القنوات (Channels): عدد الإشارات المستخدمة لنقل الصوت. التشغيل بإشارة واحدة أحادي (Mono)، وبإشارتين مختلفتين مجسم (Stereo).

كمية البيانات في الثانية (بالبت) = تردد أخذ العينات × عمق البت × عدد القنوات

أمثلة وتطبيقات

مثال: احسب كمية بيانات دقيقة واحدة من صوت مجسم، تردد أخذ عيناته 44100 هرتز وعمق البت 16 بت.

في الثانية: $44100 \times 16 \times 2 = 1{,}411{,}200$ بت.
بالبايت: $1{,}411{,}200 \div 8 = 176{,}400$ بايت في الثانية.
في دقيقة: $176{,}400 \times 60 = 10{,}584{,}000$ بايت، أي نحو $10.1$ ميجابايت ( $10{,}584{,}000 \div 1024 \div 1024$ ).

مثال: إذا خُفض عمق البت إلى 8 بت واستُخدمت قناة واحدة، يقل الحجم إلى الربع ( $\frac{8}{16} \times \frac{1}{2}$ )، لكن تقل الجودة.

ملاحظات مهمة

لا تخلط بين التردد (عدد الموجات في الثانية) وتردد أخذ العينات (عدد العينات في الثانية).
قسّم على 8 للتحويل من البت إلى البايت، ثم على 1024 للكيلوبايت وهكذا.
التحويل الكمي يقرّب القيم، لذلك يحدث فقد بسيط في الدقة يقل كلما زاد عمق البت.

المفاهيم الأساسية

الصوت موجة تناظرية؛ التردد بالهرتز، والفترة بالثانية.
خطوات PCM: أخذ العينات ← التحويل الكمي ← الترميز.
زيادة تردد أخذ العينات وعمق البت تحسن الجودة وتزيد الحجم.
نظرية أخذ العينات: تردد العينات أكبر من ضعف أعلى تردد في الموجة.
كمية البيانات (بت/ث) = تردد أخذ العينات × عمق البت × عدد القنوات.

ملخص الدرس

نحول الصوت التناظري إلى رقمي بطريقة PCM: نأخذ عينات منتظمة زمنيًّا، ونقرب كل عينة إلى أقرب مستوى، ثم نكتبها بالثنائي. وتتحدد الجودة والحجم بتردد أخذ العينات وعمق البت وعدد القنوات، ونحسب كمية البيانات بحاصل ضربها.

أسئلة للتدريب

عرّف التردد والفترة، واذكر وحدة كل منهما.
رتب خطوات رقمنة الصوت بطريقة PCM واشرح كلًّا منها.
كم مستوى يمكن تمثيله بعمق بت قدره 4 بت؟
ما نص نظرية أخذ العينات؟
احسب كمية بيانات 10 ثوانٍ من صوت أحادي بتردد 8000 هرتز وعمق 8 بت، بالكيلوبايت.