سیگنال آنالوگ و دیجیتال چیست؟ سیگنال های آنالوگ و دیجیتال

سیگنال به عنوان یک ولتاژ یا جریان تعریف می شود که می تواند به عنوان یک پیام یا به عنوان اطلاعات منتقل شود. طبق ماهیت خود، همه سیگنال ها آنالوگ هستند، اعم از DC یا AC، دیجیتال یا پالسی. با این حال، مرسوم است که بین سیگنال های آنالوگ و دیجیتال تمایز قائل شوند.

سیگنال دیجیتال سیگنالی است که به روش خاصی پردازش شده و به اعداد تبدیل شده است. معمولا این سیگنال های دیجیتال به سیگنال های آنالوگ واقعی متصل می شوند، اما گاهی اوقات هیچ ارتباطی بین آنها وجود ندارد. به عنوان مثال می توان به انتقال داده ها در شبکه های محلی (LAN) یا سایر شبکه های پرسرعت اشاره کرد.

در مورد پردازش سیگنال دیجیتال (DSP)، یک سیگنال آنالوگ توسط دستگاهی به نام مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به شکل باینری تبدیل می شود. خروجی ADC یک نمایش باینری از سیگنال آنالوگ است که سپس توسط یک پردازشگر سیگنال دیجیتال محاسباتی (DSP) پردازش می شود. پس از پردازش، اطلاعات موجود در سیگنال را می توان با استفاده از مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) به فرم آنالوگ تبدیل کرد.

مفهوم کلیدی دیگر در تعریف سیگنال این واقعیت است که یک سیگنال همیشه مقداری اطلاعات را حمل می کند. این ما را به مشکل کلیدی پردازش سیگنال های آنالوگ فیزیکی یعنی مشکل استخراج اطلاعات می رساند.

اهداف پردازش سیگنال

هدف اصلی پردازش سیگنال، نیاز به به دست آوردن اطلاعات موجود در آنها است. این اطلاعات معمولاً در دامنه یک سیگنال (مطلق یا نسبی)، در فرکانس یا محتوای طیفی، در فاز یا در وابستگی های زمانی نسبی چندین سیگنال وجود دارد.

هنگامی که اطلاعات مورد نظر از سیگنال استخراج شد، می توان از آن به روش های مختلفی استفاده کرد. در برخی موارد، مطلوب است که اطلاعات موجود در سیگنال دوباره قالب بندی شود.

به طور خاص، تغییر در فرمت سیگنال زمانی رخ می دهد که یک سیگنال صوتی در یک سیستم تلفنی با دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس (FDMA) ارسال شود. در این مورد، از روش های آنالوگ برای قرار دادن چندین کانال صوتی در طیف فرکانس برای انتقال از طریق رله رادیویی مایکروویو، کابل کواکسیال یا فیبر نوری استفاده می شود.

در مورد ارتباطات دیجیتال، اطلاعات صوتی آنالوگ ابتدا با استفاده از ADC به دیجیتال تبدیل می شود. اطلاعات دیجیتالی که کانال‌های صوتی جداگانه را نشان می‌دهند، مالتی پلکس شده با زمان (دسترسی چندگانه تقسیم زمانی، TDMA) و از طریق یک پیوند دیجیتال سریال (مانند یک سیستم PCM) منتقل می‌شوند.

دلیل دیگر پردازش سیگنال فشرده سازی پهنای باند سیگنال (بدون از دست دادن قابل توجه اطلاعات) و به دنبال آن قالب بندی و انتقال اطلاعات با سرعت های کاهش یافته است که می تواند پهنای باند کانال مورد نیاز را محدود کند. مودم‌های پرسرعت و سیستم‌های مدولاسیون کد پالس تطبیقی ​​(ADPCM) از الگوریتم‌های کاهش افزونگی (فشرده‌سازی) داده‌ها، مانند سیستم‌های ارتباط دیجیتال موبایل، سیستم‌های ضبط صدا MPEG و تلویزیون با وضوح بالا (HDTV) استفاده گسترده‌ای می‌کنند.

سیستم های جمع آوری و کنترل داده های صنعتی از اطلاعات دریافتی از حسگرها برای تولید سیگنال های بازخورد مناسب استفاده می کنند که به نوبه خود مستقیماً فرآیند را کنترل می کنند. توجه داشته باشید که این سیستم ها به ADC و DAC و همچنین سنسورها، تهویه کننده سیگنال و DSP (یا میکروکنترلر) نیاز دارند.

در برخی موارد در سیگنال حاوی اطلاعات نویز وجود دارد و هدف اصلی بازیابی سیگنال است. تکنیک هایی مانند فیلتر کردن، همبستگی خودکار، کانولوشن و غیره اغلب برای انجام این کار در هر دو حوزه آنالوگ و دیجیتال استفاده می شود.

هدف از پردازش سیگنال

• استخراج اطلاعات سیگنال (دامنه، فاز، فرکانس، اجزای طیفی، زمان بندی)
• تبدیل فرمت سیگنال (تلفن با تقسیم کانال FDMA، TDMA، CDMA)
• فشرده سازی داده ها (مودم، تلفن همراه، تلویزیون HDTV، فشرده سازی MPEG)
• تشکیل سیگنال های بازخورد (کنترل فرآیند صنعتی)
• استخراج سیگنال از نویز (فیلتر، همبستگی خودکار، کانولوشن)
• استخراج و ذخیره یک سیگنال به شکل دیجیتال برای پردازش بیشتر (FFT)

تهویه سیگنال

در بسیاری از موقعیت های فوق (مرتبط با استفاده از فناوری های DSP)، هر دو ADC و DAC مورد نیاز هستند. با این حال، در برخی موارد، تنها یک DAC مورد نیاز است، زمانی که سیگنال های آنالوگ را می توان مستقیما بر اساس DSP و DAC تولید کرد. یک مثال خوب نمایشگرهای اسکن ویدیویی است که در آن یک سیگنال دیجیتالی تولید شده تصویر ویدیویی یا بلوک RAMDAC (آرایه دیجیتال به آنالوگ مبدل ارزش پیکسل) را هدایت می کند.

مثال دیگر موسیقی و گفتار سنتز شده مصنوعی است. در واقع، هنگام تولید سیگنال های فیزیکی آنالوگ تنها با استفاده از روش های دیجیتال، آنها به اطلاعاتی که قبلاً از منابع سیگنال های فیزیکی مشابه به دست آمده اند، تکیه می کنند. در سیستم های نمایشگر، داده های روی نمایشگر باید اطلاعات مربوطه را به اپراتور منتقل کنند. هنگام طراحی سیستم های صوتی، ویژگی های آماری صداهای تولید شده مشخص می شود که قبلاً با استفاده گسترده از روش های DSP (منبع صدا، میکروفون، پیش تقویت کننده، ADC و غیره) تعیین شده بود.

روش ها و فناوری های پردازش سیگنال

سیگنال ها را می توان با استفاده از تکنیک های آنالوگ (پردازش سیگنال آنالوگ یا ASP)، تکنیک های دیجیتال (پردازش سیگنال دیجیتال یا DSP) یا ترکیبی از تکنیک های آنالوگ و دیجیتال (پردازش سیگنال ترکیبی یا MSP) پردازش کرد. در برخی موارد انتخاب روش ها مشخص است، در مواردی دیگر وضوح در انتخاب وجود ندارد و تصمیم نهایی بر اساس ملاحظات خاصی صورت می گیرد.

در مورد DSP، تفاوت اصلی آن با تجزیه و تحلیل داده های رایانه ای سنتی در سرعت و کارایی بالا عملکردهای پردازش دیجیتال پیچیده مانند فیلتر کردن، تجزیه و تحلیل داده ها در زمان واقعی و فشرده سازی است.

اصطلاح "پردازش سیگنال ترکیبی" به این معنی است که سیستم هم پردازش آنالوگ و هم پردازش دیجیتال را انجام می دهد. چنین سیستمی می تواند به عنوان یک برد مدار چاپی، یک مدار مجتمع ترکیبی (IC) یا یک تراشه منفرد با عناصر یکپارچه پیاده سازی شود. ADC ها و DAC ها به عنوان دستگاه های پردازش سیگنال ترکیبی در نظر گرفته می شوند، زیرا هر دو عملکرد آنالوگ و دیجیتال در هر یک از آنها پیاده سازی می شوند.

پیشرفت های اخیر در فناوری تراشه با یکپارچگی بسیار بالا (VLSI) پردازش پیچیده (دیجیتال و آنالوگ) را روی یک تراشه واحد امکان پذیر می کند. ماهیت DSP نشان می دهد که این توابع می توانند در زمان واقعی انجام شوند.

مقایسه پردازش سیگنال آنالوگ و دیجیتال

مهندس امروزی با انتخاب ترکیب مناسب روش های آنالوگ و دیجیتال برای حل مشکل پردازش سیگنال مواجه است. پردازش سیگنال های فیزیکی آنالوگ تنها با استفاده از روش های دیجیتال امکان پذیر نیست، زیرا همه سنسورها (میکروفون، ترموکوپل، کریستال های پیزوالکتریک، سر درایو دیسک مغناطیسی و غیره) دستگاه های آنالوگ هستند.

برخی از انواع سیگنال ها برای پردازش بیشتر سیگنال ها در هر دو روش آنالوگ و دیجیتال نیاز به وجود مدارهای عادی سازی دارند. مدارهای تهویه سیگنال، پردازنده های آنالوگ هستند که عملکردهایی مانند تقویت، انباشت (در تقویت کننده های ابزار دقیق و پیش تقویت کننده (بافر))، تشخیص سیگنال در برابر نویز پس زمینه (توسط تقویت کننده های حالت معمولی با دقت بالا، اکولایزرها و گیرنده های خطی)، پویا را انجام می دهند. فشرده سازی محدوده (توسط تقویت کننده های لگاریتمی، DAC های لگاریتمی و PGA) و فیلتر کردن (غیرفعال یا فعال).

چندین روش برای اجرای فرآیند پردازش سیگنال در شکل 1 نشان داده شده است. ناحیه بالایی شکل یک رویکرد کاملا آنالوگ را نشان می دهد. بقیه مناطق اجرای DSP را نشان می دهد. توجه داشته باشید که پس از انتخاب یک فناوری DSP، تصمیم بعدی باید قرار دادن ADC در مسیر پردازش سیگنال باشد.

پردازش سیگنال آنالوگ و دیجیتال

شکل 1. روش های پردازش سیگنال

به طور کلی، از آنجایی که ADC به سنسور نزدیکتر شده است، بیشتر پردازش سیگنال آنالوگ در حال حاضر توسط ADC انجام می شود. افزایش قابلیت های ADC را می توان در افزایش نرخ نمونه برداری، گسترش دامنه دینامیکی، افزایش وضوح، قطع نویز ورودی، استفاده از فیلتر ورودی و تقویت کننده های قابل برنامه ریزی (PGA)، وجود مراجع ولتاژ روی تراشه و غیره بیان کرد. تمام افزونه های ذکر شده باعث افزایش سطح عملکرد و ساده سازی سیستم می شود.

با در دسترس بودن فن‌آوری‌های مدرن تولید DAC و ADC با نرخ نمونه‌برداری و وضوح بالا، پیشرفت قابل توجهی در ادغام مدارهای بیشتر و بیشتری به طور مستقیم در ADC/DAC حاصل شده است.

به عنوان مثال، در زمینه اندازه‌گیری، ADC‌های 24 بیتی با تقویت‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی داخلی (PGA) وجود دارد که به شما امکان می‌دهد سیگنال‌های پل 10 میلی‌ولتی در مقیاس کامل را مستقیماً بدون عادی‌سازی بعدی دیجیتالی کنید (مثلاً سری AD773x).

در فرکانس‌های صوتی و صوتی، دستگاه‌های رمزگشایی-رمزگشایی پیچیده رایج هستند - کدک‌ها (Analog Front End، AFE)، که دارای یک مدار آنالوگ درون تراشه هستند که حداقل الزامات برای اجزای عادی سازی خارجی (AD1819B و AD73322) را برآورده می‌کند.

همچنین کدک های ویدیویی (AFE) برای برنامه هایی مانند پردازش تصویر CCD (CCD) و موارد دیگر (مانند سری AD9814، AD9816 و AD984X) وجود دارد.

مثال پیاده سازی

به عنوان مثالی از استفاده از DSP، اجازه دهید فیلترهای آنالوگ و دیجیتال کم گذر (LPF) را با هم مقایسه کنیم که هر کدام فرکانس قطعی آن 1 کیلوهرتز است.

فیلتر دیجیتال به عنوان یک سیستم دیجیتال معمولی نشان داده شده در شکل 2 اجرا می شود. توجه داشته باشید که نمودار چندین فرض ضمنی دارد. ابتدا، برای پردازش دقیق سیگنال، فرض می شود که مسیر ADC/DAC دارای نرخ نمونه، وضوح و محدوده دینامیکی کافی است. ثانیاً، برای تکمیل تمام محاسبات خود در بازه نمونه برداری (1/f s)، دستگاه DSP باید به اندازه کافی سریع باشد. ثالثاً، در ورودی ADC و خروجی DAC، هنوز نیاز به فیلترهای آنالوگ برای محدود کردن و بازیابی طیف سیگنال (فیلتر ضد آلیاسینگ و فیلتر ضد تصویر) وجود دارد، اگرچه الزامات عملکرد آنها کم است. . با در نظر گرفتن این مفروضات، فیلترهای دیجیتال و آنالوگ را می توان با هم مقایسه کرد.

شکل 2. بلوک دیاگرام یک فیلتر دیجیتال

فرکانس قطع مورد نیاز برای هر دو فیلتر 1 کیلوهرتز است. تبدیل آنالوگ از نوع اول از مرتبه ششم (که با وجود ریپل افزایش در باند عبور و عدم وجود ریپل در خارج از باند عبور مشخص می شود) انجام می شود. مشخصات آن در شکل 2 نشان داده شده است. در عمل، این فیلتر را می توان با سه فیلتر درجه دوم که هر کدام بر روی یک تقویت کننده عملیاتی و چندین خازن ساخته شده اند، نشان داد. با استفاده از سیستم های مدرن طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) برای فیلترها، ایجاد یک فیلتر مرتبه ششم بسیار ساده است، اما انتخاب دقیق اجزا برای برآورده کردن مشخصات صافی 0.5 دسی بل لازم است.

فیلتر FIR دیجیتال با ضریب 129 که در شکل 2 نشان داده شده است دارای موجی 0.002 دسی بل در باند عبور، پاسخ فاز خطی و پرتاب بسیار تندتر است. در عمل، چنین ویژگی هایی با استفاده از روش های آنالوگ قابل تحقق نیستند. یکی دیگر از مزایای واضح مدار این است که فیلتر دیجیتال نیازی به انتخاب جزء ندارد و در معرض رانش پارامتر نیست، زیرا فرکانس ساعت فیلتر توسط یک تشدید کننده کوارتز تثبیت می شود. یک فیلتر با ضرایب 129 به 129 عملیات ضرب-انباشتگی (MAC) برای محاسبه نمونه خروجی نیاز دارد. این محاسبات باید در بازه نمونه برداری 1/fs انجام شود تا از عملیات بلادرنگ اطمینان حاصل شود. در این مثال، نرخ نمونه 10 کیلوهرتز است، بنابراین اگر محاسبات اضافی قابل توجهی مورد نیاز نباشد، 100 میکرو ثانیه برای پردازش کافی است. خانواده ADSP-21xx از DSPها می توانند کل فرآیند انباشت ضرب (و سایر توابع مورد نیاز برای اجرای یک فیلتر) را در یک چرخه دستورالعمل کامل کنند. بنابراین، فیلتری با ضرایب 129 به سرعت بیش از 129/100 µs = 1.3 میلیون عملیات در ثانیه (MIPS) نیاز دارد. DSP های موجود بسیار سریعتر هستند و بنابراین یک عامل محدود کننده برای این برنامه ها نیستند. سری 16 بیتی ADSP-218x نقطه ثابت تا 75MIPS عملکرد را به دست می آورد. لیست 1 کد اسمبلری را نشان می دهد که فیلتر را بر روی پردازنده های DSP از خانواده ADSP-21xx پیاده سازی می کند. توجه داشته باشید که خطوط واقعی کد اجرایی با فلش مشخص شده اند. بقیه نظرات هستند

شکل 3. فیلترهای آنالوگ و دیجیتال

البته در عمل فاکتورهای دیگری نیز وجود دارد که هنگام مقایسه فیلترهای آنالوگ و دیجیتال یا به طور کلی روش های پردازش سیگنال آنالوگ و دیجیتال مورد توجه قرار می گیرند. سیستم‌های پردازش سیگنال مدرن، روش‌های آنالوگ و دیجیتال را برای دستیابی به عملکرد مطلوب ترکیب می‌کنند و از بهترین روش‌ها اعم از آنالوگ و دیجیتال بهره می‌برند.

برنامه مونتاژ:
فیلتر FIR برای ADSP-21XX (تک دقیق)

MODULE fir_sub; ( فیلتر زیرروال FIR پارامترهای فراخوانی زیربرنامه I0 --> قدیمی ترین داده در خط تاخیر I4 --> جدول ضریب شروع فیلتر L0 = طول فیلتر (N) L4 = طول فیلتر (N) M1,M5 = 1 CNTR = طول فیلتر - 1 (N-1) مقادیر بازگشتی MR1 = نتیجه جمع (گرد و محدود) I0 --> قدیمی ترین داده در خط تاخیر I4 --> شروع جدول ضریب فیلتر تغییر رجیسترها MX0,MY0,MR زمان اجرا (N - 1) + 6 چرخه = N + 5 چرخه همه ضرایب به فرمت 1.15 هستند. ENTRY fir; صنوبر: MR=0، MX0=DM(I0،M1)، MY0=PM(I4،M5) CNTR=N-1; انجام پیچیدگی تا CE. پیچیدگی: MR=MR+MX0*MY0(SS)، MX0=DM(I0,M1)، MY0=PM(I4,M5)؛ MR=MR+MX0*MY0(RND); IF MV SAT MR; RTS; ENDMOD; پردازش سیگنال در زمان واقعی

• پردازش سیگنال دیجیتال؛
  • عرض طیف سیگنال پردازش شده توسط نرخ نمونه برداری ADC / DAC محدود می شود.
    • معیار نایکیست و قضیه کوتلنیکوف را به خاطر بسپارید
  • محدود به عمق بیت ADC/DAC
  • عملکرد پردازنده DSP میزان پردازش سیگنال را محدود می کند زیرا:
    • برای عملیات بلادرنگ، تمام محاسبات انجام شده توسط پردازشگر سیگنال باید در یک بازه نمونه برداری برابر با 1/f s انجام شود.
• پردازش سیگنال آنالوگ را فراموش نکنید
  • فیلتر RF / RF، مدولاسیون، دمدولاسیون
  • فیلترهای محدود کننده و بازیابی طیف آنالوگ (معمولا فیلترهای پایین گذر) برای ADC و DAC
  • جایی که عقل سلیم و هزینه اجرا حکم می کند

ادبیات:

آنها همراه با مقاله "انواع سیگنال" می خوانند:

مدارهای دیجیتال مهم ترین رشته ای است که در کلیه موسسات آموزش عالی و متوسطه که متخصصان الکترونیک تربیت می کنند مورد مطالعه قرار می گیرد. یک آماتور رادیویی واقعی نیز باید در این موضوع به خوبی مسلط باشد. اما اکثر کتاب ها و راهنماها به زبانی بسیار دشوار برای درک نوشته شده اند و برای یک مهندس الکترونیک تازه کار (شاید یک بچه مدرسه ای) تسلط بر اطلاعات جدید دشوار خواهد بود. چرخه ای از مواد آموزشی جدید از Master Kit با هدف پر کردن این شکاف است: مقالات ما در مورد مفاهیم پیچیده با ساده ترین عبارت توضیح داده شده است.

8.1. سیگنال های آنالوگ و دیجیتال

ابتدا باید بفهمید که مدارهای آنالوگ چگونه با مدارهای دیجیتال به طور کلی متفاوت هستند. و تفاوت اصلی در سیگنال هایی است که این مدارها با آنها کار می کنند.
همه سیگنال ها را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: آنالوگ و دیجیتال.

سیگنال های آنالوگ

سیگنال های آنالوگ برای ما آشناترین هستند. می توان گفت که کل جهان طبیعی اطراف ما آنالوگ است. بینایی و شنوایی ما و همچنین تمام حواس دیگر، اطلاعات دریافتی را به صورت آنالوگ، یعنی پیوسته در زمان درک می کنند. انتقال اطلاعات صوتی - گفتار انسان، صداهای آلات موسیقی، غرش حیوانات، صداهای طبیعت و غیره. - به صورت آنالوگ نیز موجود است.
برای درک بهتر این موضوع، اجازه دهید یک سیگنال آنالوگ ترسیم کنیم (شکل 1).

عکس. 1. سیگنال آنالوگ

می بینیم که سیگنال آنالوگ در زمان و دامنه پیوسته است. برای هر نقطه از زمان، می توانید مقدار دقیق دامنه سیگنال آنالوگ را تعیین کنید.

سیگنال های دیجیتال

بیایید دامنه سیگنال را نه به طور مداوم، بلکه بطور مجزا و در فواصل زمانی ثابت تجزیه و تحلیل کنیم. به عنوان مثال، یک بار در ثانیه، یا اغلب: ده بار در ثانیه. هر چند وقت یکبار این کار را انجام می دهیم نرخ نمونه برداری نامیده می شود: یک بار در ثانیه - 1 هرتز، هزار بار در ثانیه - 1000 هرتز یا 1 کیلوهرتز.

برای وضوح، بیایید نمودار سیگنال های آنالوگ (بالا) و دیجیتال (پایین) را رسم کنیم (شکل 2).

شکل 2. سیگنال آنالوگ (بالا) و کپی دیجیتال آن (پایین)

می بینیم که در هر بازه زمانی لحظه ای، می توانید مقدار دیجیتال آنی دامنه سیگنال را دریابید. چه اتفاقی برای سیگنال می افتد (بر اساس چه قانونی تغییر می کند ، دامنه آن چقدر است) بین فواصل "بررسی" ، ما نمی دانیم ، این اطلاعات برای ما گم می شود. هر چه کمتر سطح سیگنال را بررسی کنیم (نرخ نمونه برداری کمتر)، اطلاعات کمتری در مورد سیگنال داریم. البته برعکس آن نیز صادق است: هر چه میزان نمونه برداری بیشتر باشد، کیفیت نمایش سیگنال بهتر است. در حد، با افزایش نرخ نمونه برداری تا بی نهایت، تقریباً همان سیگنال آنالوگ را دریافت می کنیم.
آیا این به این معنی است که سیگنال آنالوگ در هر صورت بهتر از سیگنال دیجیتال است؟ در تئوری، شاید بله. اما در عمل، مبدل‌های مدرن آنالوگ به دیجیتال (ADC) با چنین نرخ نمونه‌گیری بالا (تا چندین میلیون نمونه در ثانیه) کار می‌کنند، آنها سیگنال آنالوگ را به شکل دیجیتال آنقدر با کیفیت توصیف می‌کنند که حواس انسان (چشم، گوش) دیگر نمی توان تفاوت بین سیگنال اصلی و مدل دیجیتال آن را احساس کرد. یک سیگنال دیجیتال یک مزیت بسیار مهم دارد: انتقال آن از طریق سیم یا امواج رادیویی آسان تر است، تداخل تأثیر قابل توجهی بر چنین سیگنالی ندارد. بنابراین، تمام ارتباطات سیار مدرن، پخش تلویزیونی و رادیویی دیجیتال هستند.

نمودار پایین در شکل. 2 همچنین می تواند به راحتی به شکل دیگری نمایش داده شود - به عنوان یک دنباله طولانی از یک جفت اعداد: زمان / دامنه. و اعداد همان چیزی است که مدارهای دیجیتال به آن نیاز دارند. درست است، مدارهای دیجیتال ترجیح می دهند با اعداد در یک نمایش خاص کار کنند، اما در درس بعدی در مورد این صحبت خواهیم کرد.

اکنون می توانیم نتیجه گیری های مهمی بگیریم:

سیگنال دیجیتال گسسته است، می توان آن را فقط برای لحظات جداگانه تعیین کرد.
- هر چه فرکانس نمونه برداری بیشتر باشد، دقت نمایش سیگنال دیجیتال بهتر است.

اغلب ما تعاریفی مانند سیگنال "دیجیتال" یا "گسسته" را می شنویم، تفاوت آن با "آنالوگ" چیست؟

ماهیت تفاوت این است که سیگنال آنالوگ در زمان پیوسته است (خط آبی) ، در حالی که سیگنال دیجیتال از مجموعه محدودی از مختصات (نقاط قرمز) تشکیل شده است. اگر همه چیز به مختصات کاهش یابد، هر بخش از سیگنال آنالوگ از تعداد بی نهایت مختصات تشکیل شده است.

برای یک سیگنال دیجیتال، مختصات در امتداد محور افقی در فواصل منظم، مطابق با فرکانس نمونه‌برداری قرار می‌گیرند. در فرمت رایج Audio-CD، این 44100 امتیاز در ثانیه است. به صورت عمودی، دقت ارتفاع مختصات مربوط به عمق بیت سیگنال دیجیتال است، برای 8 بیت 256 سطح، برای 16 بیت = 65536 و برای 24 بیت = 16777216 سطح است. هر چه عمق بیت (تعداد سطوح) بیشتر باشد، مختصات عمودی به موج اصلی نزدیکتر است.

منابع آنالوگ عبارتند از: وینیل و کاست های صوتی. منابع دیجیتال عبارتند از: CD-Audio، DVD-Audio، SA-CD (DSD) و فایل ها در فرمت های WAVE و DSD (شامل مشتقات APE، Flac، Mp3، Ogg و غیره).

مزایا و معایب سیگنال آنالوگ

مزیت سیگنال آنالوگ این است که به شکل آنالوگ است که ما صدا را با گوش خود درک می کنیم. و اگرچه سیستم شنوایی ما جریان صوتی درک شده را به شکل دیجیتال تبدیل می کند و آن را به این شکل به مغز منتقل می کند، علم و فناوری هنوز به امکان اتصال پخش کننده ها و سایر منابع صوتی به طور مستقیم به این شکل نرسیده اند. تحقیقات مشابهی اکنون به طور فعال برای افراد دارای معلولیت در حال انجام است و ما از صدای آنالوگ منحصرا لذت می بریم.

نقطه ضعف سیگنال آنالوگ توانایی ذخیره، انتقال و تکثیر سیگنال است. هنگام ضبط با نوار یا وینیل، کیفیت سیگنال به خواص نوار یا وینیل بستگی دارد. با گذشت زمان، نوار مغناطیس زدایی می شود و کیفیت سیگنال ضبط شده بدتر می شود. هر خواندن به تدریج رسانه را از بین می برد، و رونویسی باعث ایجاد اعوجاج اضافی می شود، جایی که انحرافات اضافی توسط رسانه بعدی (نوار یا وینیل)، خواندن، ضبط و دستگاه های انتقال سیگنال اضافه می شود.

کپی کردن یک سیگنال آنالوگ مانند گرفتن عکس از یک عکس برای کپی مجدد آن است.

مزایا و معایب سیگنال دیجیتال

از مزایای سیگنال دیجیتال می توان به دقت در کپی و انتقال جریان صوتی اشاره کرد که در آن اصل هیچ تفاوتی با کپی ندارد.

نقطه ضعف اصلی را می توان در نظر گرفت که سیگنال به صورت دیجیتال یک مرحله میانی است و دقت سیگنال آنالوگ نهایی بستگی به این دارد که موج صوتی با مختصات چقدر جزئیات و دقیق توصیف شود. کاملاً منطقی است که هر چه نقاط بیشتر باشد و مختصات دقیق تر باشد، موج دقیق تر خواهد بود. اما هنوز هیچ اتفاق نظری در مورد اینکه چه تعداد مختصات و دقت داده کافی است وجود ندارد که بگوییم نمایش دیجیتالی سیگنال برای بازیابی دقیق سیگنال آنالوگ کافی است که توسط گوش ما از سیگنال اصلی قابل تشخیص نیست.

از نظر حجم داده، ظرفیت یک کاست صوتی آنالوگ معمولی تنها حدود 700-1.1 مگابایت است، در حالی که یک سی دی معمولی 700 مگابایت را در خود جای می دهد. این ایده نیاز به رسانه با ظرفیت بالا را می دهد. و این منجر به جنگ جداگانه سازش با الزامات مختلف برای تعداد نقاط توصیف و دقت مختصات می شود.

تا به امروز، نمایش یک موج صوتی با فرکانس نمونه برداری 44.1 کیلوهرتز و عمق بیت 16 بیت کاملاً کافی در نظر گرفته شده است. با نرخ نمونه برداری 44.1 کیلوهرتز، سیگنال تا 22 کیلوهرتز قابل بازیابی است. همانطور که مطالعات روان آکوستیک نشان می دهد، افزایش بیشتر در نرخ نمونه گیری به سختی قابل توجه است، اما افزایش عمق بیت باعث بهبود ذهنی می شود.

چگونه DAC ها یک موج می سازند

DAC یک مبدل دیجیتال به آنالوگ است، عنصری که صدای دیجیتال را به آنالوگ تبدیل می کند. ما نگاهی سطحی به اصول اولیه خواهیم داشت. اگر نظرات علاقه مند به در نظر گرفتن تعدادی از نکات با جزئیات بیشتر باشد، مطالب جداگانه ای منتشر خواهد شد.

DAC های چند بیتی

اغلب، موج به صورت مراحل نشان داده می شود، که به دلیل معماری نسل اول DAC های چند بیتی R-2R است که مشابه یک سوئیچ از یک رله کار می کنند.

ورودی DAC مقدار مختصات عمودی بعدی را دریافت می کند و در هر سیکل سطح جریان (ولتاژ) را تا تغییر بعدی به سطح مربوطه تغییر می دهد.

اگرچه اعتقاد بر این است که گوش انسان بیش از 20 کیلوهرتز نمی شنود و بر اساس نظریه نایکیست می توان سیگنال را تا 22 کیلوهرتز بازگرداند، اما سوال در مورد کیفیت این سیگنال پس از بازیابی باقی می ماند. در ناحیه فرکانس بالا، شکل موج "پله ای" حاصل معمولاً از حالت اصلی فاصله دارد. ساده ترین راه برون رفت از وضعیت، افزایش نرخ نمونه برداری هنگام ضبط است، اما این منجر به افزایش قابل توجه و نامطلوب اندازه فایل می شود.

یک گزینه جایگزین افزایش مصنوعی نرخ نمونه برداری هنگام بازی در DAC با افزودن مقادیر میانی است. آن ها ما یک مسیر موج پیوسته (خط نقطه چین خاکستری) را تصور می کنیم که به آرامی مختصات اصلی (نقاط قرمز) را به هم متصل می کند و نقاط میانی را روی این خط اضافه می کند (بنفش تیره).

با افزایش فرکانس نمونه برداری، معمولاً لازم است که عمق بیت را نیز افزایش دهیم تا مختصات به موج تقریبی نزدیکتر شوند.

به لطف مختصات میانی، می توان "گام ها" را کاهش داد و موجی نزدیک تر به حالت اصلی ساخت.

وقتی یک عملکرد تقویتی از 44.1 تا 192 کیلوهرتز را در یک پخش کننده یا DAC خارجی می بینید، عملکردی برای اضافه کردن مختصات میانی است، نه بازیابی یا ایجاد صدای بالاتر از 20 کیلوهرتز.

در ابتدا، اینها ریز مدارهای SRC جداگانه قبل از DAC بودند، که سپس مستقیماً به خود ریز مدارهای DAC مهاجرت کردند. امروزه می‌توانید راه‌حل‌هایی را پیدا کنید که در آن چنین میکرو مداری به DAC‌های مدرن اضافه شود، این کار به منظور ارائه جایگزینی برای الگوریتم‌های داخلی در DAC و گاهی اوقات صدای بهتر نیز انجام می‌شود (مثلاً در Hidizs انجام شد. AP100).

رد صنعت اصلی DAC های چند بیتی به دلیل عدم امکان توسعه فناوری بیشتر شاخص های کیفیت با فناوری های تولید فعلی و هزینه بالاتر در برابر "سوئیچینگ" DAC با ویژگی های قابل مقایسه رخ داد. با این حال، در محصولات Hi-End، DAC های چند بیتی قدیمی اغلب بر راه حل های جدید با ویژگی های فنی بهتر ترجیح داده می شوند.

سوئیچینگ DAC

در اواخر دهه 70، یک نسخه جایگزین از DAC ها بر اساس معماری "پالس" - "دلتا سیگما" - گسترده شد. فناوری DAC پالس، ظهور سوئیچ های فوق سریع را ممکن کرد و امکان استفاده از فرکانس حامل بالا را فراهم کرد.

دامنه سیگنال مقدار متوسط ​​دامنه پالس ها است (سبز نشان دهنده پالس هایی با دامنه مساوی و سفید موج صوتی نهایی است).

به عنوان مثال، یک دنباله از هشت چرخه از پنج ضربه، دامنه متوسط ​​(1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0.625 را به دست می‌دهد. هرچه فرکانس حامل بیشتر باشد، پالس های بیشتری تحت هموارسازی قرار می گیرند و مقدار دامنه دقیق تری به دست می آید. این امر امکان ارائه جریان صدا را به صورت یک بیتی با دامنه دینامیکی گسترده فراهم کرد.

میانگین گیری را می توان با یک فیلتر آنالوگ معمولی انجام داد و اگر چنین مجموعه ای از پالس ها مستقیماً به بلندگو اعمال شود، در خروجی صدا خواهیم داشت و فرکانس های فوق العاده بالا به دلیل اینرسی زیاد امیتر بازتولید نمی شوند. تقویت کننده های PWM در کلاس D بر اساس این اصل کار می کنند، جایی که چگالی انرژی پالس ها نه با تعداد آنها، بلکه با مدت زمان هر پالس ایجاد می شود (که پیاده سازی آسان تر است، اما نمی توان با یک کد باینری ساده توصیف کرد).

یک DAC چند بیتی را می توان به عنوان چاپگری در نظر گرفت که قادر به اعمال رنگ های پنتون است. دلتا سیگما یک چاپگر جوهرافشان با طیف رنگی محدود است، اما به دلیل قابلیت اعمال نقاط بسیار کوچک (در مقایسه با چاپگر شاخی)، به دلیل تراکم متفاوت نقاط در واحد سطح، سایه های بیشتری تولید می کند.

در تصویر معمولاً به دلیل وضوح پایین چشم، نقاط تکی را نمی بینیم، بلکه فقط تون متوسط ​​را می بینیم. به طور مشابه، گوش تکانه ها را جداگانه نمی شنود.

در نهایت، با فناوری‌های فعلی در DACهای پالسی، می‌توانید موجی نزدیک به موجی که از نظر تئوری باید با تقریب مختصات میانی بدست آید، دریافت کنید.

لازم به ذکر است که پس از ظهور DAC دلتا سیگما، ارتباط ترسیم "موج دیجیتال" با مراحل ناپدید شد، زیرا. بنابراین DAC های مدرن با پله ها موج نمی سازند. یک سیگنال به درستی گسسته با نقاطی که توسط یک خط صاف به هم متصل شده اند ساخته می شود.

آیا سوئیچینگ DAC ایده آل است؟

اما در عمل همه چیز گلگون نیست و یکسری مشکلات و محدودیت ها وجود دارد.

زیرا از آنجایی که اکثریت قریب به اتفاق رکوردها در یک سیگنال چند بیتی ذخیره می شوند، تبدیل به سیگنال پالسی بر اساس بیت به بیت به فرکانس حامل غیرضروری بالا نیاز دارد که DAC های مدرن از آن پشتیبانی نمی کنند.

عملکرد اصلی DACهای پالس مدرن تبدیل یک سیگنال چند بیتی به سیگنال تک بیتی با فرکانس حامل نسبتا پایین با کاهش داده است. اساساً این الگوریتم ها هستند که کیفیت صدای نهایی DAC های پالسی را تعیین می کنند.

برای کاهش مشکل فرکانس حامل بالا، جریان صوتی به چندین جریان یک بیتی تقسیم می شود، که در آن هر جریان مسئول گروه بیت خود است که معادل چند برابر فرکانس حامل از تعداد جریان ها است. به چنین DACهایی دلتا سیگما چند بیتی می گویند.

امروزه، DAC های سوئیچینگ به دلیل قابلیت برنامه ریزی انعطاف پذیر الگوریتم های تبدیل، جان تازه ای در آی سی های همه منظوره پرسرعت از NAD و Chord به دست آورده اند.

فرمت DSD

پس از استفاده گسترده از DACهای دلتا سیگما، کاملاً منطقی بود که قالب کد باینری مستقیماً در رمزگذاری دلتا سیگما ظاهر شود. این فرمت DSD (Direct Stream Digital) نامیده می شود.

این قالب به دلایل متعددی به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت. ویرایش فایل‌ها در این فرمت غیرضروری محدود شد: نمی‌توانید جریان‌ها را مخلوط کنید، صدا را تنظیم کنید و تساوی را اعمال کنید. این بدان معناست که بدون از دست دادن کیفیت، فقط می توانید ضبط های آنالوگ را بایگانی کنید و بدون پردازش بیشتر، یک ضبط دو میکروفونی از اجراهای زنده تولید کنید. در یک کلام، شما واقعا نمی توانید پول در بیاورید.

در مبارزه با دزدی دریایی، SA-CD ها توسط رایانه ها پشتیبانی نمی شدند (و هنوز هم نیستند)، که باعث می شود کپی برداری از آنها غیرممکن باشد. بدون کپی - بدون مخاطب گسترده. پخش محتوای صوتی DSD فقط از یک پخش کننده SA-CD جداگانه از یک دیسک اختصاصی امکان پذیر بود. اگر برای فرمت PCM یک استاندارد SPDIF برای انتقال داده های دیجیتال از یک منبع به یک DAC جداگانه وجود داشته باشد، در این صورت هیچ استانداردی برای فرمت DSD وجود ندارد و اولین نسخه های دزدی شده از دیسک های SA-CD از خروجی های آنالوگ SA- دیجیتالی شدند. پخش کننده های سی دی (اگرچه وضعیت احمقانه به نظر می رسد، اما در واقع برخی از ضبط ها فقط بر روی SA-CD منتشر شده اند، یا همان ضبط بر روی Audio-CD عمدا با کیفیت پایین برای تبلیغ SA-CD ساخته شده است).

نقطه عطف با عرضه کنسول های بازی SONY بود، جایی که دیسک SA-CD قبل از پخش به طور خودکار روی هارد کنسول کپی می شد. طرفداران فرمت DSD از این مزیت استفاده کردند. ظهور ضبط های غیرقانونی باعث تحریک بازار برای انتشار DAC های جداگانه برای پخش جریان های DSD شد. اکثر DAC های خارجی مجهز به DSD امروزه از انتقال داده USB با استفاده از فرمت DoP به عنوان رمزگذاری سیگنال دیجیتال جداگانه از طریق SPDIF پشتیبانی می کنند.

فرکانس های حامل برای DSD نسبتاً کوچک هستند، 2.8 و 5.6 مگاهرتز، اما این جریان صوتی به هیچ گونه تبدیل decimation نیاز ندارد و با فرمت های با وضوح بالا مانند DVD-Audio کاملاً رقابتی است.

هیچ پاسخ روشنی برای این سوال وجود ندارد که کدام بهتر است، DSP یا PCM. همه چیز به کیفیت اجرای یک DAC خاص و استعداد مهندس صدا در هنگام ضبط فایل نهایی بستگی دارد.

نتیجه گیری کلی

صدای آنالوگ چیزی است که ما با چشمان خود به عنوان دنیای اطراف خود می شنویم و درک می کنیم. صدای دیجیتال مجموعه‌ای از مختصات است که موج صوتی را توصیف می‌کند و ما نمی‌توانیم آن‌ها را مستقیماً بدون تبدیل به سیگنال آنالوگ بشنویم.

سیگنال آنالوگ که مستقیماً روی نوار کاست یا وینیل ضبط می شود را نمی توان بدون افت کیفیت دوبله کرد، در حالی که یک موج در یک نمایش دیجیتال می تواند ذره ذره کپی شود.

فرمت های ضبط دیجیتال یک مبادله ثابت بین میزان دقت مختصات در مقابل اندازه فایل هستند و هر سیگنال دیجیتالی فقط تقریبی از سیگنال آنالوگ اصلی است. با این حال، سطوح مختلف فناوری برای ضبط و بازتولید سیگنال دیجیتال و ذخیره سازی روی رسانه برای سیگنال آنالوگ، مزایای بیشتری را به نمایش دیجیتال سیگنال، مشابه دوربین دیجیتال در مقابل دوربین فیلم، می دهد.

امروز سعی خواهیم کرد بفهمیم سیگنال های آنالوگ و دیجیتال چیست؟ مزایا و معایب آنها. ما اصطلاحات و تعاریف مختلف علمی را نمی گوییم، اما سعی می کنیم وضعیت را روی انگشتان خود درک کنیم.

سیگنال آنالوگ چیست؟

سیگنال آنالوگ بر اساس تشابه سیگنال الکتریکی (مقادیر جریان و ولتاژ) به مقدار سیگنال اصلی (رنگ پیکسل، فرکانس و دامنه صدا و غیره) است. آن ها مقادیر مشخصی از جریان و ولتاژ مربوط به انتقال یک رنگ خاص از یک پیکسل یا یک سیگنال صوتی است.

من یک مثال در مورد سیگنال ویدئویی آنالوگ خواهم آورد.

ولتاژ روی سیم 5 ولت مربوط به آبی، 6 ولت به سبز، 7 ولت به قرمز است.

برای اینکه نوارهای قرمز، آبی و سبز روی صفحه نمایش داده شوند، باید به طور متناوب ولتاژهای 5، 6، 7 ولت روی کابل اعمال شود. هرچه سریعتر ولتاژ را تغییر دهیم، نوارها روی مانیتور ما نازکتر هستند. با کاهش فاصله بین تغییرات ولتاژ به حداقل، دیگر نوارهای راه راه دریافت نمی کنیم، بلکه نقطه های رنگی را یکی پس از دیگری متناوب خواهیم کرد.

یکی از ویژگی های مهم سیگنال آنالوگ این واقعیت است که به شدت از فرستنده به گیرنده (به عنوان مثال، از آنتن به تلویزیون) منتقل می شود، هیچ بازخوردی وجود ندارد. بنابراین، اگر تداخل در انتقال سیگنال تداخل ایجاد کند (مثلاً به جای شش ولت چهار ولت بیاید)، رنگ پیکسل مخدوش می شود و موج هایی روی صفحه ظاهر می شود.
سیگنال آنالوگ پیوسته است.
سیگنال دیجیتال چیست؟

انتقال داده نیز با استفاده از یک سیگنال الکتریکی انجام می شود، اما تنها دو مقدار از این سیگنال ها وجود دارد و آنها با 0 و 1 مطابقت دارند. دنباله ای از صفر و یک از روی سیم ها منتقل می شود. چیزی شبیه به این: 01010001001 و غیره. برای اینکه دستگاه گیرنده (مثلاً تلویزیون) در داده های ارسالی اشتباه نگیرد، اعداد به صورت دسته ای ارسال می شوند. این اتفاق می‌افتد: 10100010 10101010 10100000 10111110. هر بسته حاوی اطلاعاتی است، مثلاً رنگ یک پیکسل. یکی از ویژگی‌های مهم سیگنال دیجیتال این است که دستگاه‌های فرستنده و گیرنده می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و خطاهایی را که ممکن است در حین انتقال رخ دهد اصلاح کنند.

نمونه هایی از انتقال سیگنال دیجیتال و آنالوگ

برای یک سیگنال دیجیتال، انتقال چیزی شبیه به این است:

• تداخل: AAAAAAAAAAAAAA!
• تلویزیون: چی؟ نمی شنوم!
• VCR: سبز!
• تلویزیون: آره، فهمیدم! سبز می کشم
• تلویزیون: لطفاً تأیید کنید که رنگ قرمز است.
• VCR: تایید می کنم.
• تلویزیون: باشه! می کشم.

انتقال سیگنال آنالوگ:

• VCR: سلام، تلویزیون، رنگ 120x300 پیکسل سبز است.
• تداخل: AAAAAAAAAAAAAA!
• تلویزیون: چی؟ نمی شنوم! لعنتی، آبی می کشم.
• VCR: رنگ بعدی قرمز است!
• تداخل: بوم! رونق!
• تلویزیون: مثل قرمز! می کشم.
• VCR: بیل!
• تداخل: PSHSHSHSHSH!
• تلویزیون:؟!. نیاز به کشیدن چیزی دارید؟ بگذار یک بیل وجود داشته باشد!

مزایا و معایب سیگنال های دیجیتال و آنالوگ

با توجه به موارد فوق، می توان نتیجه گرفت که در صورت مساوی بودن سایر موارد، کیفیت انتقال اطلاعات با استفاده از سیگنال دیجیتال بالاتر از نمایش آنالوگ سیگنال خواهد بود. در عین حال، با ایمنی خوب در برابر نویز، این دو فناوری می توانند در شرایط برابر با یکدیگر رقابت کنند.

الکترونیک دیجیتال اکنون به طور فزاینده ای جایگزین آنالوگ سنتی می شود. شرکت های پیشرو تولید کننده طیف گسترده ای از تجهیزات الکترونیکی به طور فزاینده ای انتقال کامل به فناوری دیجیتال را اعلام می کنند.

پیشرفت در فناوری تولید ریزمدارهای الکترونیکی توسعه سریع فناوری و دستگاه های دیجیتال را تضمین کرد. استفاده از روش های دیجیتال برای پردازش و ارسال سیگنال می تواند کیفیت خطوط ارتباطی را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. روش های دیجیتال پردازش سیگنال و سوئیچینگ در تلفن این امکان را فراهم می کند که وزن و اندازه ویژگی های دستگاه های سوئیچینگ را چندین برابر کاهش دهد، قابلیت اطمینان ارتباط را افزایش دهد و عملکردهای اضافی را معرفی کند.

ظهور ریزپردازنده‌های پرسرعت، تراشه‌های RAM با ظرفیت بالا، دستگاه‌های ذخیره‌سازی اطلاعات با اندازه کوچک بر روی رسانه‌های سخت با ظرفیت بالا، امکان ایجاد رایانه‌های الکترونیکی شخصی جهانی نسبتاً ارزان را فراهم کرد که به طور گسترده در زندگی روزمره و تولید استفاده می‌شوند. .

فناوری دیجیتال در سیستم های سیگنال دهی و کنترل از راه دور مورد استفاده در تولید خودکار، کنترل اشیاء راه دور مانند فضاپیماها، ایستگاه های پمپ بنزین و غیره ضروری است. دستگاه های مدرن برای ضبط و تولید مجدد سیگنال ها نیز بدون استفاده از دستگاه های دیجیتال قابل تصور نیستند. دستگاه های دیجیتال به طور گسترده ای برای کنترل لوازم خانگی استفاده می شود.

این احتمال وجود دارد که دستگاه های دیجیتال در آینده بر بازار لوازم الکترونیکی تسلط پیدا کنند.

بیایید با چند تعریف اولیه شروع کنیم..

علامتهر کمیت فیزیکی (مثلاً دما، فشار هوا، شدت نور، قدرت جریان و غیره) است که در طول زمان تغییر می کند. به لطف این تغییر در زمان است که سیگنال می تواند نوعی اطلاعات را حمل کند.

سیگنال الکتریکییک کمیت الکتریکی (مثلاً ولتاژ، جریان، توان) است که با زمان تغییر می کند. همه وسایل الکترونیکی عمدتاً با سیگنال های الکتریکی کار می کنند، اگرچه سیگنال های نوری که با شدت نور متغیر با زمان هستند، به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

سیگنال آنالوگ- این سیگنالی است که می تواند هر مقداری را در محدوده خاصی بگیرد (به عنوان مثال، ولتاژ می تواند به آرامی از صفر تا ده ولت تغییر کند). دستگاه هایی که فقط با سیگنال های آنالوگ کار می کنند، دستگاه های آنالوگ نامیده می شوند.

سیگنال دیجیتالسیگنالی است که فقط می تواند دو مقدار (گاهی اوقات سه مقدار) بگیرد. علاوه بر این، برخی از انحرافات از این مقادیر مجاز است (شکل 1.1). به عنوان مثال، ولتاژ می تواند دو مقدار داشته باشد: از 0 تا 0.5 ولت (سطح صفر) یا از 2.5 تا 5 ولت (یک سطح). دستگاه هایی که منحصراً با سیگنال های دیجیتال کار می کنند، دستگاه های دیجیتال نامیده می شوند.

در طبیعت، تقریباً همه سیگنال ها آنالوگ هستند، یعنی به طور مداوم در محدوده خاصی تغییر می کنند. به همین دلیل است که اولین وسایل الکترونیکی آنالوگ بودند. آنها کمیت های فیزیکی را به ولتاژ یا جریان متناسب با آنها تبدیل می کردند، برخی عملیات را روی آنها انجام می دادند و سپس تبدیل معکوس به کمیت های فیزیکی انجام می دادند. به عنوان مثال، صدای یک فرد (ارتعاشات هوا) با کمک میکروفون به ارتعاشات الکتریکی تبدیل می شود، سپس این سیگنال های الکتریکی توسط یک تقویت کننده الکترونیکی تقویت شده و با استفاده از یک سیستم صوتی، دوباره به ارتعاشات هوا، به صدای بلندتر تبدیل می شوند. .

برنج. 1.1. سیگنال های الکتریکی: آنالوگ (چپ) و دیجیتال (راست).

تمام عملیات انجام شده توسط دستگاه های الکترونیکی بر روی سیگنال ها را می توان به سه گروه بزرگ تقسیم کرد:

پردازش (یا تبدیل)؛

پخش؛

ذخیره سازی.

در همه این موارد، سیگنال های مفید توسط سیگنال های انگلی - نویز، تداخل، تداخل، تحریف می شوند. علاوه بر این، هنگام پردازش سیگنال ها (به عنوان مثال، در هنگام تقویت، فیلتر کردن)، شکل آنها نیز به دلیل نقص، دستگاه های الکترونیکی غیر ایده آل مخدوش می شود. و هنگام ارسال در فواصل طولانی و در حین ذخیره سازی، سیگنال ها نیز ضعیف می شوند.

برنج. 1.2. نویز و اعوجاج تداخل سیگنال آنالوگ (چپ) و سیگنال دیجیتال (راست).

در مورد سیگنال های آنالوگ، همه اینها به طور قابل توجهی سیگنال مفید را کاهش می دهد، زیرا تمام مقادیر آن مجاز است (شکل 1.2). بنابراین، هر تبدیل، هر ذخیره سازی میانی، هر انتقال از طریق کابل یا هوا سیگنال آنالوگ را تخریب می کند، گاهی اوقات تا نابودی کامل آن. همچنین باید در نظر گرفت که همه نویزها، تداخل ها و پیکاپ ها اساساً قابل محاسبه دقیق نیستند، بنابراین توصیف دقیق رفتار هر دستگاه آنالوگ کاملاً غیرممکن است. علاوه بر این، با گذشت زمان، پارامترهای تمامی دستگاه های آنالوگ به دلیل کهنه شدن عناصر تغییر می کند، بنابراین ویژگی های این دستگاه ها ثابت نمی ماند.

برخلاف سیگنال های آنالوگ، سیگنال های دیجیتال که تنها دو مقدار مجاز دارند، بسیار بهتر از نویز، تداخل و تداخل محافظت می شوند. انحرافات کوچک از مقادیر مجاز به هیچ وجه سیگنال دیجیتال را تحریف نمی کند، زیرا همیشه مناطقی از انحرافات مجاز وجود دارد (شکل 1.2). به همین دلیل است که سیگنال‌های دیجیتال امکان پردازش بسیار پیچیده‌تر و چند مرحله‌ای، ذخیره‌سازی بدون تلفات طولانی‌تر و انتقال بسیار بهتر را نسبت به سیگنال‌های آنالوگ فراهم می‌کنند. علاوه بر این، رفتار دستگاه های دیجیتال همیشه می تواند کاملاً دقیق محاسبه و پیش بینی شود. دستگاه های دیجیتال بسیار کمتر مستعد پیری هستند، زیرا تغییر جزئی در پارامترهای آنها به هیچ وجه بر عملکرد آنها تأثیر نمی گذارد. علاوه بر این، طراحی و اشکال زدایی دستگاه های دیجیتال آسان تر است. واضح است که همه این مزایا توسعه سریع الکترونیک دیجیتال را تضمین می کند.

با این حال، سیگنال های دیجیتال یک نقطه ضعف بزرگ نیز دارند. واقعیت این است که در هر یک از سطوح مجاز، سیگنال دیجیتال باید حداقل برای حداقل فاصله زمانی باقی بماند، در غیر این صورت تشخیص آن ممکن نخواهد بود. و یک سیگنال آنالوگ می تواند هر مقداری را برای مدت بی نهایت کوچکی دریافت کند. همچنین می توان به طور متفاوت گفت: یک سیگنال آنالوگ در زمان پیوسته (یعنی در هر لحظه از زمان) و یک سیگنال دیجیتال در زمان گسسته (یعنی فقط در نقاط انتخاب شده در زمان) تعریف می شود. بنابراین، حداکثر عملکرد قابل دستیابی دستگاه های آنالوگ همیشه اساساً بیشتر از دستگاه های دیجیتال است. دستگاه‌های آنالوگ نسبت به دستگاه‌های دیجیتال می‌توانند سیگنال‌هایی را که سریع‌تر تغییر می‌کنند کنترل کنند. سرعت پردازش و انتقال اطلاعات توسط یک دستگاه آنالوگ همیشه می تواند بالاتر از سرعت پردازش و انتقال آن توسط یک دستگاه دیجیتال باشد.

علاوه بر این سیگنال دیجیتال فقط در دو سطح و با تغییر یکی از سطوح خود به سطح دیگر اطلاعات را منتقل می کند و سیگنال آنالوگ نیز با هر مقدار فعلی تراز خود اطلاعات را ارسال می کند یعنی از نظر انتقال اطلاعات ظرفیت بیشتری دارد. بنابراین، برای انتقال مقدار اطلاعات مفیدی که در یک سیگنال آنالوگ وجود دارد، اغلب لازم است از چندین سیگنال دیجیتال (معمولاً از 4 تا 16) استفاده شود.

علاوه بر این، همانطور که قبلا ذکر شد، در طبیعت، همه سیگنال ها آنالوگ هستند، یعنی برای تبدیل آنها به سیگنال دیجیتال و برای تبدیل معکوس، استفاده از تجهیزات ویژه (مبدل آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ) لازم است. . بنابراین هیچ چیز به صورت رایگان ارائه نمی شود و هزینه ای که برای مزایای دستگاه های دیجیتال باید پرداخت می شود گاهی اوقات می تواند به طور غیرقابل قبولی بالا باشد.