デジタルおよびアナログ信号。アナログ信号とデジタル信号の違い

テレビやラジオの放送だけでなく、モダンな景色接続、非常に頻繁に次のような用語に出くわします « アナログ信号» と 「デジタル信号」。専門家にとっては、これらの言葉に謎はありませんが、無知な人々にとっては、「デジタル」と「アナログ」の違いは完全に不明である可能性があります。それでも、非常に大きな違いがあります。

信号について話すとき、私たちは通常、EMFを誘発し、受信機アンテナに電流変動を引き起こす電磁振動を意味します。これらの振動に基づいて、受信デバイス（TV、ラジオ、ウォーキートーキー、または携帯電話）は、画面に表示する画像（ビデオ信号がある場合）およびこのビデオに付随する音についての「アイデア」を構成します。信号。

いずれの場合も、無線局または移動通信塔の信号は、デジタル形式とアナログ形式の両方で表示されます。結局のところ、たとえば、音自体はアナログ信号です。ラジオ局では、マイクが知覚する音が前述の電磁振動に変換されます。音の周波数が高いほど、出力の振動周波数が高くなり、スピーカーの声が大きくなるほど、振幅が大きくなります。

結果として生じる電磁振動、または波は、送信アンテナの助けを借りて宇宙を伝播します。空気が低周波干渉で詰まらないように、また異なるラジオ局が互いに干渉することなく並行して動作する機会を持てるように、音の衝撃から生じる振動を合計します。つまり、「一定の周波数を持つ他の振動に「重ね合わせ」。最後の周波数は通常「キャリア」と呼ばれ、無線局のアナログ信号を「キャッチ」するためにラジオ受信機を調整することがその認識に基づいています。

受信機では、逆のプロセスが発生します。つまり、搬送周波数が分離され、アンテナで受信された電磁振動が音の振動に変換され、アナウンサーの聞き慣れた声がスピーカーから聞こえます。

移籍の過程で音声信号ラジオから受信機まで何でも起こり得ます。サードパーティの干渉が発生したり、周波数や振幅が変化したりする可能性があります。もちろん、これはラジオから発せられる音に反映されます。最後に、送信機と受信機の両方が信号変換中にエラーを引き起こします。そのため、アナログラジオで再生される音には常に歪みがあります。変更しても音声は完全に再現される場合がありますが、背景には干渉によるシューという音や何らかの喘鳴が発生します。受信の信頼性が低いほど、これらの無関係なノイズ効果はより大きく、より明確になります。

さらに、地上のアナログ信号は、不正アクセスに対する保護の程度が非常に弱いです。もちろん、公共ラジオ局の場合、これは問題ではありません。しかし、最初の使用中に携帯電話ほとんどすべての外部ラジオを適切な波に簡単に調整して、電話での会話を盗聴できるという事実に関連して、不快な瞬間が1つありました。

アナログにはそのような欠点があります。放送。そのため、たとえば、テレビは比較的短時間で完全にデジタル化されることが約束されています。

デジタル通信と放送は干渉の影響を受けにくいと考えられており、外部からの影響。「数字」を使用すると、送信ステーションのマイクからのアナログ信号がデジタルコードに暗号化されます。いいえ、もちろん、数字や数字の流れは周囲の空間には広がりません。特定の周波数と音量の音に無線パルスからのコードが割り当てられているだけです。パルスの持続時間と周波数は事前に設定されています-これは送信機と受信機の両方で同じです。パルスの存在は1に対応し、パルスの不在は0に対応します。したがって、このような接続は「デジタル」と呼ばれます。

アナログ信号をデジタルコードに変換するデバイスは、 アナログ-デジタルコンバーター（ADC）。そして、スピーカーの友達の声に対応するアナログ信号にコードを変換する受信機にインストールされたデバイス携帯電話 GSM規格は、「デジタル-アナログコンバーター」（DAC）と呼ばれます。

デジタル信号の送信中、エラーや歪みは実質的に排除されます。インパルスが少し強くなったり、長くなったり、またはその逆になったりしても、システムによって1つの単位として認識されます。そして、たとえランダムであっても、ゼロはゼロのままになります弱い信号。 ADCとDACの場合、0.2または0.9以外の値はありません-ゼロと1のみです。したがって、デジタル通信や放送への干渉はほとんど影響しません。

さらに、「数字」は不正アクセスからも保護されます。実際、デバイスのDACが信号を復号化できるようにするには、復号化コードを「認識」している必要があります。 ADCは、信号とともに、受信機として選択されたデバイスのデジタルアドレスを送信することもできます。したがって、無線信号が傍受されても、コードの少なくとも一部がないために認識できません。これは特にモバイルセルラー通信に当てはまります。

だから、ここに デジタル信号とアナログ信号の違い:

1）アナログ信号は干渉によって歪む可能性があり、デジタル信号は干渉によって完全に妨害されるか、歪みなしで発生する可能性があります。デジタル信号は、正確に存在するか、完全に存在しない（0または1）かのいずれかです。

2）アナログ信号は、送信機と同じ原理で動作するすべてのデバイスで認識できます。デジタル信号は安全にコード化されており、意図されていない場合は傍受するのが困難です。

アナログ信号は、代表的なパラメータのそれぞれが時間の関数と可能な値の連続セットによって記述されるデータ信号です。

信号の2つのスペースがあります-スペースL（連続信号）とスペースl（L小）-シーケンスのスペース。空間l（Lは小さい）はフーリエ係数の空間（定義域の有限区間で連続関数を定義する可算数の集合）であり、空間Lは領域内の連続（アナログ）信号の空間です。定義の。特定の条件下で、空間Lは空間lに一意にマッピングされます（たとえば、コテルニコフの最初の2つの離散化定理）。

アナログ信号は時間の連続関数で表されます。そのため、アナログ信号は連続信号と呼ばれることもあります。アナログ信号は、離散（量子化、デジタル）とは対照的です。連続空間と対応する物理量の例：

直接：電圧

円周：ローター、ホイール、ギア、アナログ時計の針の位置、またはキャリア信号の位相

セグメント：ピストン、制御レバー、液体温度計、または振幅が制限された電気信号の位置さまざまな多次元空間：色、直交変調信号。

アナログ信号の特性は、量子化信号またはデジタル信号の特性とほぼ逆です。

互いに明確に区別できる離散信号レベルがないため、情報の概念をデジタル技術で理解される形でその記述に適用することは不可能です。 1回の読み取りに含まれる「情報量」は、測定器のダイナミックレンジによってのみ制限されます。

冗長性はありません。値空間の連続性から、信号に導入された干渉は信号自体と区別がつかないため、元の振幅を復元することはできません。実際、この信号の特性（特に周波数帯域）に関する追加情報がわかっている場合は、たとえば周波数法によってフィルタリングが可能です。

応用：

アナログ信号は、絶えず変化する物理量を表すためによく使用されます。たとえば、熱電対から取得したアナログ電気信号は、温度の変化に関する情報、マイクからの音波の圧力の急激な変化に関する信号などを伝達します。

2.2デジタル信号

デジタル信号は、各表現パラメータが離散時間の関数と可能な値の有限集合によって記述されるデータ信号です。

信号は、個別の電気パルスまたは光パルスです。この方法では、通信チャネルの全容量を使用して1つの信号を送信します。デジタル信号は、ケーブルの全帯域幅を使用します。帯域幅は、ケーブルを介して送信できる最大周波数と最小周波数の差です。このようなネットワークの各デバイスは両方向にデータを送信し、一部のデバイスは同時に受信および送信できます。狭帯域システム（ベースバンド）は、単一周波数のデジタル信号の形式でデータを送信します。

ディスクリートデジタル信号は、アナログ信号よりも長距離で送信するのが難しいため、送信機側で事前変調され、情報受信機側で復調されます。デジタルシステムでデジタル情報をチェックおよび復元するためのアルゴリズムを使用すると、情報送信の信頼性を大幅に向上させることができます。

コメント。実際のデジタル信号は、その物理的性質により、アナログであることに留意する必要があります。ノイズと伝送線路のパラメータの変化により、振幅、位相/周波数（ジッター）、偏波に変動があります。しかし、このアナログ信号（パルスおよび離散）には、数値の特性が備わっています。その結果、その処理（コンピュータ処理）に数値的な方法を使用することが可能になります。

アナログ信号は、代表的なパラメータのそれぞれが時間の関数と可能な値の連続セットによって記述されるデータ信号です。

直接：電圧

円周：ローター、ホイール、ギア、アナログ時計の針の位置、またはキャリア信号の位相

セグメント：ピストン、制御レバー、液体温度計、または振幅が制限された電気信号の位置さまざまな多次元空間：色、直交変調信号。

アナログ信号の特性は、量子化信号またはデジタル信号の特性とほぼ逆です。

応用：

2.2デジタル信号

デジタル信号は、各表現パラメータが離散時間の関数と可能な値の有限集合によって記述されるデータ信号です。

単純な消費者が信号の性質を知る必要はまったくありません。しかし、アナログとの違いを知る必要がある場合がありますデジタルフォーマット目を開けてどちらかの選択肢を選ぶために、今日ではアナログ技術の時代が過ぎたと噂されているため、デジタル技術に取って代わられています。私たちが何を残し、何を期待するかを知るためには、違いを理解する必要があります。

アナログ信号-これは連続信号であり、最大値の範囲内で値が近い無限の数のデータがあり、そのすべてのパラメーターは時間依存変数によって記述されます。

デジタル信号-これは個別の信号であり、それぞれ時間の個別の関数によって記述され、各瞬間で、信号の振幅の大きさは厳密に定義された値を持ちます。

実践によれば、アナログ信号では干渉が可能であり、デジタル信号では干渉が排除されます。さらに、デジタルは元のデータを復元できます。連続的なアナログ信号では、多くの情報が渡され、多くの場合冗長になります。 1つのアナログの代わりに、複数のデジタルのものを送信できます。

今日、消費者はテレビの問題に興味を持っています。なぜなら、この文脈において、「デジタル信号への移行」というフレーズがより頻繁に発音されるからです。この場合、アナログは過去の遺物と見なすことができますが、既存の技術が受け入れるのはまさにそれであり、デジタルを受信するには特別なものが必要です。もちろん、「数字」の使用の出現と拡大に関連して、それらは以前の人気を失っています。

信号タイプの長所と短所

セキュリティは、特定の信号のパラメータを評価する上で重要な役割を果たします。影響の性質が異なり、外部からの侵入により、アナログ信号は無防備になります。デジタルでは、無線パルスからエンコードされるため、これは除外されます。長距離の場合、デジタル信号の送信は複雑であり、変調-復調方式を使用する必要があります。

要約すると、私たちはそれを言うことができます アナログ信号とデジタル信号の違いからなる：

アナログの連続性とデジタルの離散性。
アナログ伝送に干渉する可能性が高くなります。
アナログ信号の冗長性において;
干渉をフィルタリングし、元の情報を復元するデジタル機能。
エンコードされた形式のデジタル信号の送信。 1つのアナログ信号が複数のデジタル信号に置き換えられます。

「デジタル」または「ディスクリート」信号などの定義をよく耳にしますが、「アナログ」との違いは何ですか？

違いの本質は、アナログ信号が時間的に連続しているのに対し（青い線）、デジタル信号は限られた座標のセット（赤い点）で構成されていることです。すべてが座標に縮小されると、アナログ信号のセグメントは無限の数の座標で構成されます。

デジタル信号の場合、横軸に沿った座標は、サンプリング周波数に従って一定の間隔で配置されます。一般的なオーディオCD形式では、これは44100ポイント/秒です。垂直方向では、座標の高さの精度はデジタル信号のビット深度に対応します。8ビットの場合は256レベル、16ビットの場合は65536、24ビットの場合は16777216レベルです。ビット深度（レベル数）が高いほど、垂直座標は元の波に近くなります。

アナログソースは次のとおりです。ビニールおよびオーディオカセット。デジタルソースは、CD-Audio、DVD-Audio、SA-CD（DSD）、およびWAVEおよびDSD形式のファイル（APE、Flac、Mp3、Oggなどの派生物を含む）です。

アナログ信号の長所と短所

アナログ信号の利点は、耳で音を知覚するのがアナログ形式であるということです。そして、私たちの聴覚システムは、知覚された音の流れをデジタル形式に変換し、この形式で脳に送信しますが、科学技術は、プレーヤーと他の音源をこの形式で直接接続する可能性にまだ到達していません。現在、障がい者を対象とした同様の研究が活発に行われており、アナログ音のみを楽しんでいます。

アナログ信号の欠点は、信号を保存、送信、複製できることです。テープまたはビニールに録音する場合、信号品質はテープまたはビニールの特性に依存します。時間の経過とともに、テープは消磁し、記録された信号の品質が低下します。各読み取りはメディアを徐々に破壊し、上書きすると追加の歪みが発生し、次のメディア（テープまたはビニール）、読み取り、記録、および信号伝送デバイスによって追加の偏差が追加されます。

アナログ信号のコピーを作成することは、写真を撮って再度コピーするようなものです。

デジタル信号の長所と短所

デジタル信号の利点には、オーディオストリームのコピーと送信の精度が含まれ、オリジナルはコピーと同じです。

主な欠点は、デジタル形式の信号が中間段階であり、最終的なアナログ信号の精度が、音波が座標によってどれだけ詳細かつ正確に記述されるかに依存することであると考えることができます。ポイントが多く、座標が正確であるほど、波が正確になることは非常に論理的です。しかし、信号のデジタル表現がアナログ信号を正確に復元するのに十分であり、私たちの耳では元の信号と区別がつかないと言うのに十分な座標とデータ精度の数については、まだコンセンサスがありません。

データ量に関しては、従来のアナログオーディオカセットの容量はわずか約700〜1.1 MBですが、従来のCDは700MBを保持します。これは、キャリアの必要性のアイデアを与えます大容量。そして、これは、記述点の数と座標の正確さに関するさまざまな要件を伴う妥協の別の戦争を引き起こします。

現在まで、サンプリング周波数が44.1 kHz、ビット深度が16ビットの音波を表現するだけで十分であると考えられています。 44.1 kHzのサンプリングレートで、最大22kHzの信号を復元できます。音響心理学の研究が示すように、サンプリングレートのさらなる増加はほとんど目立たないが、ビット深度の増加は主観的な改善をもたらす。

DACが波を構築する方法

DACは、デジタルサウンドをアナログに変換する要素であるデジタル-アナログコンバーターです。基本的な原則を表面的に見ていきます。コメントがいくつかの点をより詳細に検討することに関心を示している場合は、別の資料がリリースされます。

マルチビットDAC

多くの場合、波はステップとして表されます。これは、リレーからのスイッチと同様に機能する第1世代のR-2RマルチビットDACのアーキテクチャによるものです。

DAC入力は次の垂直座標の値を受け取り、各サイクルで次の変化まで電流（電圧）レベルを対応するレベルに切り替えます。

人間の耳には20kHz以下しか聞こえないと考えられており、ナイキスト理論によれば22 kHzまでの信号を復元することは可能ですが、復元後のこの信号の品質には疑問が残ります。高周波領域では、結果として生じる「階段状」波の形状は通常、元の波から遠く離れています。この状況から抜け出す最も簡単な方法は、録音時にサンプリングレートを上げることですが、これはファイルサイズの大幅で望ましくない増加につながります。

別のオプションは、中間値を追加することにより、DACで再生するときにサンプリングレートを人為的に上げることです。それらの。元の座標（赤い点）をスムーズに接続し、この線（濃い紫色）に中間点を追加する連続波のパス（灰色の点線）を想像します。

サンプリング周波数が高くなると、通常、ビット深度も大きくして、座標が近似波に近づくようにする必要があります。

中間座標のおかげで、「ステップ」を減らして、元の波に近い波を構築することができます。

プレーヤーまたは外部DACで44.1〜192 kHzのブースト機能が表示された場合、それは中間座標を追加する機能であり、20kHzを超えるサウンドを復元または作成する機能ではありません。

当初、これらはDACの前の個別のSRCマイクロ回路でしたが、DACマイクロ回路自体に直接移行しました。今日、このようなマイクロ回路が最新のDACに追加されているソリューションを見つけることができます。これは、DACに組み込まれているアルゴリズムの代替手段を提供するために行われ、場合によってはさらに多くのものを取得するために行われます。最高の音（たとえば、Hidizs AP100で行われます）。

マルチビットDACの主な業界の拒絶は、現在の生産技術で品質指標をさらに技術開発することが不可能であり、同等の特性を持つ「スイッチング」DACに対するコストが高いために発生しました。それにもかかわらず、ハイエンド製品では、技術的に優れた特性を備えた新しいソリューションではなく、古いマルチビットDACが優先されることがよくあります。

DACの切り替え

70年代後半に、「パルス」アーキテクチャに基づくDACの代替バージョンである「デルタシグマ」が普及しました。パルスDAC技術は、超高速スイッチの出現を可能にし、高いキャリア周波数の使用を可能にしました。

信号の振幅は、パルスの振幅の平均値です（緑は等しい振幅のパルスを示し、白は最終的な音波です）。

たとえば、5つのインパルスの8サイクルのシーケンスでは、平均振幅（1 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 1 + 0）/ 8=0.625が得られます。搬送周波数が高いほど、より多くのパルスが平滑化され、より正確な振幅値が得られます。これにより、広いダイナミックレンジで1ビット形式のサウンドストリームを表現することが可能になりました。

平均化は従来のアナログフィルターで行うことができ、そのようなパルスのセットをスピーカーに直接印加すると、出力で音が出て、エミッターの慣性が大きいため超高周波が再生されません。クラスDのPWM増幅器は、この原理に従って動作します。パルスのエネルギー密度は、パルスの数ではなく、各パルスの持続時間によって作成されます（実装は簡単ですが、単純なバイナリコードでは記述できません）。

マルチビットDACは、Pantoneカラーを適用できるプリンターと考えることができます。 Delta-Sigmaは、色の範囲が限られているインクジェットプリンタですが、（アントラープリンタと比較して）非常に小さなドットを適用できるため、単位表面あたりのドットの密度が異なるため、より多くの色合いが生成されます。

画像では、目の解像度が低いため、通常、個々のポイントは表示されませんが、平均的なトーンのみが表示されます。同様に、耳はインパルスを個別に聞きません。

最終的に、パルスDACの現在の技術では、中間座標を近似することによって理論的に得られるはずの波に近い波を得ることができます。

デルタシグマDACの出現後、ステップを使用して「デジタル波」を描画することの関連性がなくなったことに注意する必要があります。そのため、最新のDACはステップで波を構築しません。正しく離散した信号は、滑らかな線で接続されたドットで構築されます。

スイッチングDACは理想的ですか？

しかし実際には、すべてがバラ色であるわけではなく、多くの問題と制限があります。

なぜならレコードの大部分はマルチビット信号に保存されるため、ビットごとにパルス信号に変換するには、不必要に高いキャリア周波数が必要ですが、これは最新のDACではサポートされていません。

主な機能最新のパルスDACは、データデシメーションを使用して、マルチビット信号を比較的低いキャリア周波数のシングルビット信号に変換することです。基本的に、パルスDACの最終的な音質を決定するのはこれらのアルゴリズムです。

高いキャリア周波数の問題を軽減するために、オーディオストリームはいくつかの1ビットストリームに分割されます。各ストリームは、ストリーム数からのキャリア周波数の倍数に相当するビットグループを担当します。このようなDACは、マルチビットデルタシグマと呼ばれます。

今日、スイッチングDACは、変換アルゴリズムを柔軟にプログラムできるため、NADおよびChordの高速汎用ICに新たな命を吹き込みました。

DSDフォーマット

デルタシグマDACが広く使用された後、バイナリコード形式がデルタシグマエンコーディングで直接表示されることは非常に論理的でした。この形式はDSD（Direct Stream Digital）と呼ばれます。

このフォーマットは、いくつかの理由で広く使用されていませんでした。この形式でのファイルの編集は、不必要に制限されていることが判明しました。ストリームを混合したり、音量を調整したり、イコライゼーションを適用したりすることはできません。つまり、品質を損なうことなく、アナログ録音をアーカイブし、さらに処理することなくライブパフォーマンスの2マイク録音を作成することしかできません。一言で言えば、あなたは本当にお金を稼ぐことはできません。

著作権侵害との闘いにおいて、SA-CDはコンピューターによってサポートされていなかった（そしてまだサポートされていない）ため、それらのコピーを作成することは不可能でした。コピーはありません-幅広い聴衆はありません。 DSDオーディオコンテンツは、専用ディスクとは別のSA-CDプレーヤーからのみ再生できました。 PCMフォーマットの場合、ソースから別のDACへのデジタルデータ転送に関するSPDIF規格があり、DSDフォーマットの規格はなく、SA-CDディスクの最初の海賊版コピーがSA-のアナログ出力からデジタル化されました。 CDプレーヤー（状況はばかげているように見えますが、実際には一部の録音はSA-CDでのみリリースされたか、Audio-CDの同じ録音はSA-CDを宣伝するために意図的に低品質で作成されました）。

ターニングポイントは、SA-CDディスクが再生前にコンソールのハードドライブに自動的にコピーされたSONYゲームコンソールのリリースに伴いました。 DSDフォーマットのファンはこれを利用しました。海賊版の録音の出現は、DSDストリームを再生するための個別のDACのリリースの市場を刺激しました。現在、ほとんどのDSD対応外部DACは、SPDIFを介した個別のデジタル信号エンコーディングとしてDoP形式を使用したUSBデータ転送をサポートしています。

DSDの搬送周波数は2.8MHzと5.6MHzと比較的小さいですが、このオーディオストリームはデータデシメーション変換を必要とせず、DVDオーディオなどの高解像度フォーマットと非常に競争力があります。

DSPとPCMのどちらが優れているかという質問に対する明確な答えはありません。すべては、特定のDACの実装の品質と、最終ファイルを録音するときのサウンドエンジニアの才能に依存します。

一般的な結論

アナログ音は、私たちが私たちの目で私たちの周りの世界として聞いたり知覚したりするものです。デジタルサウンドは音波を表す座標のセットであり、アナログ信号に変換せずに直接聞くことはできません。

オーディオカセットやビニールに直接録音されたアナログ信号は、品質を損なうことなくダビングすることはできませんが、デジタル表現の波は少しずつコピーすることができます。

デジタル録音フォーマットは、座標精度とファイルサイズの間の一定のトレードオフであり、デジタル信号は元のアナログ信号の近似値にすぎません。ただし、デジタル信号を記録および再生し、アナログ信号用にメディアに保存するためのさまざまなレベルのテクノロジーは、デジタルカメラとフィルムカメラのように、信号のデジタル表現により多くの利点をもたらします。