سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال انواع مختلفی از سیگنال هستند که به طور کلی برای انتقال اطلاعات از یک دستگاه به دستگاهی دیگر استفاده می‌شوند. دنیای ما با سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال پر شده و زندگی کردن بدون آن برای ما معنایی ندارد. در حقیقت ریشه‌ی تمامی اختراعات انسان که به نوعی با نیروی الکتریسیته سروکار دارند، به سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال باز می‌گردد.
استفاده از سیگنال الکتریکی برای اختراع لامپ، بشر را از عصر تاریکی به دنیای روشن اختراعات آنالوگ آورد و پس از آن با اختراع ترانزیستورها، تجهیزات الکترونیکی و سیستم‌های دیجیتالی جای خود را در تمامی گوشه‌های زندگی ما پیدا کردند. ما در این مقاله قصد داریم تا به ابتدای عصر روشنایی برگردیم و با ماهیت سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال و تحول آنها آشنا شویم.
سیگنال چیست؟
برای بررسی مفاهیم آنالوگ و دیجیتال، ابتدا لازم است تا با مفهوم سیگنال آشنا شویم. سیگنال در معنای اصلی آن به هر چیزی گفته می‌شود که برای انتقال یک پیام استفاده می‌شود. برای مثال، در طبیعت بسیاری از حشرات با کمک بر جا گذاشتن موادی با بوی خاص به هم پیام می‌دهند. با استفاده از همین مفهوم، سیگنال الکتریکی یک جریان الکتریکی یا الکترومغناطیسی است که برای انتقال اطلاعات از یک سیستم به سیستم دیگر استفاده می‌شود.
یک سیگنال الکتریکی اطلاعاتی درباره‌ی یک پدیده را در خود دارد. در الکترونیک و مخابرات، سیگنال به هر ولتاژ متغیر با زمانی اشاره دارد که یک موج الکترومغناطیسی است و اطلاعاتی را با خود حمل می‌کند. در دنیای طبیعی، یک رنگ، نور یا رایحه هرکدام یک سیگنال هستند و در دنیای الکترونیک، صدایی که از یک بلندگو به گوش می‌رسد یا نوری که از یک لامپ می‌تابد یک سیگنال الکتریکی به شمار می‌آیند.
داستان کشف سیگنال آنالوگ
اکنون که با مفهوم سیگنال آشنا شدیم، برای پیدا کردن نقطه‌ی ورود سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال به زندگی بشر، باید به سال ۱۸۷۷ برگردیم. در این دوره، مخترع معروف و خالق لامپ الکتریکی، توماس ادیسون، مشغول فعالیت بر روی اختراعی بود که به لطف آن، امروزه می‌توانیم در هرجای دنیا به موسیقی مورد علاقه‌ی خود گوش دهیم: دستگاه ضبط صدا.
ما در دنیایی از بی‌نهایت‌ها زندگی می‌کنیم. در هر تابلوی نقاشی تعداد بی‌نهایت رنگ وجود دارد که چشم ما می‌تواند آنها را تشخیص دهد، در محدوده‌ی شنوایی ما انسان‌ها، بی‌نهایت تن صدا برای شنیدن وجود دارد و هم‌چنین بی‌نهایت رایحه داریم که می‌توانیم آنها را احساس کنیم. ویژگی مشترک همه‌ی این موارد، بی‌نهایت بودن مقادیر آنها است، که ماهیت اصلی یک سیگنال آنالوگ را تشکیل می‌دهد.
به کمک همین خاصیت سیگنال آنالوگ یعنی پیوسته بودن، توماس ادیسون توانست دستگاه ضبط صدا را اختراع کند. او دریافت که امواج صوتی بر ذرات هوای محیط نیرو وارد می‌کنند و از این نیرو برای حرکت دادن یک سیم پیچ فلزی در امتداد یک آهن‌ربا استفاده کرد. چیزی که بر اثر این جابه‌جایی ایجاد شد یک ولتاژ الکتریکی بود، اولین سیگنال الکتریکی آنالوگ. قبل از ادامه‌ی سیر تاریخی سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال، ابتدا باید به این سوال پاسخ دهیم که سیگنال آنالوگ چیست و چطور کار می‌کند.
سیگنال آنالوگ چیست؟
به شکل زیر نگاه کنید. سیگنال آنالوگ بر حسب زمان تغییر می‌کند و به طور کلی به یک محدوده‌ی خاص مثلا بین صفر تا ۱۲ ولت محدود می‌شود. اما ویژگی متمایز این نوع سیگنال این است که در همین طیف محدود و پیوسته، بی‌شمار نقطه وجود وجود دارد که هر کدام مقدار متفاوتی دارند. به عبارت دیگر، در هر لحظه، سیگنال مقداری مشخص و شاید متفاوت با سایر لحظات دارد. در یک سیگنال الکتریکی آنالوگ، مقدار ولتاژ، جریان یا فرکانس سیگنال می‌تواند بیانگر اطلاعات مورد نظر باشد.
سیگنال‌های آنالوگ معمولا برای اندازه گیری میزان تغییرات در نور، صدا، دما، موقعیت، فشار یا سایر پدیده‌های فیزیکی استفاده می‌شوند. سیگنال آنالوگ در هر لحظه مقدار مشخصی دارد؛ برای مثال اگر بخواهیم دمای محیط را با کمک یک دماسنج آنالوگ اندازه گیری کنیم، نتایج به دست آمده در هر لحظه با هم تفاوتی ناچیز دارند و اعدادی اعشاری را شامل می‌شوند. همین نکته نشان دهنده‌ی بی‌نهایت بودن مقادیر موجود در سیگنال آنالوگ است.
سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال در زندگی روزمره کاربردهای فراوانی دارند، اما سیگنال آنالوگ از ابتدا در طبیعت وجود داشته است. برای مثال، برخورد موج صدا با دیافراگم میکروفون باعث می‌شود تا یک میله آهنی در طول یک سیم پیچ حرکت کند و جریان الکتریکی تولید کند. این نوسانات در جریان الکتریکی تولید شده در میکروفون باعث می‌شوند تا صدای شما به صورت آنالوگ در آمده و به بلندگوها منتقل شود.
سیگنال دیجیتال چیست؟
سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شوند، اما تفاوت مهمی با هم دارند. سیگنال‌های دیجیتال بر خلاف سیگنال‌های آنالوگ، گسسته هستند و به جای بی‌نهایت داده، تنها میزان مشخصی از اطلاعات را می‌توانند حمل کنند. هم‌چنین سیگنال‌های دیجیتال برای انتقال داده به پهنای باند بیشتری نیاز دارند.
همان‌طور که گفتیم، سیگنال‌های دیجیتال تنها تعداد مشخصی از داده را می‌توانند در بر بگیرند. بیشتر سیگنال‌های دیجیتال به طور معمول دو عدد مشخص هستند، برای مثال در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی از سیگنال دیجیتال با مقدار صفر ولت برای اعلام وضعیت خاموش و از مقدار ۵ ولت برای وضعیت روشن استفاده می‌شود، و هیچ عددی بین صفر و ۵ ولت مخابره نخواهد شد.
نوع دیگری از سیگنال دیجیتال می‌تواند شکل گسسته‌ای از یک سیگنال آنالوگ باشد. به شکل بالا دقت کنید: اگر از فاصله‌ی دور به این شکل موج نگاه کنیم یک سیگنال آنالوگ سینوسی و یکدست می‌بینیم، اما از فاصله‌ی نزدیک مشخص است که این شکل موج، تنها در برگیرنده‌ی تعداد زیادی سیگنال پله است که کنار هم قرار گرفته‌اند. تفاوت اصلی سیگنال آنالوگ و دیجیتال در همین نکته نهفته است؛ سیگنال آنالوگ شکل موجی نرم و یکدست دارد، در حالی که سیگنال دیجیتال از شکل موج‌های پله‌ای، مربعی و گسسته تشکیل می‌شود.
اختراع ترانزیستور، آغاز عصر دیجیتال
به دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردیم؛ زمانی که سه فیزیک‌دان آمریکایی در آزمایشگاه خود مشغول کار روی دستگاهی بودند که توانست انقلابی در صنعت الکترونیک و مخابرات ایجاد کند. ویلیام شاکلی به همراه دستیارانش موفق شدند تا قطعه‌ای بسازند که می‌توانست ولتاژ الکتریکی را در مدار چند برابر کند و نام این قطعه را ترانزیستور گذاشتند، قطعه‌ای آن قدر مهم که اختراع آن جایزه نوبل فیزیک را برای این سه دانشمند به ارمغان آورد.
ترانزیستور یک قطعه کوچک است که از نیمه هادی‌ها تشکیل شده و می‌تواند به عنوان تقویت کننده در مدارهای الکتریکی استفاده شود، یعنی ولتاژ ورودی را چندین برابر کرده و به خروجی تحویل می‌دهد. اختراع اولین نوع ترانزیستور الهام بخش دانشمندان بسیاری از جمله محمد اتالا و داون کاهنگ بود. آنها توانستند کمی بعد از اختراع اولین ترانزیستور، نوع دیگری از آن را ابداع کنند که امروزه آن را ماسفت می‌نامیم.
از ماسفت‌ها به عنوان کلید در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود. تصویر زیر اولین ترانزیستور را نشان می‌دهد؛ هرچند امروزه ابعاد ترانزیستورها از یک دانه لوبیا هم کوچکتر است! میلیاردها ترانزیستور می‌توانند روی یک چیپ کوچک جا شوند و مدارهای پیچیده‌ای را تشکیل دهند. در پایین می‌توانید نماد ترانزیستور ماسفت را مشاهده کنید که البته با کمی دقت می‌توان فهمید که چندان هم به ظاهر اولین ترانزیستور بی‌شباهت نیست!
به بحث سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال برگردیم؛ اختراع ماسفت به تولد عصر جدیدی در صنعت برق به نام الکترونیک مدرن منجر شد. آنها می‌توانند در هر ثانیه میلیاردها بار جریان الکتریکی را قطع و وصل کنند و همین کاربرد، اساس پیدایش دانش پردازش سیگنال دیجیتال شد. هر سیگنال آنالوگ با کمک مداری به نام ADC که ترانزیستورها اجزای اصلی آن را تشکیل می‌دهند، نمونه برداری شده و به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌شود.
حدود نیم قرن پیش، مردم در دنیایی سراسر آنالوگ زندگی می‌کردند که اختراع سیگنال‌های دیجیتال آن را به کلی دگرگون کرده و سرعت پیشرفت تکنولوژی را چندین برابر کرد. برای مثال، تا قبل از سال ۱۹۸۰ موسیقی همیشه به شکل آنالوگ ضبط و منتقل می‌شد اما با اختراع سی دی، دیجیتالی کردن موسیقی رواج پیدا کرد و سی دی پلیرها ضبط دیجیتالی موسیقی را به پدیده‌ای معمول تبدیل کردند.
سیگنال آنالوگ چطور به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌شود؟
تمامی کامپیوترها توسط سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند. سیگنال دیجیتال از مقادیر یا رقم‌هایی تشکیل می‌شود که تنها مقدار مشخصی می‌توانند داشته باشند. ساده‌ترین ساختاری که یک کامپیوتر استفاده می‌کند مجموعه‌‌ای از صفر و یک‌ها است. این زبان به اصطلاح زبان باینری نامیده می‌شود که زبان رسمی تمام کامپیوترها است و تمام کدهای برنامه نویسی به این زبان تفسیر می‌شوند.
بسیاری وقت‌ها کامپیوترها نیاز دارند تا از اطلاعاتی را از سیگنال‌های آنالوگ دریافت کنند؛ برای مثال زمانی که یک دماسنج دیجیتال دمای بدن شما را می‌خواند، لازم است که سیگنال آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود. این کار طی فرآیندی به نام نمونه برداری انجام می‌شود. طی این فرآیند، مقدار موج آنالوگ در فواصل زمانی منظم اندازه گرفته شده و به یک رشته کد دیجیتالی متشکل از صفر و یک تبدیل می‌شود.
زمانی که سیگنال آنالوگ به دیجیتال تبدیل شد، می‌توان آن را داخل یک کامپیوتر ذخیره کرد. این کار به ما اجازه می‌دهد تا این اطلاعات را به اشکال گوناگون پردازش کنیم. برای مثال، یک دوربین دیجیتال حین فرآیند عکاسی، شدت نور را از محیط دریافت کرده و تصویر را به قطعات کوچکی به نام پیکسل تقسیم می‌کند که هر کدام کد رنگی مخصوص خود را دارند. به کمک ابزارهای دیجیتال، می‌توان عکس‌ها را به آسانی ویرایش کرد.
نویز، عضو ناخواسته سیگنال آنالوگ
اگر سن‌تان به دوران تلویزیون‌های بزرگ و قدیمی قد بدهد، شاید یادتان باشد که در آن دوران تصویر تلویزیون برفک می‌گرفت یا صدایش خش‌خش می‌کرد. در این مواقع یا باید به جان تلویزیون می‌افتادید و چندین ضربه به آن می‌زدید، یا این‌که کسی به پشت بام- محل نصب آنتن- می‌رفت و آنتن را جابه‌جا می‌کرد تا تصویر صاف شود! این‌ها از مشکلات کار با آنتن‌های آنالوگ بود که امروز به کمک گیرنده‌های دیجیتال به تاریخ پیوسته است!
اما واقعیت این است که همه‌ی آن‌چه که با آن درگیر بودیم، نویز بود. نویز یکی از اجزای جدا نشدنی و بخشی از ماهیت سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال است. متداول است که زمان انتقال یا پردازش سیگنال آنالوگ روی آن نویز بیفتد؛ در حقیقت نویز یک سیگنال ناخواسته است که به خاطر عوامل طبیعی مثل صداهای محیط اطراف و سایر امواج مزاحم روی سیگنال آنالوگ اصلی می‌افتد و آن را به شکلی غیر قابل بازگشت تخریب می‌کند.
نویز سیگنال آنالوگ و دیجیتال را تضعیف می‌کند و بخشی از اطلاعات آن را از بین می‌برد اما راه حل، تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. سیگنال دیجیتال مقاومت بالایی نسبت به نویزهای طبیعی دارد و با کمک آن علاوه بر پیدا کردن منبع نویز، می‌توان آن را تا حد مناسبی رفع کرد. در گذشته حتی عبور یک ماشین پر سروصدا هم می‌توانست روی صدا و تصویر تلویزیون و رادیو نویز بیاندازد اما امروزه با کمک گیرنده‌های دیجیتال دیگر خبری از این مشکلات نیست.
مزایا و معایب سیگنال آنالوگ و دیجیتال
تا این‌جا دانستیم که سیگنال دیجیتال نمونه‌ی پیشرفته‌ی سیگنال آنالوگ است و تمامی تجهیزات ما مثل تلفن همراه و کامپیوترها با سیگنال دیجیتال کار می‌کنند. اما سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال هر کدام کاربردهای مخصوص خود را دارند و هیچ کدام نمی‌توانند جای دیگری را بگیرند. دانستن مزایا و معایب سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال می‌تواند به ما در انتخاب صحیح تکنولوژی مورد نظر کمک کند.
مزایای سیگنال آنالوگ
- پردازش سیگنال آنالوگ آسان‌تر است.
- سیگنال‌های آنالوگ برای انتقال صدا و تصویر مناسب هستند.
- سیگنال‌های آنالوگ توانایی انتقال داده‌های بیشتری را دارند.
- سیگنال‌های آنالوگ از پهنای باند کمتری نسبت به سیگنال دیجیتال استفاده می‌کنند.
- سیگنال‌های آنالوگ می‌توانند تصویر دقیق‌تری از تغییرات مقدار پدیده‌های فیزیکی مانند دما، نور، دما، موقعیت و فشار ارائه می‌دهند.
- سیستم‌های مخابرات آنالوگ از حساسیت کمتری نسبت به تلورانس الکتریکی برخوردار هستند.
معایب سیگنال آنالوگ
- انتقال دیتا در مسافت‌های طولانی می‌تواند به ایجاد اغتشاشات ناخواسته در سیگنال منجر شود.
- سیگنال‌های آنالوگ مستعد از بین رفتن اطلاعات هستند.
- سیگنال‌های آنالوگ بیشتر از سیگنال‌های دیجیتال در معرض نویز و اغتشاش قرار دارند.
- سیگنال‌های آنالوگ از کیفیت کمتری نسبت به سیگنال‌های دیجیتال برخوردار هستند.
مزایای سیگنال دیجیتال
- سیگنال‌های دیجیتال می‌توانند اطلاعات را با نویز، اغتشاش و تداخل کمتری منتقل کنند.
- مدارهای دیجیتال را می‌توان به آسانی در تعداد زیاد و با قیمت کم بازتولید کرد.
- پردازش سیگنال‌های دیجیتال انعطاف بیشتری دارد به این خاطر که عملیات‌های پردازش سیگنال دیجیتال را می‌توان توسط سیستم‌های قابل برنامه نویسی انجام داد.
- پردازش سیگنال‌های دیجیتال امن‌تر است به این خاطر که اطلاعات دیجیتالی را می‌توان به آسانی کدگذاری و فشرده کرد.
- سیستم‌های دیجیتالی دقیق‌تر هستند، و احتمال بروز خطا را می‌توان به کمک کدهای تشخیص و رفع خطا کاهش داد.
- سیگنال‌های دیجیتالی را می‌توان به آسانی در هر محیط مغناطیسی یا نوری با کمک نیمه هادی‌ها ذخیره کرد.
- سیگنال‌های دیجیتال را می‌توان در مسافت‌های طولانی منتقل کرد.
معایب سیگنال دیجیتال
- برای انتقال اطلاعات از طریق سیگنال دیجیتال به پهنای باند بیشتری نسبت به سیگنال آنالوگ نیاز است.
- پردازش سیگنال‌های دیجیتالی نسبت به سیگنال‌های آنالوگ انرژی بیشتری مصرف می‌کند.
- سیستم‌های دیجیتالی نسبت به سیستم‌های آنالوگ پیچیده‌تر هستند.
شاید بزرگ‌ترین نتیجه‌‌ای که می‌توانیم در پایان بگیریم این است که سرعت پیشرفت تکنولوژی از آن‌چه تاکنون تصور می‌کردیم هم بیشتر است؛ در این مقاله خواندیم که در کمتر از ۱۵۰ سال چطور از اختراع لامپ به تکنولوژی سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال رسیدیم و این تازه آغاز راه است. سیگنال‌ها تا همین امروز منبع الهام و کشف دانشمندان بوده‌اند و حتی برند‌های تکنولوژی هم از این قاعده مستثنی نیستند. برای مثال، تصویر زیر لوگوی لپ‌تاپ وایو از سری لپ‌تاپ‌های شرکت سونی را نشان می‌دهد که از شکل موج سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال، و هم‌چنین زبان کامپیوترها یعنی صفر و یک الهام گرفته است.
تکنولوژی با سرعتی سرسام آور در حال تکامل و پیشرفت است، و این موضوع می‌تواند در عین جالب بودن ترسناک هم باشد! برای یک لحظه به دنیای علمی تخیلی فیلم‌هایی مثل ماتریکس یا جنگ ربات‌های غول پیکر فکر کنید تا متوجه نکته شوید! با وجود سرعت بالای تکامل پیشرفت علوم مبتنی بر سیگنال‌ها مانند هوش مصنوعی و ابر دیتا، شاید روزی برسد که این تصاویر تخیلی به واقعیت بپیوندند!
