Zaloguj się
Wszystkie
20 stycznia 2026
46
Cyfrowe kontra analogowe
Cyfrowe przetwarzanie i obróbka analogowych sygnałów elektronicznych oferują wiele istotnych zalet. Przede wszystkim sygnał, od momentu gdy występuje w postaci cyfrowej, może być przesyłany i kopiowany w zasadzie bez ograniczeń, bez jakiejkolwiek utraty jakości. Kody cyfrowe nie są bowiem podatne na szumy i zniekształcenia, z których słyną analogowe systemy transmisji i odtwarzania.
Po drugie, na kodach cyfrowych można wykonywać złożone algorytmy matematyczne, co umożliwia przetwarzanie danych na najrozmaitsze, często bardzo nietypowe sposoby. Przykładowo, w sposób całkowicie cyfrowy można podzielić pełne pasmo audio od 20 Hz do 20 kHz na bardzo strome i wąskie podzakresy częstotliwości, a następnie w każdym z nich realizować różnego rodzaju operacje obróbki sygnału. Później, ponownie w domenie cyfrowej, wąskie podzakresy można złożyć z powrotem w jedno szerokie pasmo audio. Tego rodzaju technik nie da się zrealizować za pomocą tradycyjnych układów analogowych.
Transformacje, które w elektronice analogowej są niewykonalne lub możliwe do wykonania jedynie z dużym nakładem pracy, w technice cyfrowej mogą być realizowane szybko i z dużą dokładnością. Złożone obliczenia są przy tym wykonywane przez procesory z bardzo dużą prędkością.
Zjawiska fizyczne są z natury analogowe
Większość sygnałów elektronicznych stanowi reprezentację zjawisk fizycznych i z tego powodu nie są to sygnały cyfrowe, lecz analogowe. Jako przykład można podać dźwięk. Powstaje on wówczas, gdy źródło – na przykład instrument muzyczny – powoduje sprężanie cząsteczek powietrza, a następnie ich rozprężanie. Powstała fala ciśnienia rozchodzi się w powietrzu i w innym miejscu wprawia w drgania błonę bębenkową słuchacza.
Za pomocą mikrofonu zjawiska te można bardzo dokładnie przekształcić w elektryczne napięcia zmienne. Napięcia te mają charakter analogowy, co oznacza, że ich chwilowa wartość może przyjmować dowolną wartość pomiędzy pewnym minimum a maksimum. Na wykresie przedstawionym na poniższym rysunku, w górnej części, pokazano sygnał analogowy (czerwona krzywa). Z wykresu tego, który przedstawia przebieg napięcia w funkcji czasu, jednoznacznie wynika, że sygnał ten może przyjmować dowolną wartość pomiędzy dwiema granicami.
Od analogu do cyfry poprzez próbkowanie (sampling)
Sygnał analogowy jest przekształcany w kody cyfrowe. Odbywa się to za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Taki układ w określonych chwilach czasu pobiera z sygnału analogowego „próbki” (ang. samples). Chwilowa wartość analogowa każdej z tych próbek zostaje następnie zamieniona na kod cyfrowy, którego postać stanowi miarę wielkości sygnału analogowego w danym momencie.
Próbkowanie czy kwantyzacja
Proces ten nazywa się „próbkowaniem sygnału analogowego” albo „kwantyzacją”. Jest on sterowany sygnałem zegarowym, który określa, ile próbek pobieranych jest w ciągu sekundy.
Przypis redaktora: Proces przekształcania sygnału analogowego do postaci cyfrowej obejmuje dwa odrębne etapy: próbkowanie (pobieranie próbek w dyskretnych chwilach czasu) oraz kwantyzację (przypisanie każdej próbce jednej z dyskretnych wartości amplitudy, a następnie jej zakodowanie). Częstotliwość zegara określa, jak często wykonywane jest próbkowanie (ile próbek na sekundę). Autor najpewniej stosuje skrót myślowy, wedle którego próbkowanie jest oczywistym krokiem poprzedzającym kwantyzację.
Kwantyzacja jest techniką o fundamentalnym znaczeniu: fotografie, muzyka oraz wideo są obecnie niemal wyłącznie przesyłane i przetwarzane w postaci cyfrowej.
Od cyfry do analogu
Jeżeli zapisane próbki cyfrowe mają zostać ponownie przekształcone w sygnał analogowy, konieczne jest zastosowanie przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC). Układ ten zamienia kody cyfrowe z powrotem na sygnał analogowy.
System podstawowy
Podstawowy system cyfrowego przetwarzania sygnałów analogowych przedstawiono na poniższym rysunku. W zaprezentowanym przykładzie system ten służy do opóźniania sygnału analogowego o określony czas.
Sygnał wejściowy jest za pomocą przetwornika ADC zamieniany na zestaw kodów cyfrowych od Qa do Qd. Chwilowa postać tych kodów stanowi miarę chwilowej wartości sygnału analogowego. Należy przy tym zaznaczyć, że pokazanej postaci kodów nie należy przypisywać żadnego szczególnego znaczenia – jest to jedynie przykład mający na celu zilustrowanie zasady działania.
Przekształcanie sygnału analogowego w kody cyfrowe nie odbywa się w sposób losowy, lecz w regularnych odstępach czasu Δt. Sygnały cyfrowe (w tym prostym przykładzie cztery) są następnie poddawane cyfrowemu przetwarzaniu. W omawianym przypadku cztery sygnały cyfrowe trafiają do cyfrowego układu opóźniającego.
Gdy dane są ponownie potrzebne, są one odczytywane z systemu cyfrowego w rytmie tego samego zegara. Sygnały wyjściowe Qe do Qh zostają następnie przekształcone w przetworniku DAC z powrotem w sygnał analogowy. Sygnał ten nazywany jest odzyskanym sygnałem analogowym.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
