سیگنال چیست و سیگنال آنالوگ با سیگنال دیجیتال چه تفاوتی دارد؟

سیگنال چیست؟

سیگنال جریانی الکتریکی یا میدانی الکترومغناطیسی است که داده‌ها را از نقطه‌ای به نقطه‌ دیگر حمل  می‌کند. سیگنال‌‌ها یا آنالوگ هستند و یا دیجیتال. یکی از تفاوت‌های مهم سیگنال آنالوگ و سیگنال دیجیتال شکل موج آن‌هاست. شکل موج سیگنال آنالوگ، پیوسته‌ و اصطلاحا سینوسی است و نسبت به زمان تغییر می‌کند. اما سیگنال دیجیتال، ‌شکل موج مربعی و ناپیوسته‌ای دارد و هر نقطه از آن در هر لحظه فقط یکی از دو مقدار عددی صفر یا یک را نشان می‌دهد.

سیگنال آنالوگ با سیگنال دیجیتال چه تفاوتی دارد؟

در فناوری آنالوگ، موج به‌شکل اصلی خود ذخیره یا بازیابی می‌شود. به‌عبارت دیگر، گویی موج کپی یا نسخه‌ای (analogous) از خود سیگنال است. اما در فناوری دیجیتال، از موج آنالوگ در فواصل زمانی مشخص، الگوبرداری و آن الگو به‌ فرمت رقمی (digital) تبدیل می‌شود.

مثلا علت این‌که دوربین‌های عکاسی فیلم‌خور قدیمی را گاهی دوربین آنالوگ می‌نامیدند این بود که هر نقطه روی فیلم عکاسی متناظر با نقطه‌ای از منظره مقابل لنز بود که پرتو نور از آن به روی فیلم ‌می‌تابید. اما در دوربین‌های دیجیتال، نور که در اصل موج الکترومغناطیسی است، به فرمت دودویی یعنی به صفر و یک‌های دیجیتال ترجمه و روی بیت‌های حافظه دوربین ذخیره می‌شود.

شکل 1. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)، سیگنال آنالوگ دریافتی از میکروفن را به فرمت دیجیتال تبدیل می‌کند و آن را به سامانه دیجیتال (مثلا رایانه) می‌فرستد. در آن‌جا می‌توان تغییرات لازم را روی سیگنال صوتی اعمال کرد. اما برای این‌که بلندگو که دستگاهی آنالوگ است، بتواند صدا را پخش کند، باید سیگنال دیجیتال را با مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) به فرمت آنالوگ تبدیل کرد.

ویژگی‌هایی سیگنال آنالوگ

سیگنال آنالوگ شکل موج پیوسته‌ای است که نسبت به زمان تغییر می‌کند. برای درک بهتر این موضوع صداهای طبیعی را در نظر بگیرید که به‌شکل موج‌های پیوسته در هوا منتشر می‌شوند. آنچه صدا می‌نامیدش در واقع حرکت نوسانی هواست و نوع آن بسته به حجم یا دامنه صدا و نیز زیر و بم آن تغییر می‌کند. سیگنال‌های آنالوگ را می‌توان به دو دسته ساده و مرکب تقسیم کرد. سیگنال آنالوگ ساده موجی سینوسی و غیر قابل تجزیه است. اما سیگنال آنالوگ مرکب را می‌توان به چند موج سینوسی ساده تجزیه کرد که هر یک دامنه، دوره تناوب، بسامد (فرکانس) و فاز متفاوتی دارند. دامنه، دوره تناوب، بسامد و فاز در واقع شاخص‌هایی هستند که هویت سیگنال آنالوگ را تعریف می‌کنند.

شکل 2. سیگنال آنالوگ شکل موجی پیوسته دارد. 

دامنه (Amplitude) سیگنال آنالوگ

وقتی نمودار شکل‌ موج سیگنال آنالوگ را ترسیم می‌کنید، منظور از دامنه سیگنال، فاصله مرتفع‌ترین نقطه موج تا نقطه تعادل موج (نقطه صفر روی محور) است. واحد دامنه به نوع سیگنال بستگی دارد. در سیگنال‌های الکتریکی این واحد عموما ولت، آمپر یا وات است.

دوره تناوب (Period) و بسامد یا فرکانس (Frequency) سیگنال آنالوگ

منظور از دوره تناوب، مدت زمانی است که طی آن یک چرخه یا سیکل سیگنال آنالوگ کامل می‌شود. چرخه یا سیکل موج، الگوی مشخصی است که در صورت تداوم یافتن موج، تکرار می‌شود (به شکل 3 توجه کنید). دور تناوب بر حسب ثانیه محاسبه می‌شود. بسامد یا فرکانس، تعداد چرخه‌ها (یا دوره‌های تناوب موج) در هر ثانیه است. از نظر ریاضی بسامد و دوره تناوب با هم نسبت عکس دارند، یعنی:

فرکانس = معکوس دوره تناوب

دوره تناوب = معکوس فرکانس

شکل 3. در تصویر فوق، یک چرخه یا سیکل کامل در یک‌ششم ثانیه اتفاق می‌افتد (دوره تناوب سیگنال). پس در هر ثانیه چرخه شش بار تکرار می‌شود. درنتیجه، بسامد یا فرکانس سیگنال 6 هرتز است.

هرچه تعداد سیکل‌های موج در واحد زمان بیشتر باشد بدین معناست که فرکانس موج بالاتر (high frequency) و هرچه تعداد سیکل‌ها در واحد زمان کمتر باشد، فرکانس موج پایین‌تر (low frequency) است.

واحد محاسبه فرکانس، هرتز است که به‌ افتخار رودلف هرتز، فیزیکدان آلمانی، چنین نام‌گذاری شده است. بسامد یا فرکانس سیگنال را می‌توان برحسب هرتز، کیلوهرتز، مگاهرتز، گیگاهرتز و تراهرتز سنجید.

فاز (Phase) سیگنال آنالوگ

آن‌مقدار از چرخه یا سیکل موج که نسبت به مبدا زمان سپری شده است را فاز موج می‌گویند؛ یعنی اگر موج را شی‌ای فیزیکی تصور کنید که در راستای محور زمان به جلو یا عقب می‌رود، فاز مقدار جابه‌جایی اولین سیکل آن است. فاز را برحسب درجه یا رادیان می‌سنجند (360 درجه برابر π2 رادیان است.)

باتوجه به آن‌چه گفته شد، سیگنال‌های آنالوگ مستعد نویز هستند و ممکن است دچار اعواج شوند یا کیفیت‌شان حین انتقال از مبدا به مقصد کاهش یابد.

ویژگی‌هایی سیگنال دیجیتال

سیگنال‌های دیجیتال برخلاف سیگنال‌های آنالوگ، شکل موج ناپیوسته‌ای دارند. سیگنال‌ دیجیتال اطلاعات را با فرمت باینری یا دودویی یعنی به‌صورت صفر و یک‌ حمل می‌کند. برای نشان دادن سیگنال‌های دیجیتال از قالب بیت‌ (bit) استفاده می‌شود. بیت را می‌توان کوچک‌ترین واحد یا سلول سیستم‌های دیجیتال قلمداد کرد. هر بیت در هر لحظه یا می‌تواند صفر و یا یک باشد.

شکل 4. سیگنال دیجیتال شکل موجی ناپیوسته دارد. 

سیگنال دیجیتال با نرخ بیت‌ها (bit rates) و مدت زمان ارسال بیت‌ (bit interval) تعریف می‌شود:

مدت زمان ارسال بیت (bit interval) سیگنال دیجیتال

مدت زمان ارسال بیت (bit interval) زمان مورد نیاز برای ارسال هر بیت را گویند.

نرخ بیت (bit rate) سیگنال دیجیتال

نرخ بیت (bit rate) تعداد بیت‌هایی که در واحد زمان (مثلا در هر ثانیه) ارسال می‌شوند را ‌گویند.

مفهوم مقادیر صفر و یک در سامانه‌های دیجیتال بسته به خود آن سامانه تعریف می‌شود. مثلا ممکن است در یک سیستم دیجیتال، فقدان ولتاژ را با مقدار عددی صفر و وجود ولتاژ را با مقدار عددی یک، و در سیستمی دیگر، ولتاژ منفی را با صفر و ولتاژ مثبت را با یک نشان دهند (مانند شکل 3).

شکل 5. در سامانه‌های دیجیتال، مفهوم صفر و یک به تعریف طراحان سیستم بستگی دارد. مثلا در این موج دیجیتال، منظور از صفر، ولتاژ منفی 5 و منظور از یک، ولتاژ مثبت 5 است.

برخی از مزایا و معایب سیگنال‌های آنالوگ

سیگنال آنالوگ به داده‌های اصلی وفادارتر است و مقادیر عددی بی‌شماری می‌پذیرد. ضمنا پردازش سیگنال‌های آنالوگ آسان‌تر است. اما در عوض، سیگنال‌های آنالوگ مستعد نویز هستند و ممکن است دچار اعواج شوند یا کیفیت‌شان حین انتقال از مبدا به مقصد کاهش یابد.

برخی از مزایا و معایب سیگنال‌های دیجیتال

سیگنال دیجیتال کمتر از سیگنال آنالوگ دچار نویز و درنتیجه اعواج می‌شود. انتقال سیگنال‌های دیجیتال راحت‌تر و اصلاح آن‌ها در صورتی که مخدوش شده باشند تا حد زیادی امکان‌پذیر است. ضمنا چون می‌توان سیگنال‌های دیجیتال را رمزنگاری کرد، امنیت بیشتری دارند. در عوض، شبکه‌های ارتباطی دیجیتال به پهنای باند بیشتری نیاز دارند؛ ضمن این‌که سامانه‌های دیجیتال پیچیده‌تر و پرهزینه‌ترند و معمولا برق بیشتری مصرف می‌کنند.

جدول مقایسه سریع سیگنال آنالوگ با سیگنال دیجیتال