דיגיטלי ואנלוגי

דיגיטלי ואנלוגי (בעברית: ספרתי ותקבילי) הם תכונות של אותות או סדרת התרחשויות. המושגים משמשים רבות בתחומי האלקטרוניקה והמחשוב.

ייצוג אנלוגי של אות יכול לקבל רצף של ערכים, כלומר מספר ערכים אין סופי. מקור המושג בהתקנים אנלוגיים העוקבים אחרי מהלכם של אירועים ושל גדלים פיזיקליים ממשיים (כמו תנועה, קול או טמפרטורה) ומבטאים אותם בצורה פלט אשר מקביל ("אנלוגי") לאירוע עצמו. בהתקנים כאלו הייצוג האנלוגי מבטא על פי רוב פעולה שהיא גם מתמשכת ורציפה. במקרה זה, האות האנלוגי הוא אות רציף, כלומר יש לו ערך בכל נקודה בזמן ומספר הערכים שהוא יכול לקבל אינו סופי.

לעומתו, אות דיגיטלי הוא אות שיכול לקבל מספר סופי של ערכים. דוגמה לכך היא ההבדל בין מחוג הדקות בשעון אנלוגי – היכול להיות בכל אחד מאינסוף המקומות שבין השנתות הסמוכות – לבין שעון דיגיטלי, אשר יכול להראות רק 60 ערכים שונים בחיווי הדקות שלו. במערכות דיגיטליות רבות אות דיגיטלי הוא גם אות "בדיד", הנוצר מדגימת נקודות מסוימות בזמן.

למעשה, התקן פיזיקלי קלאסי יהיה תמיד אנלוגי והגדלים הנמדדים בו יוכלו לקבל רצף של ערכים. הייצוג הדיגיטלי הוא למעשה רק קירוב המאפשר עבודה נוחה. כך, למשל, נוח לומר על נורת להט שיש לה שני מצבים – דולקת או כבויה; כאשר למעשה מתאפשר רצף של עוצמות תאורה בהתאם למתח על הנורה.

דוגמאות

טיונר במקלט רדיו

מקלטי רדיו ישנים או פשוטים משתמשים בטיונר אנלוגי (Tuner, ההתקן שבאמצעותו מכוונים את המקלט לתחנות הרדיו השונות). בדרך-כלל מדובר בחוגה אותה יש לסובב עד שמגיעים לתחנה הרצויה. סיבוב החוגה, מטבעו, רציף; באופן תאורטי ניתן לסובב אותה 20 מעלות, 2 מעלות, 0.2 מעלות, וכו'; חלוקת המרווחים האפשריים בין הערכים היא אינסופית.

מקלטי רדיו חדשים ומשוכללים יותר מצוידים בטיונר דיגיטלי. הלה מצויד בדרך-כלל בלחצנים; לחיצה אחת על הלחצן מעבירה את תדר הרדיו בערך קבוע ומדויק (0.1 מגהרץ, לדוגמה). לפיכך, המרווח בין הערכים האפשריים בטיונר דיגיטלי הוא מוגדר וקבוע; כיוון התדרים בטיונר דיגיטלי אינו רציף.

לעיתים, מטעמי עיצוב ונוחות, ייתכן שאף טיונר דיגיטלי יהיה מצויד בחוגה ולא בלחצנים. אף על פי שסיבוב החוגה עדיין רציף מטבעו, זה לא הופך את הטיונר לאנלוגי. החוגה מתוכננת כך שיש לסובבה מספר מעלות מינימלי כדי לגרום לשינוי בתדר. סיבוב של 5 מעלות, לדוגמה, מביא לשינוי של 0.1 מגהרץ. לפיכך, זהו טיונר דיגיטלי, למרות ממשק משתמש דמוי-אנלוגי.

בדומה לטיונר, מכשירי רדיו וטלוויזיה ומגברי סטריאו יכולים להיות מצוידים בהתקן הגברת קול ("ווליום") דיגיטלי או אנלוגי, וכן בהתקנים דומים לשינוי תכונות נוספות של הצליל: טרבל (Treble, קולות גבוהים), בס (Bass, קולות נמוכים), באלאנס (Balance, חלוקת הצליל בין שני הרמקולים במערכת סטריאו).

שעון

שעון אנלוגי

שעון דיגיטלי

שעונים יכולים להיות דיגיטליים או אנלוגיים. כל שעון שבו השעה מוצגת באמצעות ספרות אלקטרוניות על-גבי צג דיגיטלי מטבעו; המרווח המינימלי בין הזמנים השונים (בדרך-כלל: שנייה אחת) קבוע ובלתי-רציף. שעון דיגיטלי לא מסוגל, למשל, להציג את השעה 12:04:05.5 (כלומר, חמש שניות וחצי).

שעונים בעלי מחוגים מוגדרים כשעונים אנלוגיים, אך הגדרה זו אינה מדויקת תמיד. ברוב שעוני המחוגים נע מחוג השניות רק בכל שנייה עגולה, כך שהערכים התקפים הם רק סט סופי של ערכים, שהשעון מורה כאשר מחוג השניות אינו זז. העובדה שרק סט סופי של ערכים הוא תקף, הופכת את השעון בעצם לדיגיטלי, אף על פי שהמחוג עובר בסט אינסופי של נקודות. בשעוני מחוגים אחרים, לעומת זאת, נע מחוג השניות באופן רציף, ולא ניתן למדוד את המרווח המינימלי בין השעות שהוא מציג; אלו הם שעונים אנלוגיים במלוא מובן המילה.

בדוגמת השעונים יש להבחין, אם כן, בין המנגנון לבין התצוגה, שכל אחד מהם יכול להיות דיגיטלי או אנלוגי.

אמצעים לאחסון מידע

בתחום האמצעים לאחסון מידע לדוגמה, סורק הופך מידע חזותי אנלוגי לקובץ תמונה דיגיטלי. תקליטים, סרטי קול וקלטות שמע אנלוגיים, ואילו תקליטורי קומפקט דיסק דיגיטליים. סרט הקולנוע (פילם) סרט הווידאו או קלטות VHS אנלוגיים ואילו DVD ו-Blu-ray דיגיטליים. מערכת השמיעה האנושית אנלוגית; טווח הצלילים אותם אנו מסוגלים לשמוע רציף. על פי תורת הדגימה (עיבוד אותות), המרווח המינימלי בין הצלילים בהתקני השמע הדיגיטליים כה קטן, עד כי כמעט ולא ניתן לזהות הבדל בין הצליל הדיגיטלי והאנלוגי; נושא זה שנוי במחלוקת ויש הטוענים כי במדיה אנלוגית כגון תקליטים ניתן להפיק צליל "חם" יותר מזה הבוקע ממדיה דיגיטלית, דוגמת תקליטור.

מחשב

המחשבים הם המכשירים הידועים ביותר שפועלים באופן דיגיטלי. ה"דיגיטליות" בנויה בתוכם: המעבדים, זיכרון ה-RAM ורוב רכיבי המחשב האחרים מורכבים ממיליוני רכיבים אלקטרונים זעירים; יחידות אלו יכולות להיות במתח גבוה (מצב המוגדר כ-"1") או מתח נמוך (מצב "0"). זוהי מהותה של השיטה הבינארית, המאפיינת את המחשב. שיטה זו דיגיטלית מטבעה.

היות שמחשבים מתקשרים לעיתים קרובות עם העולם החיצון, הכולל התקנים אנלוגיים רבים, הומצאו מכשירים רבים הממירים אותות אנלוגיים לדיגיטליים, ולהפך. המכשיר הידוע ביותר בקטגוריה זו הוא המודם, הממיר אותות טלפון אנלוגיים לאותות מחשב דיגיטליים ולהפך. גם כרטיס הקול ממיר אות אנלוגי (קול) לאות דיגיטלי (הצורה שבה הקול מאוחסן במחשב) ולהפך.

בראשית ימי המחשוב פעלו גם מחשבים אנלוגיים, למטרות ספציפיות. אלה נדחקו על ידי המחשבים הדיגיטליים.

תקליטון ודיסק און קי הם אמצעי אחסון מידע כלשהו דיגיטליים.

תצוגת תמונה

הכרטיס הגרפי שבמחשב הוא דיגיטלי, וזאת בניגוד לרוב מקלטי הטלוויזיה, שהם אנלוגיים. המחשב מסוגל לתת אך ורק הוראות מדויקות לרכיב הגרפי בנוגע לצבע שאותו יש להציג בכל נקודה (פיקסל) על-גבי המסך. לכל צבע קיים ערך מספרי מוגדר, והמרווח (או ההבדל) המינימלי בין הצבעים השונים קבוע ובלתי-רציף. למרות זאת, במסכים הנוכחיים המרווח זעיר ביותר, ואינו רחוק מיכולת הפרדת הצבעים של העין האנושית, כך שתמונות המוצגות על-גבי צגי מחשב נראות רציפות ו"אמיתיות". במחשבים הישנים יותר כרטיס הגרפי היווה בעצם ממיר בין התמונה הדיגיטלית שהמחשב מייצר לבין הצג העובד בשיטה אנלוגית, כיום יותר נפוצים כרטיסים גרפים עם חיבור דיגיטלי שתומכים בצגים דיגיטליים, בצורה זו התמונה הדיגיטלית עוברת ישירות מהמחשב למסך.

מכשירי טלוויזיה פועלים בשיטה שונה; האות שהם מקבלים דרך האנטנה אנלוגי, ובהתאם לכך התמונה המוצגת. החל מסוף שנות ה-90 קיימות גם טלוויזיות בעלות תצוגה דיגיטלית.

המרה בין סוגי האותות

תהליך המרה של אותות אנלוגיים לאותות דיגיטליים ושוב לאותות אנלוגיים

אות אנלוגי (למעלה) מומר לאות דיגיטלי (באמצע) ובחזרה לאות אנלוגי בעל שגיאת כימות (למטה).

את האותות האנלוגיים והדיגיטליים ניתן להמיר מסוג אחד לשני. המרת אותות לייצוג דיגיטלי נקראת לרוב "דגימה", והמרת האותות לייצוג אנלוגי נקראת לרוב "שחזור". תורת הדגימה היא התחום המדעי העוסק במגבלות ודרישות ממערכות המבצעות דגימה של אותות וסינתזה שלהם. המשפט המרכזי של תורת הדגימה הוא משפט הדגימה של שנון-נייקוויסט, שאומר שיש לדגום בתדר שהוא לפחות פי 2 מתדר השידור על מנת להימנע משגיאות. תדר זה נקרא לרוב תדר נייקוויסט.

ממיר אנלוגי לדיגיטלי

ערך מורחב – ADC

דגימה הוא התהליך שבו ממירים אות אנלוגי ("פיזיקלי" ורציף) לאות דיגיטלי (ספרתי ובדיד).

ADC הן ראשי התיבות של Analog-to-Digital Converter, נקרא גם: A/D או A to D, או ממיר אנלוגי לדיגיטלי, הוא התקן אלקטרוני המבצע המרה של אות אנלוגי כמו קול שנקלט על ידי מיקרופון לאות דיגיטלי.

ההמרה כרוכה בכימות (קוונטיזציה) של המידע הנכנס ולכן בהכרח הוא מוסיף אלמנט של שגיאה, הנקראת שגיאת כימות, והיא אחד מהסוגים של שגיאת קירוב. בנוסף, במקום לבצע המרה בצורה רציפה, ADC מבצע המרה מחזורית, כשהוא דוגם את האות הנכנס. התוצאה היא רצף ערכים מספריים אשר הומרו מאות אנלוגי, רציף בזמן ובאמפליטודה, לאות דיגיטלי, עם זמן ואמפליטודה דיסקרטיים.

ממיר דיגיטלי לאנלוגי

ערך מורחב – DAC

תהליך שחזור, ולעיתים גם תהליך "פריסה", הוא התהליך שבו ממירים אות דיגיטלי לאות אנלוגי שהוא אות רציף, אשר יכול למשל לייצג תופעה פיזיקלית.

DAC הן ראשי תיבות של Digital-to-Analog Converter, נקרא גם: D/A או D to A, או ממיר דיגיטלי לאנלוגי. זהו מכשיר הממיר מידע דיגיטלי, בדרך כלל בינארי, לאות אנלוגי (לדוגמה מתח או זרם). בשונה מאותות אנלוגיים, מידע דיגיטלי ניתן לטיפול, עריכה או אחסון ללא שינוי או איבוד נתונים, אולם לפעמים בעזרת מכשור יותר מורכב ויקר. למרות זאת, DAC נדרש כאשר רוצים להפוך מידע דיגיטלי לאות אנלוגי, כדוגמת אות שמע שמוזן לאוזנית, או מגבר כדי להפיק צליל.

ראו גם

• זמן בדיד וזמן רציף
• עיבוד אותות ספרתי