アナログ信号の定義

信号と呼ばれる電磁または電流は、あるシステムまたはネットワークから別のシステムにデータを転送するために使用されます。電流のような他の形式を取ることもありますが、電子機器における信号は情報を運ぶ電磁波でもある時間的に変化する電圧である場合がよくあります。アナログ信号とデジタル信号は、電子機器で使われる信号の2つの主要な形式です。

アナログ信号は、時間的に変化する連続範囲内で可能な値の数が制限されており、通常は特定の範囲 (例えば、+12V〜-12V) に制限されています。ワイヤ上を流れる電気のようなアナログ信号は、媒体の特定の特性を利用して信号の情報を伝達します。電気信号の情報を表すために、信号の電圧、電流、周波数を変更できるかもしれません。光、音、温度、位置、圧力、その他の物理現象の変化に対する反応では、アナログ信号はしばしば計算された応答になります。

多くの工学システムや応用において、アナログ信号を用いた物理的な値の表現は基本的なものです。「アナログ」という言葉は「アナロジー」という言葉から来ており、アナログ信号は元の物理量を電気的に表現したものです。

図1 : アナログ信号

連続時間と連続値信号

アナログ信号は、時間と値の両方の連続的な性質がその特徴です。これらの2つの品質についてそれぞれ詳しく見てみましょう。

連続時間: アナログ信号は常に存在します (図1を参照)。例えば、電流が変化するにつれて、抵抗の両端の電圧は突然ではなく徐々に変化します。アナログ信号は連続的な特性により、時間変化量を正しく表現できます。

連続値: ある範囲内では、アナログ信号は任意の値を持つことができます。例えば、許容レベルの範囲に制限されるのではなく、音を表す電気信号の振幅は電源の限界の間の任意の値をとることができます。値が量子化されていない場合、これは無制限の分解能を意味します。

例 : 音波、アナログテレビ

音波: 音波は、最も理解しやすいアナログ信号の1つです。空気圧の連続的な変化は音波を生成します。これらの音波がマイクロフォンを介して電気信号に変換されるときに生じる電圧または電流は、振幅と時間の両方が絶えず変化する音のアナログ表現です。

アナログテレビ: 音声信号と視覚信号の両方が、代表的なアナログテレビでは連続したアナログ伝送として放送されます。搬送波の振幅や周波数の連続的な変化は、明るさや色の情報におけるビデオの変化を表す役割をします。

デジタル信号の定義

データを一連の離散数値として符号化する信号は、デジタル信号と呼ばれます。デジタル信号は、限られた範囲の可能な値から選択され、一度に1つの値しか持てません。デジタル信号の情報に対応する物理量は、次のいずれかになります。

• 可変電流または電圧
• 音圧
• 電磁場の位相または偏光
• 磁気記憶媒体の磁化

コンピュータハードウェアやデータ転送デバイスを含むすべてのデジタル電子機器はデジタル信号を採用しています。デジタル信号は、電圧対時間グラフにプロットされたときに限られた範囲の離散値を持つ場合があります (図2参照)。

前節で述べたアナログ信号と同等のデジタル信号として機能するデジタル信号の基本的な特性を理解することは、アナログ・デジタル変換の複雑さをより深く掘り下げていく上で重要です。

図2 : デジタル信号

離散時間信号と離散値信号

離散時間: デジタル信号は、連続した時間であるアナログ信号とは対照的に、正確な点で定義されます。離散時間を持つということは、すべてが離散的な間隔で定義されることを意味します。「サンプル」という用語は、信号に値が含まれる各イベントを指すことが多くあります。

離散値: デジタル信号は離散時間に加えて離散値を持っています。デジタル信号は限られた値しかとることができず、アナログ信号は特定の範囲内の任意の値をとることができます。これらの値は通常、デジタルシステムでは0や1のような2進数で表されます。

例: LTE伝送、デジタルオーディオ

LTE伝送: モバイル機器やデータ端末のための無線ブロードバンド通信の規格はロングタームエボリューション (LTE) と呼ばれます。LTE伝送ではデジタル信号を利用してバイナリデータを無線で伝送します。バイナリデータを表すために、これらのデジタル信号は搬送波の振幅、周波数、位相を変更します。例えば、搬送波の振幅と位相はLTEで使われている直交振幅変調 (QAM) でバイナリデータを表すように変更されます。

デジタルオーディオ: デジタル信号がどう使用されるかの良い実例はデジタルオーディオです。デジタル化は、アナログ音声信号をデジタル信号に変換するために使用される手順であり、マイクロフォンによって生成されるものも含まれます。これは、オーディオ信号を離散的にサンプリングし、すべてのサンプルを離散的な範囲の値に量子化することを意味します。そのノイズ耐性と操作の単純さのために、デジタルオーディオは現代の録音および再生システムの業界標準として地位を確立しています。

デジタル信号は、アナログ信号とは対照的に、それらが表す物理量を直接表していません。代わりに、それらは量を離散値の集合に量子化し、定期的な間隔でサンプリングすることによって作られる近似値です。しかし、デジタル信号はノイズ耐性が高く、より効果的に処理および保存できるため、現代のコンピューティングアプリケーションに適しています。アナログ信号とデジタル信号の相互作用とそれらの変換の重要性については、この章を進める中で説明します。

注: 実際の信号は不連続性を持たないので、本当のデジタルな信号は存在しません。実際にはアナログ信号しかありません。デジタル信号はFSK無線信号のようにデジタルデータを伝送する信号であり、アナログ信号はFMラジオ送信のようにアナログデータを伝送する信号です。

アナログシステムの利点と欠点

現代人の歴史のかなりの部分は、連続時間信号と連続値信号に基づくアナログシステムの使用に費やされてきました。現在ではデジタルシステムが一般的になっていますが、アナログシステムは多くのアプリケーションで重要な役割を果たしています。このセクションの目的は、アナログシステムの利点と欠点を明確にし、デジタルシステムへの切り替えが有益なことがよくある理由をより深く理解することです。

アナログシステムの利点

自然な表現: 多くの自然発生の連続的な性質のため、アナログ信号は物理的な値をより正確に表現することがよくあります。例えば、音波は基本的にアナログであるため、アナログオーディオシステムによって非常に正確に捕らえ、再現できます。

量子化ノイズなし: デジタルシステムで問題となる量子化ノイズは、アナログ信号が離散値に量子化されないため、アナログ信号には存在しません。

低レイテンシ: 遅延が発生する信号処理や変換プロセスがないため、アナログシステムはデジタルシステムよりもレイテンシが小さくなることがよくあります。

アナログシステムの欠点

ノイズに対する感受性: 信号は干渉やノイズに敏感です。これは増幅されたアナログ信号を送信する場合に特に問題となります。なぜなら、ノイズと信号の両方が大きくなるからです。

制限された信号処理: デジタルシステムと比較して、アナログシステムでの複雑な信号処理の実装はしばしばより困難で高価です。

保管と複製の難しさ: アナログ信号は劣化せずに長期間保存することが困難です。さらに、アナログ信号がコピーまたは再生されるたびに品質が失われます。

柔軟性と拡張性の欠如: アナログシステムは狭い範囲のアプリケーション向けに作られることが多いため、新しい作業に対応するのは難しい場合があります。加えて、アナログシステムのスケールアップ (例えば通信チャネルの数を増やすこと) は時間とコストがかかる可能性があります。

デジタルシステムの利点と欠点

デジタルシステムは、現代において、さまざまなアプリケーションや分野で主要なテクノロジーとして引き継がれてきました。デジタルシステムで使用される信号は離散的な時間と振幅の値を持っています。広く受け入れられているにもかかわらず、それらの長所と短所の両方を認識することが重要です。

デジタルシステムの利点

ノイズに対する耐性: アナログシステムと比較して、デジタルシステムはノイズに対してかなり耐性があります。デジタル信号は離散値 (しばしば0と1) から構成されているため、ノイズによって値が大きく変化しない限り、完全に回復することができます。伝送中に増幅されるアナログ信号とは異なり、デジタル信号は再生成されます。再生はノイズの拡散を防ぎ、デジタル信号の回復を可能にします。さらに、エラー訂正コードはエラー回復を提供し、エラー検出コードは送信中に発生したエラーを検出することができます。

信号処理と解析: 信号処理と解析のための現代的なアプローチはデジタルシステムに適用できます。これにより、フィルタ、フーリエ変換、様々なアルゴリズムを用いて信号を改善したり解析したりすることが、頻繁にリアルタイムで可能になります。

容易な保存と複製: デジタルデータは、品質を損なうことなくコンパクトに保存および複製できます。これは特にオーディオおよびビジュアルメディアに対して画期的であることを証明しました。

柔軟性と拡張性: ハードウェアを変更することなく、デジタルシステムは容易に再プログラム可能であり、多くのアプリケーションに適応できます。したがって、それらは拡張性があり、自然に適応可能です。

デジタルコンピューティングシステムとの統合: 現代のコンピュータはデジタル信号と自然に互換性があり、複雑なアプリケーションの統合と作成を容易にします。

デジタルシステムの欠点

量子化ノイズとエラー: 連続アナログ信号をデジタル信号に変換するプロセスは、デジタルシステムが離散信号レベルにしか対応しないため、量子化ノイズと不正確さを伴います。

潜在的なレイテンシ: デジタルシステムは特にアナログからデジタルへ信号を変換するときや高度な信号処理を必要とする状況でレイテンシを発生させる可能性があります。

消費電力: デジタルシステムは、アプリケーションによって、特に高速データを処理する場合、アナログシステムよりも多くの電力を使用する可能性があります。

磁界に対する感受性: 強い磁場は、ハードドライブなどの磁気メディアに保存されているデジタルデータを破壊する可能性があります。

ハイブリッドシステム (アナログとデジタルの組み合わせ)

アナログとデジタルの区別は必ずしも容易ではなく、実際にはエンジニアはアナログとデジタルを組み合わせたハイブリッドシステムを頻繁に使用します。本項では、ハイブリッドシステムのフレームワーク、機能、適用性を明らかにします。

ハイブリッドであるシステムは、アナログおよびデジタル部品を組み合わせたものです。例えば音波を表すアナログ電気信号は、処理または保存のためにデジタル形式に変換され、再生のためにアナログ信号に戻ることができます。この手順では、デジタルアナログコンバータ (DAC) とアナログデジタルコンバータ (ADC) の両方を使用します。

システムに統合されたアナログおよびデジタル部品は、両方の技術の利点を利用して、次のことを行うことができます。

ノイズ耐性の向上: 処理チェーンの初期段階では、アナログ信号をデジタル形式に変換することができ、システムはノイズに強い方法で将来の処理を実行可能になります。

高度な処理機能: ハイブリッドシステムのデジタル部品は、信号増幅、フィルタリング、分析のための高度なアルゴリズムを実行することができます。

正確な制御とキャリブレーション: 純粋なアナログ部品では、微細な制御やキャリブレーションを達成することは困難または不可能ですが、ハイブリッドシステムではデジタル処理を使用することでそれを行うことが可能になります。

柔軟な導入: ハイブリッドシステムは、マイクロコントローラとデジタル信号プロセッサ (DSP) を使用することで、ハードウェアを変更することなく、ソフトウェアの更新によって迅速に変更および再構成が可能です。

ハイブリッドシステムの例

デジタルオシロスコープ: デジタル領域での信号処理はデジタルオシロスコープによって行われます。オシロスコープの入力はアナログ信号をデジタル表現に変換します。信号はその後、分析のために洗練されたデジタル処理アルゴリズムにかけられ、その後、アナログ形式で画面に頻繁に表示されます。

ソフトウェア定義無線 (SDR): これらのガジェットは、アナログ電波信号を受信し、それらをデジタル化してから、さまざまな変調タイプをデコードするためにそれらを処理することができます。さらに、デジタル信号を取得してアナログに変換し、搬送波に変調して送信することができます。アナログ部品とデジタル部品はSDRで結合されます。デジタルハードウェアは、以前はアナログハードウェアで実装されていた無線機能 (フィルタ、検出器など) を実装するために使用されます。ハードウェアはSDRの機能を制約しません。代わりに、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせが機能を制御します。ソフトウェアの新しいバージョンでは、パフォーマンスの向上と追加機能を提供します。

デジタルオーディオワークステーション (DAW): DAWでの編集、ミキシング、エフェクト処理のために、アナログオーディオ信号はマイクを使用してキャプチャされ、デジタル形式に変換されます。すべての編集が終了したら、信号をアナログに変換して再生することができます。

通信システム: ハイブリッド技術は現代の多くの通信システムで使用されています。通信媒体はアナログフロントエンドを介してインタフェースされ、変調と符号化はデジタル処理されます。