アナログ信号 vs. デジタル信号

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 図1: アナログ信号

デジタル信号

デジタル信号は、データを離散値のシーケンスとして表す信号です。デジタル信号は、特定の時間に可能な値の有限セットから1つの値のみを取ることができます。デジタル信号の場合、情報を表す物理量は次のようになります。

• 可変電流または電圧
• 電磁界の位相または分極
• 音圧
• 磁気記憶媒体の磁化

デジタル信号は、コンピューティング機器やデータ伝送デバイスを含むすべてのデジタル電子機器で使用されています。電圧対時間のグラフにプロットすると、デジタル信号は2つの値のいずれかであり、通常は0VとVCC (通常は1.8V、3.3V、または5V) の間にあります (図2を参照) 。

アナログエレクトロニクス

基本的な電子部品のほとんど (抵抗、コンデンサ、インダクタ、ダイオード、トランジスタ、およびオペアンプ) は、すべて本質的にアナログ部品です。これらの部品を組み合わせて構築された回路は、アナログ回路です (図3を参照) 。　

図3: アナログ回路

アナログ回路は、複数の部品を備えた複雑な設計にすることも、分圧器を形成する2つの抵抗などの単純なものにすることもできます。通常、アナログ回路は、同じタスクを実行するデジタル回路よりも設計が困難です。アナログ無線受信機またはアナログ充電器を設計するには、アナログ回路に精通した設計者が必要です。これらの設計を簡素化するためにデジタル部品が採用されています。

アナログ回路は通常、ノイズの影響を受けやすく、「ノイズ」とは電圧の小さな望ましくない変動です。アナログ信号の電圧レベルのわずかな変化は、処理時に重大なエラーを引き起こす可能性があります。

アナログ信号は、一般的に、連続信号を使用して音声、データ、画像、信号、またはビデオ情報を伝達する通信システムで使用されています。アナログ伝送には2つの基本的な種類があり、どちらも入力信号とキャリア信号を組み合わせるためにデータをどのように適合させるかに基づいています。2つの手法は、振幅変調と周波数変調です。振幅変調 (AM) は、搬送波信号の振幅を調整します。周波数変調 (FM) は、キャリア信号の周波数を調整します。アナログ伝送は、多くの方法で実現できます。

1. ツイストペアまたは同軸ケーブルを介して
2. 光ファイバケーブルを介して
3. ラジオを通して
4. 水を通して

人体が目と耳を使用して感覚情報をキャプチャするのと同じように、アナログ回路はこれらの方法論を使用して実世界とインタフェースし、電子機器でこれらの信号を正確にキャプチャして処理します。

MPSは、小さな1.5mm x 2mmのQFNパッケージで低IQ同期降圧コンバータであるMP2322など、さまざまなアナログICおよび部品を製造しています。

デジタルエレクトロニクス

デジタル回路は、論理ゲートやより複雑なデジタルICなどの部品を実装します。このようなICは、ピンが伸びている長方形で表されます (図4を参照) 。

図4: デジタル回路

デジタル回路は一般的にバイナリ方式を使用します。データ値は2つの状態 (0と1) で表されますが、より大きな値はバイナリビットのグループで表すことができます。たとえば、1ビットシステムでは、0はデータ値0を表し、1はデータ値1を表します。ただし、2ビットシステムでは、00は0を表し、01は1を表し、10は2を表し、11は3を表します。8ビットと16ビットシステムでは、表現できる最大数は256と65,536です。これらのビットのグループは、連続するビットのシーケンスまたはパラレルバスのいずれかとしてキャプチャできます。これにより、大量のデータストリームを簡単に処理できます。

アナログ回路とは異なり、最も有用なデジタル回路は同期です。つまり、回路ブロックの動作を統合するための基準クロックがあるため、予測可能な方法で動作します。アナログ電子機器は非同期で動作します。つまり、入力に到達した信号を処理します。

ほとんどのデジタル回路は、デジタルプロセッサを使用してデータを操作します。これは、単純なマイクロコントローラ (MCU) またはより複雑なデジタルシグナルプロセッサ (DSP) の形式で、ビデオなどのデータの大規模なストリームをフィルタ処理および操作できます。

デジタル信号は、デジタル伝送がポイントツーポイントまたはポイントツーマルチポイント伝送チャネル (銅線、光ファイバー、無線通信メディア、ストレージメディア、コンピューターバスなど) を介してデータを転送できる通信システムで一般的に使用されます。転送可能なデータは、マイクロ波、電波、電圧、赤外線信号などの電磁信号として表されます。

一般に、デジタル回路は設計が簡単ですが、同じタスクを目的としたアナログ回路よりもコストがかかることがよくあります。

MPSのデジタルIC部品のカタログにはMP2886Aが含まれていますが、これはNVIDIAのオープンVREG仕様と互換性のあるPWM-VIDインタフェースを備えたデジタル多相PWMコントローラです。

アナログ-デジタル(ADC)およびデジタル-アナログ(DAC)信号変換

多くのシステムは、アナログ信号とデジタル信号の両方を処理する必要があります。多くの通信システムでは、情報を送受信するための伝送媒体のインタフェースとして機能するアナログ信号を使用するのが一般的です。これらのアナログ信号はデジタル信号に変換され、情報をフィルタリング、処理、保存します。

図5は、RFアナログフロントエンド (AFE) が、アナログ信号を増幅、フィルタリング、および取得するためにすべてアナログブロックで構成される一般的なアーキテクチャを示しています。一方、デジタルシグナルプロセッサ (DSP) セクションは、情報をフィルタリングして処理します。アナログサブシステムから受信パス (RX) のデジタルサブシステムに信号を変換するには、A/Dコンバータ (ADC) を使用します。送信パス (TX) でデジタルサブシステムからアナログサブシステムに信号を変換するには、D/Aコンバータ (DAC) を使用します。

デジタルシグナルプロセッサ (DSP) は、デジタル信号処理操作を実行する特殊なマイクロプロセッサです。DSPはMOSFET集積回路チップ上に製造されており、オーディオ信号処理、電気通信、デジタル画像処理、高解像度テレビ製品、携帯電話などの一般的な消費者向け電子機器、およびその他の多くの重要なアプリケーションで広く使用されています。

DSPは、連続した実世界のアナログ信号を測定、フィルタリング、または圧縮するために使用されます。専用DSPは多くの場合、電力効率が高く、消費電力の制約があるため、ポータブルデバイスに適しています。汎用マイクロプロセッサの大部分は、デジタル信号処理アルゴリズムを実行することもできます。

ADCの動作

図6にADCの動作を示します。入力はアナログ信号であり、サンプルホールド (S/H) 回路を介して処理され、信号の近似デジタル表現が作成されます。振幅はもはや無限の値を持たず、ADCの分解能に応じて離散値に「量子化」されています。より高い分解能のADCは、より細かいステップサイズを持ち、入力アナログ信号をより正確に表します。ADCの最終段階では、デジタル化された信号を、アナログ信号の振幅を表すビットのバイナリストリームにエンコードします。これで、デジタル出力をデジタルドメインで処理できるようになりました。

図6: アナログからデジタルへの信号変換のための代表的なADCアーキテクチャ

DACの動作

DACは逆の動作を提供します。DAC入力は、デジタルサブシステムからのデータのバイナリストリームであり、アナログ信号として近似される離散値を出力します。DACの分解能が上がると、出力信号は真の滑らかで連続的なアナログ信号により近くなります (図7を参照)。通常、アナログ信号チェーンには、波形をさらに滑らかにするためのポストフィルタがあります。

図7: デジタルからアナログへの信号変換用の6ビットDAC

前述のように、今日使用されている多くのシステムは「ミックスドシグナル」です。つまり、アナログサブシステムとデジタルサブシステムの両方に依存しています。これらのソリューションでは、2つのドメイン間で情報を変換するためにADCとDACが必要です。

デジタル信号 vs. アナログ信号: 長所と短所

ほとんどのエンジニアリングトピックと同様に、アナログ信号とデジタル信号の両方に長所と短所があります。特定のアプリケーション、パフォーマンス要件、伝送媒体、および動作環境によって、アナログ信号とデジタル信号 (またはその組み合わせ) のどちらを使用するかを決定できます。

デジタル信号: 長所と短所

デジタル信号処理 (DSP) や通信システムなど、デジタル信号を使用する利点は次のとおりです。

• デジタル信号は、ノイズ、歪み、干渉を抑えて情報を伝達可能。 
• デジタル回路は、比較的低コストで大量に簡単に再生。
• デジタル信号処理は、デジタルプログラム可能なシステムを使用してDSP操作を変更できるため、より柔軟。 
• デジタル情報は簡単に暗号化および圧縮できるため、デジタル信号処理はより安全。
• デジタルシステムはより正確であり、エラー検出および訂正コードを採用することにより、エラー発生の可能性を減らすことが可能。
• デジタル信号は、半導体チップを使用して、任意の磁気メディアまたは光メディアに簡単に保存可能。 
• デジタル信号は長距離を送信可能。

デジタル信号処理 (DSP) や通信システムなどのデジタル信号を使用することのデメリットには、次のようなものがあります。

• 同じ情報のアナログ伝送と比較した場合、デジタル通信にはより高い帯域幅が必要。
• DSPは信号を高速で処理するため、より多くの最高位の内部ハードウェアリソースで構成されているため、消費電力の少ない受動部品を含むアナログ信号処理と比較して、消費電力が大きくなる。
• 通常、デジタルシステムと処理はより複雑。 

アナログ信号: 長所と短所

アナログ信号処理 (ASP) や通信システムなど、アナログ信号を使用する利点は次のとおりです。

• アナログ信号は処理が簡単。
• アナログ信号はオーディオおよびビデオ伝送に最適。
• アナログ信号ははるかに高密度であり、より洗練された情報を提示可能。
• アナログ信号は、デジタル信号よりも少ない帯域幅を使用。
• アナログ信号は、音、光、温度、位置、圧力などの物理現象の変化をより正確に表現。
• アナログ通信システムは、電気的許容誤差の点で感度が低い。

アナログ信号処理 (ASP) や通信システムなどのアナログ信号を使用することのデメリットは次のとおりです。

• 長距離でのデータ送信は、望ましくない信号障害を引き起こす可能性あり。
• アナログ信号はジェネレーションロスを起こしやすい。
• アナログ信号は、はるかに高い耐性を持つデジタル信号とは対照的に、ノイズと歪みの影響を受ける。 
• アナログ信号は通常、デジタル信号よりも信号が低品質。

アナログおよびデジタル信号: システムとアプリケーション

従来のオーディオおよび通信システムは、アナログ信号を使用していました。ただし、シリコンプロセス技術、デジタル信号処理機能、エンコードアルゴリズム、および暗号化要件の進歩に伴い、帯域幅効率の向上に加えて、これらのシステムの多くはデジタル化されています。アナログ信号が従来の用途または利点を持っているいくつかのアプリケーションがまだあります。実世界の信号(音、光、温度、圧力など)に接続するほとんどのシステムは、アナログインタフェースを使用して情報をキャプチャまたは送信します。いくつかのアナログ信号アプリケーションを以下に示します。

• オーディオの録音と再生
• 温度測定
• イメージセンサ
• 無線信号
• 電話
• 制御システム

MPSには、MP2322、MP8714、MP2145、そしてMP8712などのアナログ部品の幅広いポートフォリオがあります。

多くの元の通信システムはアナログ信号 (電話) を使用していましたが、最近の技術は、ノイズ耐性、暗号化、帯域幅効率、および長距離伝送にリピーターを使用できるという利点があるため、デジタル信号を使用しています。いくつかのデジタル信号アプリケーションを以下に示します。 

• 通信システム (ブロードバンド、セルラー) 
• ネットワークとデータ通信
• プログラマビリティのためのデジタルインタフェース

MPSのウェブサイトでは、MP2886A、MP8847、MP8868、MP8869S、そしてMP5416など、MPSのデジタルIC製品についてさらに詳しくご紹介しています。

結論

この記事では、アナログ信号とデジタル信号の基本的な概念のいくつかと、それらの電子機器での使用法を紹介しました。各テクノロジーには明らかな長所と短所があり、アプリケーションのニーズとパフォーマンス要件を知ることは、選択する信号を決定するのに役立ちます。

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