Analogowo czy cyfrowo ?

W tym artykule przedstawię wam podstawowe różnice pomiędzy analogowym i cyfrowym zapisem dźwięku.  Na początku zajmiemy się podstawowym zagadnieniem czyli definicjami sygnału analogowego oraz cyfrowego.

• Sygnał analogowy – sygnał, który może przyjmować dowolną wartość z ciągłego przedziału (nieskończonego lub ograniczonego zakresem zmienności). Jego wartości mogą zostać określone w każdej chwili czasu, dzięki funkcji matematycznej opisującej dany sygnał. Przeciwieństwem sygnału analogowego jest sygnał skwantowany, nazywany również dyskretnym (w szczególności: cyfrowym).
•  Sygnał cyfrowy – sygnał, którego dziedzina i zbiór wartości są dyskretne. Jego odpowiednikiem o ciągłej dziedzinie i ciągłym zbiorze wartości jest sygnał analogowy. Znaczenie tego terminu może odnosić się do:
  wielkości fizycznej, która z natury jest dyskretna (np. liczba błysków lampy w ciągu godziny)
  wielkości pierwotnie ciągłej i analogowej, która została spróbkowana i skwantowana (np. sygnał na wyjściu komparatora napięcia kontrolującego pewien proces w określonych chwilach)
  każdej reprezentacji jednego z powyższych, w tym (najczęściej) w postaci ciągu liczb zapisanych w pamięci maszyny cyfrowej (np. plik komputerowy typu WAV).
  

   Brzmi to trochę groźnie ale już wyjaśniam o co w tym chodzi. Współcześnie telekomunikacja i elektronika powszechnego użytku prawie całkowicie zostały zdominowane przez cyfrowe przetwarzanie sygnałów, które jest powtarzalne, bardziej niezawodne i tańsze od przetwarzania analogowego. Przyjrzycie się wykresowi. Szara linia pokazuje sygnał analogowy a czerwona cyfrowy. Wartość "f(t)" oznacza częstotliwość a "t" czas. Jak zauważacie sygał analogowy jest "płynny" a sygnał cyfrowy  "kanciasty". "Kanciastość" sygnału cyfrowego spowodowana jest tym że działa on na zasadzie stanu wysokiego badź niskiego(włączony wyłączony) sygnał ten nazywamy kodem binarnym lub dwójkowym systemem liczbowym. Za pomocą 0 i 1 można zapisać dowolną wartość. Standartem który jest obecnie używany przy nagrywaniu płyt CD jest PCM (ang. Pulse Code Modulation). Częstotliwość próbkowania płyty kompaktowej 44,1 kHz przy 16 bitach co daje na wartość 2¹⁶ = 65 536 możliwych wartości amplitudy fali dźwiękowej na próbkę. Wartość jest uważana za bardzo wierną swemu oryginałowi, ponieważ pokrywa cały zakres pasma częstotliwości słyszalnych przez człowieka oraz prawie cały zakres rozpiętości dynamicznej słyszalnych dźwięków. Przy w częstotliwości próbkowania 44.1 kHz można zarejestrować dźwięk o częstotliwości maksymalne 22.05 kHz ponieważ sygnał ma część dodatnią oraz ujemną. Granica ludzkiego słuchu wynosi około 20 kHz więc zakres odtwarzanej częstotliwości pokrywa zakres ludzkiego słuchu. W przypadku sygnału cyfrowego każda częstotliwość powyżej 22 kHz nie zostaje zapisana w pliku. Rozdzielczość bitowa odpowiedzialna jest za poziom dynamiki. Każdy bit reprezentuje wartość 6 dB czyli przy 16 bitach nasza dynamika sygnału będzie miała maksymalnie 96 dB(o decybelach będzie oddzielny temat gdyż jest kilka rodzai decybeli). W technice cyfrowej występują również wyższe częstotliwości próbkowania (studyjne 48 kHz, 96 kHz i 192 kHz i mniejsze od 44,1 kHz używane głównie w telekomunikacji) oraz rozdzielczości 24 bit oraz 8 bit.

   Sygnał analogowy ma charakter ciągły. W przypadku sygnałów audio jest ciągłym zapisem wartości napięcia przemiennego. Jeżeli chodzi o zakres częstotliwości to w teorii jest on niczym nie ograniczony a w praktyce jednak ograniczenia pojawiają się  względu zdolności przełączające elementów wzmacniających, dla lamp elektronowych zwykle około 100 kHz, dla tranzystorów wartość ta może być dużo wyższa. Drugim kryterium które znacząco ogranicza naszą maksymalną częstotliwość są mikrofony. Z racji tego, że istnieję kilka rodzai mikrofonów oraz różne techniki wzmacniania sygnałów analogowych rozwinięcie tego tematu będzie w oddzielnym artykule. Jeżeli chodzi o poziom dynamiki to dyktuję nam to zwykle odstęp sygnału od szumu. Kolejny temat rzeka także do następnego.

Wykres przedstawiający różnice pomiędzy sygnałem analogowym a modulacją PCM.