Niniejszy artykuł próbuje przybliżyć temat osobom nie zajmującym się na co dzień techniką cyfrową, których kontakt z nią ogranicza się do korzystania z jej dobrodziejstw.
W dobie szybkiego postępu wciąż jesteśmy zasypywani pojęciami związanymi z techniką. Niektóre z nich używane są tak często, że nie zastanawiamy się nad ich znaczeniem. Często słyszymy pojęcia takie jak telewizja cyfrowa, aparat cyfrowy, cyfrowe przetwarzanie sygnałów i intuicyjnie wiemy z czym mamy do czynienia. Czy jednak tak jest do końca? Bo co w rzeczywistości oznacza wszechobecne słowo „cyfrowy”? Najczęściej używamy go w odniesieniu do technologii które oparte są na przetwarzaniu sygnałów cyfrowych.
W najogólniejszej definicji sygnał cyfrowy jest to sygnał którego zarówno dziedzina, jak i zbiór wartości są dyskretne – w przeciwieństwie do sygnału analogowego, którego dziedzina i zbiór wartości są ciągłe.
Tyle mówi nam typowa definicja ujmująca zagadnienie w sposób krótki i konkretny, jednak nie dla wszystkich jasny. Bo cóż znaczy „dyskretny”? Czy ma to związek z umiejętnością dochowania tajemnicy? Oczywiście nie. Na początku przyjmijmy, że „dyskretny” oznacza „przyjmujący wartości ze skończonego zbioru”, a „ciągły” – „mogący przyjmować nieskończenie wiele wartości” i nie chodzi tu o to że wartości nie mogą być ograniczone – sygnał nadal będzie sygnałem ciągłym jeśli będzie się zawierał w konkretnym przedziale, po prostu może przyjąć dowolnie wiele wartości w ramach tego przedziału (przecież pomiędzy każdymi dwoma liczbami rzeczywistymi możemy podać nieskończenie wiele liczb, wystarczy dopisać kolejną cyfrę po przecinku). Przykładem sygnału dyskretnego mogą być oceny szkolne (przyjmujące wartości ze zbioru {1,2,3,4,5,6}). W rzeczywistości sygnał cyfrowy powstaje często przez przekształcenie (konkretnie zdyskretyzowanie) sygnału analogowego.
W jaki sposób? Pozwolę sobie posłużyć się przykładem. Będzie to ciśnienie tętnicze i żylne krwi w naszym organizmie oraz jago pomiar. Przez cały czas mamy jakieś ciśnienie krwi przyjmujące nieskończenie wiele wartości z pewnego przedziału (załóżmy że od 90/50 do 135/90 mmHg – nie jest to istotne), które możemy traktować jak sygnał ciągły. W celach kontrolnych przeprowadzamy pomiar ciśnienia co jakiś ustalony czas np. co jedną godzinę – tym samym dokonujemy, zupełnie nieświadomie, dyskretyzacji tegoż sygnału w dziedzinie czasu (z okresem próbkowania T = 1 godzina). Jako, że używany do pomiaru przyrząd – ciśnieniomierz pokazuje wynik z pewną dokładnością (dla ciśnieniomierza cyfrowego, a jakże, przyjmijmy że co 1mmHg) to zaobserwowany przez nas sygnał jest dyskretny zarówno w dziedzinie czasu (co 1 godz.) jak i co do przyjmowanych wartości (co 1mmHg) czyli jest sygnałem cyfrowym.
Dla uproszczenia przykładu, którego celem był jedynie ogólne wyjaśnienie, pominięto pewne istotne w praktyce zagadnienia takie jak: dobór częstotliwości próbkowania, rozdzielczość przetwornika A/C ciśnieniomierza itd.
Sygnał cyfrowy jest potem zapisywany w postaci binarnej, czyli ciągu zer i jedynek (zamiast systemu dziesiętnego system dwójkowy np. 120 dziesiętnie = 1111000 binarnie) ma to znaczenie ze względu na sposób działania urządzeń cyfrowych – jedynki i zera łatwo sprowadzić do dwóch stanów – występowania, lub niewystępowania napięcia itp.
Skoro wiemy co to jest sygnał cyfrowy, przejdźmy dalej – co bowiem zyskujemy operując na sygnałach cyfrowych zamiast analogowych? Przede wszystkim mniejsze zniekształcenie sygnału. W przypadku informacji odczytywanej z nośnika analogowego (jak np. kaseta magnetofonowa) nie wiemy czy odczytany przez nas poziom namagnesowania jest dokładnie taki jaki został zapisany, czy też jest zniekształcony w wyniku niedokładności urządzenia odczytującego, zużycia nośnika itp. W przypadku sygnału cyfrowego wiemy, że może on przyjmować tylko pewne konkretne wartości (przykładowo wszystkie napięcia z przedziału [0;2.5V] są traktowane jako 0, a z przedziału [2.5V;5V] jako 1) prawdopodobieństwo wystąpienia błędu lub zniekształcenia sygnału jest wielokrotnie mniejsze. Jeżeli dodatkowo oprócz informacji właściwej dodamy do sygnału dane korekcyjne (służące weryfikacji poprawności) to przy użyciu odpowiednio dokładnych elementów składowych nasze urządzenie jest w stanie odtworzyć sygnał w taki sposób, że jest on całkowicie zgodny z oryginałem. Z tego właśnie wynika m.in. przewaga nośników cyfrowych nad analogowymi – informacja odtworzona z kasety VHS za każdym razem będzie się nieco różnić, odtworzona z płyty CD zawsze będzie taka sama (często nawet uszkodzenie nośnika przez np. porysowanie nie uniemożliwia odczytania go – właśnie dzięki danym korekcyjnym).
Wobec tak widocznych zalet sygnałów cyfrowych nie dziwi postępująca cyfryzacja otaczającego nas świata. Nawet wynikająca z tego konieczność stosowania wielu dodatkowych urządzeń (przetworniki A/C i C/A, enkodery, dekodery, filtry cyfrowe itp.) nie wpływa na dostępność dobrodziejstw techniki cyfrowej (głównie z racji coraz tańszych sposobów wytwarzania tychże urządzeń).
Licencja: Creative Commons - użycie niekomercyjne