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デジタルとアナログ

【アナログ信号は電圧の波形、デジタル信号は0か1】
 最近の電化製品はどんどんデジタル化してきています。一昔前で言えばレコードがCDになったようにテレビの放送も アナログからデジタルに移行しつつあります。また、デジタルやアナログという言葉も新しいとか古いといった意味合いで 日常の会話で使われたりもします。

 このように広く浸透しているデジタルという言葉ですが、どういうしくみなのでしょうか。

 デジタルもアナログも信号を取り扱う技術で、アナログは音声やテレビの映像などに代表され、その音声などの信号は いろいろな電圧値を連続的にとりながら、波形で表されます。デジタルは全ての信号を1か0の2つの電圧値で表します。

 では、アナログ信号をどのようにしてデジタル信号に変えているのか見ていきます。

【デジタル変換は標本化と符号化で行う】
 アナログ信号をデジタル信号に変換するには、まず、アナログ信号の電圧を非常に短い一定時間ごとに測って、 電圧の信号を部分部分に切り取ります。これを標本化といい、一定時間ごとに切り取った電圧値を標本値といいます。 このように切り取る間隔を細かくすればアナログ信号が持っていた情報は失われず、人が見ても途切れ途切れになった 感じはしなくなります。

 どのくらいの間隔で切り取るかというと、いろいろな周波数が混ざっている電圧値の中で最も高い周波数の2倍の 周波数でアナログ信号の電圧値を取り出します。これは周波数が高くなると波形は細かくなるので最も細かい部分に 合わせて十分多くの標本値を取れば、元の波形を再現できると言う標本化定理に基づいています。

 次に切り取った標本値を1と0の符号の組み合わせにします(符号化)。どのような組み合わせにするかというと、 まず、アナログ信号がとる電圧の範囲(最大幅)を決めておきます。この最大幅の1/2の値と切り出した電圧値(標本値) の大小を比べます。標本値の方が大きければ1、小さければ0とします。

 次に1/2の1/2、つまり最大幅の1/4と標本値の大小を比べます。さらに1/4の1/2、つまり1/8と比べます。こうした操作を何回か繰り返すことで標本値は非常に小さい電圧と 比べることになり、元の信号の標本値と符号化した電圧との差はほとんどなくなります。

 この比較の度に大きいか小さいかを1か0で表せば、比較の回数と同じビット数のデジタル信号が得られます。 この比較の回数が多ければより精度の高い符号化ができることになり、その分、情報量も多くなります。 そのため、どの程度の精度にするかは求められる品質によって決められます。

 以上が、アナログ信号をデジタル信号に変換する方法です。 逆にデジタル信号から元のアナログ信号に戻すには、デジタル化された信号から1と0の組み合わせで決まる電圧の値 を再構成して切り取った時間間隔並べて結んでいくと、元のアナログ信号に復元できます。