Információ és adat. Analóg és digitális jelek. Digitalizálás

Az analóg és digitális jel

A jelek egy másfajta csoportosítása szerint beszélhetünk folytonos és diszkrét jelekről. A diszkrét, vagy különálló jel véges sokféle lehet, azaz véges sokféle értéket vehet fel. Ilyen jelek például a betűk, a számjegyek, de a kétféle értékkel bíró logikai jelek is: hamis (0) vagy igaz (1), a ki-be kapcsolható fényjelek, a morzejelek. A diszkrét jelekből hosszabb sorozatok alkothatók: a betűkből szavak, a számjegyekből többjegyű számok. A számjegyekkel leírható jeleket nevezhetjük digitális jeleknek.

A folytonos jelek esetén a jel folyamatos, nincs megszakítás. Ilyen például az óramutató állása, kürtjel, vagy a régi lemezeken a hangbarázda.

A fenti csoportosítást figyelembe véve fontos megkülönböztetnünk két alapvető jelrendszert:

Az analóg jel

Az analóg jel egy folyamatosan változó jel idő és amplitúdó szerint egyaránt. Az analóg kifejezést többnyire elektronikus értelemben használják, bár mechanikai, pneumatikus, hidraulikus és más rendszerek is használhatnak analóg jeleket. Az analóg jel a közvetítő eszköz valamilyen tulajdonságát használja ki a jel információtartalmának továbbításához. Például a barométer mutatójának forgása révén vagyunk képesek a megfelelő jelnyomásra vonatkozó információtartalmát megjeleníteni. Elektronikus értelemben a leginkább használt tulajdonság az, hogy a feszültségváltozást szorosan követi a frekvencia, az áramerősség és a töltés megváltozása. Továbbá a beszéd átvitelének egyszerű módja. Az elsõ mobiltelefonos hálózatok analógok voltak.

Példák az analóg jelekre a mindennapi életünkben:

• Rajz, festmény
• Hagyományos eljárással készült fényképek
• Bakelitlemez

A digitális jel

A digitális jel valamely változó jelenségnek, vagy fizikai mennyiségnek diszkrét (nem folytonos), megszámlálhatóan felaprózott, s így számokkal felírt értékein alapul. A digitális rendszerek sokkal inkább számokat (leginkább bináris számokat) használnak bevitelhez, feldolgozáshoz, átvitelhez, tároláshoz, vagy megjelenítéshez, mint az értékek folytonos spektrumát (ez utóbbit ugyanis az analóg rendszerek használják), vagy a nem-numerikus szimbólumokat, mint a betűk, vagy ikonok. A digitális szót leggyakrabban a számítástechnika és az elektronika területén használják, különösen azokon a területeken, ahol a való világ információit konvertálják át bináris számokká. Ilyenek például a digitális hang(zás) és a digitális fényképezés. A digitális adat-átvivő jelek az elektronikus, vagy optikai impulzus két lehetséges értéke közül az egyiket vehetik fel. A logikai 1 (van impulzus) vagy 0 (nincs impulzus) értékeket. Az ilyen rendszerű eszközöknél gyakran egy „e-” előtag utal a digitális mivoltra, mint az e-mailnél, vagy az e-könyvnél, bár nem minden elektronikus rendszer digitális.

Példák a digitális jelekre a mindennapi életünkben:

• ClipArt galéria digitális képei
• Digitális fényképezőgép adatcsomagjai
• CD, DVD, HD-DVD, Blu-Ray

Az analóg jel digitálissá alakítása

A hang (hanghullám) analóg jel. Ahhoz, hogy a számítógépben ábrázolni tudjuk, a hanghoz bináris kódot kell hozzárendelni (digitálissá kell alakítani, digitalizálni kell, ezt a hangkártya végzi el.

A hanghullám szinuszgörbék „összege”, ha az amplitúdó („kilengés”) időben való változását akarjuk ábrázolni, egy görbét kapunk, ezt kell kódolnunk.

Ezzel kapcsolatban két fontos kérdést kell feltennünk. Az első, hogy a hullámot milyen pontosan bontsuk fel, vagyis milyen részletes skálát használjunk. Egy 16 bites digitalizálásnál a hullámot 2¹⁶ részre tudjuk darabolni. A másik kérdés, hogy milyen gyakran vegyünk mintát a hullámból. Erre vonatkozik a Shannon-tétel, amely szerint egy jel akkor állítható vissza megfelelően, ha a mintavételezés a legnagyobb frekvenciának legalább kétszerese. A hallható hang digitalizálásakor ennél picivel nagyobbat választottak: abból indultak ki, hogy a legmagasabb ember által „hallható” hang 22 KHz, ennek kétszerese 44 KHz, ehhez hozzáadtak egy keveset, így lett a hallható hang digitalizálásakor a mintavétel frekvenciája 44,1 KHz. Ez azt jelenti, hogy a hullámból 1 másodperc alatt 44100-szor vesznek mintát. Ez a két érték, vagyis a 16 bites 44,1 KHz-es digitalizálás az audió CD szabványa. Nézzük meg egy ábra segítségével, mit is jelent a fent leírt folyamat

A mintavételezés

A mintavételkor mért adatokat már, mint egy számsort tekintik, amely egy adatfolyamot képez. Az így előálló jelsorozat végtelen sok értéket vehet fel. Ehhez még nem rendelhető véges kódsorozat. Le kell tehát csökkenteni a mintavett jel értékkészletének elemszámát is. Ez a kvantálás. A kvantálás során áll elő a digitalizált jel. A mintavételezett jel még végtelen sok értéket felvehet. A kvantálás a végtelen sok lehetséges érték olyan átalakítása, melynek során azon értékeket egy-egy kiválasztott értékre kerekítik, így a végte­len számú értéket véges számúra csökkentik.

A kvantálás során az analóg jel jeltartományán belül jelszinteket állapítunk meg. Az analóg jel értékeit mindig a legközelebbi ilyen értékre kerekítjük. A minta értéke alapján így megállapított érték ennek során adott esetben csökken, más esetben növekszik, azaz a kvantálással az eredeti jelhez zajt adunk. A kvantált jel nem hordoz információt arról, hogy ez a hozzáadott zaj mekkora volt.

A számok továbbítása és másolása sokkal egyszerűbb, mint a hullámformáké, megfelelő eszközökkel szinte torzítás és zaj nélkül történhet. Az analóg jelet gyakori mérésekkel számokká alakítják. Ahol a mért értékek nem egész számok, ott a legközelebbi egészre kerekítenek.

Hibalehetőség szinte csak akkor adódik, amikor az analóg jelet digitálissá, vagy a digitális jelet analóggá alakítják. Az egyik hibalehetőség abból adódik, hogy a mintavételkor kapott számok csak diszkrétek lehetnek (valamely egység egész számú többszörösei). Ha az egység nem elég kicsi, a kerekítés miatt a kapott értékek torzíthatnak. A digitalizáláskor a mért és az eredeti értékek eltérése szűk (-1, +1) intervallumba esik. A másik hibalehetőség a mintavétel gyakoriságával kapcsolatos. Ha a mért jel túl gyorsan változik, a minta ezeket a változásokat nem tudja követni, ezért a visszaalakításkor az eredetitől egészen eltérő hullámforma és hang alakulhat ki.

A digitalizálás során a görbe kicsit „kisimul”, de ha a mintavétel gyakorisága elég sűrű, nem tér el lényegesen az eredeti hullámformától

Az analóg jel visszaállításakor az adatokat egy digitál-analóg átalakítóba küldik, amely a digitális jeleknek megfelelő kimenő feszültségeket ad. Az így kapott hullámforma általában nagyon jól egyezik az eredetivel.