مفهوم دیجیتال و آنالوگ در کامپیوتر به زبان ساده

آشنایی با مفاهیم سیگنال و داده‌ی دیجیتالی (Digital) و آنالوگ (Analog) به زبان ساده که هر دو از موضوعات پایه‌ای در یادگیری مباحث کامپیوتری و الکترونیکی هستند.

اگر علاقه مند به مباحث کامپیوتری و الکترونیک باشید، حتماً کلماتی مثل دیجیتال و آنالوگ را شنیده اید مثلاً کلمه “داده‌های دیجیتالی” یا “صدای آنالوگ”. ممکن است بدون توجه به مفهموشان از کنارشان رد شده باشید ولی باید توجه کنید که درک چنین مفاهیمی از قدم‌های اولیه برای درک کامپیوتر، نحوه کار آن و پردازش اطلاعات است.

مفهوم سیگنال (Signal)

در مباحث کامپیوتری و الکترونیک، دو کلمه آنالوگ و دیجیتال اغلب با مفهوم سیگنال به کار گرفته می‌شوند. بنابراین بهتر است ابتدا بفهمیم که سیگنال‌های الکترونیکی چه چیزهایی هستند.

سیگنال‌های الکترونیکی مقادیر متغیر با زمان هستند که همگی نوعی از اطلاعات را انتقال می‌دهند. در الکترونیک اغلب متغیرهایی که بر اساس زمان تغییر می‌کنند، برحسب تغییر ولتاژ (Voltage) عمل می‌کنند (در غیر این صورت اغلب با تغییر جریان (Current) متغیر می‌شوند). یعنی وقتی که از سیگنال حرف می‌زنیم، متغیری را فرض کنید که برحسب ولتاژ در زمان‌های مختلف تغییر می‌کند.

برای درک بهتر مفهوم سیگنال‌های الکترونیکی، فرض کنید سر کوچه‌ای ایستاده ایم و یک شیپور ساده در دست داریم و می‌خواهیم آوازی بخوانیم. ما با دمیدن هوا به داخل شیپور، به تولید صوت می‌پردازیم. در شیپور تغییر نُت‌های آهنگ (مقدار در لحظه) بستگی به حجم صدای ما (ولتاژ) دارد که با زمان تغییر کرده و در نهایت یک آواز خوانده می‌شود (اطلاعاتی که سیگنال‌ها منتقل می‌کنند). البته این مثال مناسبی برای نوع آنالوگ است.

مفهوم آنالوگ (Analog)

سیگنال آنالوگ (قیاسی) سیگنالی است که در زمان، پیوسته و در دامنه اش نیز پیوسته است. یعنی یک سیگنال آنالوگ در یک محدوده مشخص می‌تواند بینهایت حالت داشته باشد. همانطور که گفتیم تغییرات داده‌هایی که سیگنال‌ها حمل می‌کنند اغلب با تغییر ولتاژ منبع تولید کننده مشخص می‌شود.

برای مثال همان شیپورمان را فرض کنید. صدایی که تولید می‌شود کاملاً بستگی به حجم هوایی دارد که به درون آن دمیده می‌شود. یعنی اگر هوا در یک لحظه کمی بیشتر از لحظه دیگر باشد، آهنگ نیز تغییر خواهد کرد. به عبارت بهتر، صدای تولیدی پیوسته است یعنی بینهایت نُت می‌تواند داشته باشد. دقیقاً مثل اعداد اعشاری که در بازه عددی ۱ تا ۵ می‌توانند بینهایت حالت داشته باشند مثلاً اعداد اعشاری ۱.۰۰۱۹۱۷۹ یا ۳.۸۹۷۱۹۸۰۱ و … .

ما در دنیایی زندگی می‌کنیم که اکثر چیزها و اتفاقات دوروبرمان به صورت آنالوگ است. در ترکیب رنگ‌های اصلی می‌توانیم بینهایت رنگ تولید کنیم، بینهایت حالت صدا وجود دارد که می‌توانیم بشنویم، بینهایت ترکیب بو وجود دارد که می‌توانیم استنشاق کنیم اگر چه همه تغییرات برای انسان قابل درک نباشند.

سیگنال‌های آنالوگ به صورت پیوسته متغیر هستند یعنی نمودار تغییر آن‌ها می‌تواند به صورت زیر باشد:

از ابزاری که از سیگنال‌های آنالوگ استفاده می‌کنند می‌توان به میکروفون‌ها و اسپیکرها (نت‌های صدای پیوسته و نامحدود)، چراغ‌هایی با قابلیت تغییر شدت (روشنایی و شدت نور پیوسته و نامحدود) و دکمه آنالوگ موجود در دسته‌های بازی اشاره کرد.

مفهوم دیجیتال (Digital)

سیگنال‌های دیجیتالی (Digital) سیگنال‌هایی هستند که در زمان، پیوسته ولی در دامنه اش ناپیوسته است. برخلاف آنالوگ که می‌تواند در یک محدوده مشخص بینهایت حالت داشته باشد، در دیجیتال فقط دو حالت صفر منطقی یا یک منطقی می‌توانند وجود داشته باشند. چون صفر و یک فقط دو حالت هستند، یعنی یک سیگنال دیجیتالی در لحظه فقط می‌تواند یکی از این دو حالت باشد، سیستم آن را باینری (Binary) یا بر مبنای ۲ می‌نامند.

اما این صفر و یک منطقی با چه چیزی مشخص می‌شوند؟ مگر نگفتیم که متغیرها بر اساس ولتاژ تغییر می‌کنند؟ پس ولتاژ ۵ صفر منطقی است یا یک؟

برای پاسخ به این سوالات باید با نحوه تغییر قالب (کدینگ) آشنا شویم. در هر کدینگ دیجیتالی، یک محدوده مشخص به دو قسمت تقسیم می‌شود. قسمتی به نام ولتاژ بالا (High Voltage یا HV) و قسمتی به نام ولتاژ پایین (Low Voltage یا LV) شناخته می‌شود. اگر ولتاژ سیگنال در محدوده High Voltage باشد، حالت آن سیگنال به عنوان یک منطقی و اگر در محدوده Low Voltage باشد حالتش صفر منطقی خواهد بود.

در تکنولوژی‌های مختلف مدارات دیجیتالی، قراردادی که برای HV و LV تعیین کرده اند متفاوت است مثلاً در مدارات CMOS که در کامپیوتر استفاده می‌شوند، محدوده LV از صفر ولت تا ولتاژ تغذیه تقسیم بر ۲ و محدوده HV از ولتاژ تغذیه تقسیم بر ۲ تا خود ولتاژ تغذیه است یعنی اگر ولتاژ تغذیه ۵ باشد، از ۰ تا ۲.۵ ولت به عنوان صفر منطقی و از ۲.۵ تا ۵ ولت به عنوان یک منطقی شناخته خواهد شد.

یک نمودار ایده آل برای سیگنال‌های دیجیتالی مانند عکس زیر خواهد بود:

با این حال در عمل چنین نموداری حاصل نمی‌شود. به دلیل نویزهای موجود، معمولاً ولتاژ کمی تغییر می‌کند ولی به دلیل قرار داد موجود، همچنان صفر و یک منطقی به درستی تشخیص داده می‌شود. برای مثال در تصویر زیر می‌توانید سیگنال‌های دیجیتالی با نویز نسبتاً زیاد را ببینید که ۰ و ۱ شان هم نشان داده شده است:

یک مثال کاربردی

برای درک بیشتر نحوه عملکرد این دو نوع سیگنال، فرض کنید که قصد ضبط صدا، ذخیره کردن آن و پخش صدای ذخیره شده را داشته باشیم.

برای ضبط کردن صدا از یک میکروفون استفاده می‌کنیم که بسته به ضربه صوتی‌ای که به آن زده می‌شود، سیگنال‌های آنالوگی را تولید می‌کند که برابر صدای دریافتی است. ما نمی‌توانیم آنالوگ را بر روی حافظه‌های جانبی ذخیره کنیم چون مثلاً هارد دیسک، در هر مکان ذخیره داده مثل یک آهنربا دو حالت دارد: یا S به سمت ما است یا N یعنی یا صفر یا یک. در حافظه‌های فلش نیز چنین است یا ترانزیستورها به اصطلاح باز اند یا بسته یعنی یا صفر یا یک. حتی در قدیمی ترین حافظه‌ها مثل کارت‌های سوراخ دار هم دو حالت وجود دارد یا مکان حافظه داده‌ها سوراخ است یا نیست یعنی باز هم یا یک یا صفر.

حافظه‌های جانبی می‌توانند داده‌های دیجیتالی را ذخیره کنند اما ورودی ما آنالوگ است! در این میان یک مبدل آنالوگ به دیجیتال، داده‌های آنالوگ را معادل سازی کرده و در قالب دیجیتال به حافظه جانبی می‌فرستد و در آن جا به عنوان صفر و یک های منطقی ذخیره می‌شوند.

در هنگام پخش صدا نیز داده‌های باینری از روی حافظه خوانده شده و به چیپی که وظیفه تبدیل داده‌های دیجیتالی به آنالوگ را دارد، تحویل داده می‌شود. حال که داده‌هال آنالوگ صدا در اختیار ماست، کافیست با استفاده از یک تقویت کننده صدا را بلند تر کرده و به اسپیکر یا هر خروجی صدای دیگری ارسال کنیم. در اسپیکر هم لرزاننده هوا با توجه به قدرت سیگنال آنالوگ در لحظه، به هوا ضربه وارد کرده و در نتیجه به گوش ما می‌رسد.