آنالوگ یا دیجیتال، مساله این است! (قسمت اول)

مقدمه

در دنیای امروز قطعات و دستگاه‌های دیجیتال به‌قدری زیاد شدند که احساس می‌شود شاید دیگر آنالوگ جایگاه خود را از دست داده است و کم‌کم باید به دست تاریخ سپرده شود. از سوی‌دیگر وقتی به‌خوبی به همین قطعات و دستگاه‌های دیجیتال نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که در دل آن‌ها چیزی به‌جز آنالوگ وجود ندارد، یا به‌طور دقیق‌تر دیجیتال بدون آنالوگ هیچ است. اینگونه درنظربگیرید که دیجیتال مرجعیت خود را از آنالوگ می‌گیرد اما در یک نگاه سطحی حداقل دیجیتال پررنگ‌تر به‌نظر می‌آید. به‌یاد دارم زمان دانشجویی بحث آنالوگ و دیجیتال پیش آمد، آنموقع استادمان می‌گفت بهتر است برای بررسی دقیق اینکه چرا امروزه دیجیتال تا این حد فراگیرشده‌است به‌نحوی‌که ما نمی‌توانیم زندگی در دنیای الکترونیک بدون دنیای دیجیتال را متصور بشویم، به زمانی رجوع‌کنیم که مفاهیم اولیه دیجیتال پایه‌گذاری شد و رسما در الکترونیک دو شاخه به اسم آنالوگ و دیجیتال پدید آمد. شاید منبعی نباشد که دقیقا مبدا زمانی را شرح‌دهد که چه اتفاقاتی رخ داد یا احساس به چه نیاز‌هایی پدید آمد که دانشمندان به این فکر افتادند که دنیای دیجیتال را اختراع کنند. اما همانطورکه هرچیزی که برای اولین‌بار پا به این دنیا می‌گذارد همیشه با جنجال‌ها و اما و اگرهایی همراه است و از آن‌جاکه بحث موردنظر ما نیز از این قاعده مستثنی نیست، ما هم مبدا را با این بحث شروع می‌کنیم تا به یکسری نتایج برسیم. احتمالا یکسری آدم دانشمند برای اولین‌بار دنیای الکترونیک دیجیتال را که تئوری قوی جبر بول و منطق ارسطویی را در پشت‌پرده خود دارد، به جامعه‌ی الکترونیک معرفی کردند. در این زمان دو دسته افراد وجود دارند، افراد موافق با الکترونیک دیجیتال و افراد مخالف با الکترونیک دیجیتال. از میان دسته‌ی مخالف نیز چندین دسته دیگر وجود دارد، مثلا افرادی که منتظرند قانع‌شوند که به چه دلایل منطقی باید دیجیتال را به آنالوگ ترجیح بدهیم و دسته‌ای دیگر که پیش‌فرض را روی این مبنا گذاشتند که اگر هست و نیست فقط آنالوگ است و لاغیر و با هیچ دلیلی، چه منطقی و چه غیرمنطقی راضی به پذیرفتن الکترونیک دیجیتال نیستند. اگر شما جز افراد باورمند به الکترونیک آنالوگ بودید، اولین خواسته یا سوالتان از افرادی که برای اولین بار از دنیای الکترونیک دیجیتال سخن به‌میان آوردند چه بود؟ اگر من بودم اولین سوالم این بود که چرا وقتی یک سیگنال آنالوگ داریم بیایم زمانی را صرف تبدیل این سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال کنیم و تازه پس‌از آن دوباره با صرف زمانی دیگر این سیگنال دیجیتال را تبدیل به سیگنال آنالوگ کنیم! اگر از قطعاتی مانند ADC و DAC و قطعات جانبی دیگر نیز صرف‌نظر کنیم به‌نظر حرفی منطقی است که باید بررسی شود! این را هم بگوییم که جواب این سوالی که منطقی هم به‌نظر می‌رسد هر چیزی که باشد، در‌نهایت زور طرفدارن یا طراحان اولیه الکترونیک دیجیتال چربید و بالاخره موفق شدند نه‌تنها جای سیستم‌های دیجیتال را در دنیای الکترونیک باز کنند، بلکه طراحی خود را پررنگ‌تر نیز نشان‌دهند و سرانجام الکترونیک دیجیتال به شکلی که امروز می‌بینیم درآمده است.

شاید در پاسخ به این سوال بگویید که مثلا کامپیوترها که نمی‌توانند آنالوگ باشند و برای پردازش حتما باید داده‌های دیجیتال در اختیار داشته‌باشند! خیر اینگونه نیست و کامپیوترهای آنالوگ نیز هم‌اکنون در دنیا وجود دارند و فقط به‌صورت تجاری در نیامده‌اند. پس اگر قرار است پاسخی در برابر این سوال داشته باشیم، همچین پاسخی قانع‌کننده نیست و باید به دنبال پاسخی دیگر بود.

از آن‌جاکه واقعا نمی‌توان پاسخی دقیق و جامع که بتواند همگان را قانع‌کند به این سوال داد، قصد داریم در ادامه به مزایا و معایب الکترونیک آنالوگ و الکترونیک دیجیتال در مقابل هم بپردازیم.

تاخیر

اگر با گیت‌های منطقی آشنا هستید و یا اگر درمورد ADC مطالعه داشته‌اید و تجربه کار با آن را دارید حتما می‌دانید که این ادوات دیجیتال به مدار ما تاخیرهایی را اضافه می‌کنند. گیت‌های منطقی مثلا در حد چندین نانو ثانیه تاخیر ایجاد می‌کنند که به تاخیر انتشار یا Propagation Delay معروف هستند، تا بتوانند عملیات منطقی را بر روی ورودی‌های خود اعمال کنند. یا در میکروکنترلرها وقتی قرار است ما یک نمونه را از ADC بخوانیم، باید مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک نمونه آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود را درنظر بگیریم تا دیتا را به طرز صحیحی دریافت‌کنیم. سرعت به‌قدری پارامتر مهمی است که گاها ما حاضر هستیم هزینه را چندین‌برابر کنیم تا یک عملیات مشابه را بر‌روی سخت‌افزار جدید با قیمت بالاتر انجام‌دهیم تا به خواسته موردنظرمان برسیم. یا شرکت‌ها کلی وقت برای تحقیق و توسعه می‌گذارند تا نهایتا در صفحه اول دیتا شیت محصولشان با افتخار ذکر کنند که تراشه‌ی آن‌ها تا فلان سرعت را پشتیبانی می‌کند. با این رویکرد بالا می‌توانیم بگوییم که وقتی ما نمونه‌ی آنالوگ را به نمونه‌ی دیجیتال تبدیل می‌کنیم، قطعا سرعت کار را پایین آورده‌ایم چون مدت زمانی را برای تبدیل این نمونه‌ها به همدیگر تلف کرده‌ایم.

نویز

در دیجیتال داده‌ها فقط به دو صورت ۰ و ۱ منطقی ذخیره می‌شوند. اما این دو مقدار ۰ و ۱، فقط دو مقدار منطقی می‌باشند و از جبر بول استخراج شده‌اند، برای بررسی بهتر باید به تحقق این دو مقدار منطقی توجه‌کرد. باید دید که این مقادیرمنطقی در مدارت دیجیتال با چه سطوح ولتاژی شناخته می‌شوند. استاندارد‌های مختلفی برای تحقق مداری این مقادیر منطقی وجود دارد، یکی‌از استانداردها، استاندارد TTL می‌باشد که این استاندارد خود نیز دارای انواع مختلفی می‌باشد. به‌عنوان‌نمونه در استاندارد TTL، مقدار ۰ منطقی با سطح ولتاژ ۰ تا ۰.۸ و مقدار ۱ منطقی با سطح ولتاژ ۲.۲ تا ۵ شناخته و پیاده‌سازی می‌شود. حال فرض‌کنید ما یک سیگنال دیجیتال داریم که با سطح ولتاژ ۲.۵ ولت تحقق‌یافته‌است، اکنون اگر یک نویز خارجی با مقدار ۱ ولت با سیگنال ما جمع شود، مقدار سیگنال به ۳.۵ولت افزایش‌خواهد‌یافت. قبل و بعداز اینکه نویز با سیگنال جمع شود، مقدار سیگنال همچنان ۱ منطقی است. مواردی که در بالا در رابطه با سیگنال‌های دیجیتال بیان گردید را با سیگنال‌های آنالوگ مقایسه‌کنید. اگر همین اتفاقات روی سیگنال آنالوگ اتفاق می‌افتاد، یا حتی کمتر از این مقدار، آنگاه عملکرد به‌طورکامل عوض، و نتیجه‌ای دیگر حاصل می‌شد. پس می‌توان نتیجه‌گرفت که نویز به مراتب تاثیر کمتری روی سیگنال‌های دیجیتال نسبت به سیگنال‌های آنالوگ دارد.

تشخیص و تصحیح خطا

در فرستنده-گیرنده‌ها و به‌طورکل در سیستم‌های مخابراتی ما همیشه نیاز داریم که اطلاعاتی را از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر بفرستیم، هنگام فرستادن اطلاعات به‌صورت ناخواسته نویز یا یکسری سیگنال دیگر باعث تداخل‌شده و سیگنال ما را از آن مقدار اصلی به مقداری دیگر تغییر می‌دهند. مسئله‌ای که پیش می‌آید در وهله‌ی اول این است که ما بتوانیم تشخیص‌بدهیم که آیا خطا رخ داده است یا خیر؟ و در وهله‌ی دوم به تصحیحِ خطای تشخیص‌داده‌شده بپردازیم. هم تشخیص و هم تصحیح خطا در سیگنال‌های دیجیتال بسیار راحت‌تر صورت می‌گیرد. از ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین مدارات تشخیص خطا در سیستم‌های دیجیتال می‌توان به بیت توازن‌(parity bit) اشاره‌کرد که در نمونه ساده آن می‌توان تا یک بیت خطا را تشخیص‌داد. البته با الگوریتم‌هایی می‌توان تا تعداد بیت بیشتری را نیز تشخیص داد. ما در این مقاله پارامترهای گفته‌شده را از زوایای خاصی بررسی کردیم و نتیجه حاصل را ارائه‌دادیم، قطعا این رویکرد همه‌ی زوایا را در‌برنمی‌گیرند و شما مثلا اگر همین پارامتر تاخیر را از زاویه‌ای دیگر بررسی کنید، شاید سیگنال‌های دیجیتال در این رقابت پیروز مسابقه باشند. هنوز خیلی زود است که بخواهیم به این جمع‌بندی برسیم که استفاده‌از آنالوگ بهتر است یا دیجیتال، ما در قسمت دوم این مقاله پارامترهای دیگر و مهم‌تری را بررسی خواهیم کرد تا شاید بتوانیم بهتر به این جمع‌بندی برسیم که آنالوگ بهتر است یا دیجیتال، نمی‌دانم شاید هم خیلی‌سخت باشد که بخواهیم به یک نتیجه واحد برسیم و نهایتا آنالوگ یا دیجیتال را برگزینیم. در قسمت دوم این مقاله بحث را کمی تخصصی‌تر ارائه‌خواهیم‌داد. تا قبل‌از نوشتن قسمت دوم این مقاله اگر موضوعی در این رابطه به ذهنتان می‌رسد که فکر می‌کنید مقایسه این موضوع می‌تواند جالب باشد یا اینکه درباره پارامترهای بررسی‌شده در این مقاله نظر دیگری دارید، با ما درمیان بگذارید.

منبع: سیسوگ