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

در دنیای امروز قطعات و دستگاه‌های دیجیتال به قدری زیاد شدند که احساس می‌شود شاید دیگر آنالوگ جایگاه خود را از دست داده است و کم‌کم باید به دست تاریخ سپرده شود. از سویی دیگر وقتی به خوبی به همین قطعات و دستگاه‌های دیجیتال نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که در دل آن‌ها چیزی به جز آنالوگ وجود ندارد، یا به طور دقیق‌تر دیجیتال بدون آنالوگ هیچ است. اینگونه در نظر بگیرید که دیجیتال مرجعیت خود را از آنالوگ می‌گیرد اما در یک نگاه سطحی حداقل دیجیتال پررنگ‌تر به نظر می‌آید. به یاد دارم زمان دانشجویی بحث آنالوگ و دیجیتال پیش آمد، آن موقع استادمان می‌گفت بهتر است برای بررسی دقیق اینکه چرا امروزه دیجیتال تا این حد فراگیر شده است به نحوی که ما نمی‌توانیم زندگی در دنیای الکترونیک بدون دنیای دیجیتال را متصور بشویم، به زمانی رجوع کنیم 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 شرح دهد 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 همانطور که هرچیزی که برای اولین بار پا به این دنیا می‌گذارد همیشه با جنجال‌ها و اما و اگرهایی همراه است و از آن‌جا که بحث موردنظر ما نیز از این قاعده مستثنی نیست، ما هم مبدا را با این بحث شروع می‌کنیم تا به یک سری نتایج برسیم. احتمالا یک سری آدم دانشمند برای اولین بار 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 قانع شوند 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 غیر منطقی 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 به میان 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 پس از 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 به نظر حرفی منطقی است که باید بررسی شود! این را هم بگوییم که جواب این سوالی که منطقی هم به نظر می‌رسد هر چیزی که باشد، در نهایت زور طرفدارن یا طراحان اولیه الکترونیک دیجیتال چربید و بالاخره موفق شدند نه تنها جای سیستم‌های دیجیتال را در دنیای الکترونیک باز کنند، بلکه طراحی خود را پررنگ‌تر نیز نشان دهند و سرانجام الکترونیک دیجیتال به شکلی که امروز می‌بینیم درآمده است. از آن‌جا که واقعا نمی‌توان پاسخی دقیق و جامع که بتواند همگان را قانع کند 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 در مورد 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 در نظر بگیریم تا دیتا را به طرز صحیحی دریافت کنیم. سرعت به قدری پارامتر مهمی است که گاها ما حاضر هستیم هزینه را چندین برابر کنیم تا یک عملیات مشابه را بر روی سخت‌افزار جدید با قیمت بالاتر انجام دهیم 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 0 و 1 منطقی ذخیره می‌شوند. اما این دو مقدار 0 و 1، فقط دو مقدار منطقی می‌باشند و از جبر بول استخراج شده‌اند، برای بررسی بهتر باید به تحقق این دو مقدار منطقی توجه کرد. باید دید که این مقادیر منطقی در مدارت دیجیتال با چه سطوح ولتاژی شناخته می‌شوند. استاندارد‌های مختلفی برای تحقق مداری این مقادیر منطقی وجود دارد، یکی از استانداردها، استاندارد TTL می‌باشد که این استاندارد خود نیز دارای انواع مختلفی می‌باشد. به عنوان نمونه در استاندارد TTL، مقدار 0 منطقی با سطح ولتاژ 0 تا 0.8 و مقدار 1 منطقی با سطح ولتاژ 2.2 تا 5 شناخته و پیاده‌سازی می‌شود. حال فرض کنید ما یک سیگنال دیجیتال داریم که با سطح ولتاژ 2.5 ولت تحقق یافته است، اکنون اگر یک نویز خارجی با مقدار 1 ولت با سیگنال ما جمع شود، مقدار سیگنال به 3.5 ولت افزایش خواهد یافت. قبل و بعد از اینکه نویز با سیگنال جمع شود، مقدار سیگنال همچنان 1 منطقی است. مواردی که در بالا در رابطه با سیگنال‌های دیجیتال بیان گردید را با سیگنال‌های آنالوگ مقایسه کنید. اگر همین اتفاقات روی سیگنال آنالوگ اتفاق می‌افتاد، یا حتی کمتر از این مقدار، آنگاه عملکرد به طور کامل عوض، و نتیجه‌ای دیگر حاصل می‌شد. پس می‌توان نتیجه گرفت که نویز به مراتب تاثیر کمتری روی سیگنال‌های دیجیتال نسبت به سیگنال‌های آنالوگ دارد.  

تشخیص و تصحیح خطا

 

در فرستنده-گیرنده‌ها و به طور کل در سیستم‌های مخابراتی ما همیشه نیاز داریم که اطلاعاتی را از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر بفرستیم، هنگام فرستادن اطلاعات به صورت ناخواسته نویز یا یک سری سیگنال دیگر باعث تداخل شده 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 تشخیص بدهیم که آیا خطا رخ داده است یا خیر. و در وهله‌ی دوم به تصحیحِ خطای تشخیص داده شده 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) اشاره کرد که در نمونه ساده آن می‌توان تا یک بیت خطا را تشخیص داد. البته با الگوریتم‌هایی می‌توان تا تعداد بیت بیشتری را نیز تشخیص داد. ما در این مقاله پارامترهای گفته شده را از زوایای خاصی بررسی کردیم و نتیجه حاصل را ارائه دادیم، قطعا این رویکرد همه‌ی زوایا را در بر نمی‌گیرند 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 استفاده از 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 خیلی سخت باشد که بخواهیم به یک نتیجه واحد برسیم و نهایتا آنالوگ یا دیجیتال را برگزینیم. در قسمت دوم این مقاله بحث را کمی تخصصی‌تر ارائه خواهیم داد. تا قبل از 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 بررسی شده در این مقاله نظر دیگری دارید، با ما در میان بگذارید.