Công nghệ số khác công nghệ tương tự như thế nào?

Công nghệ tương tự, hay công nghệ analog, biểu diễn đại lượng bằng một tín hiệu biến thiên liên tục. Vì thế, khác biệt quan trọng không nằm ở việc thiết bị mới hay cũ, mà nằm ở cách thông tin được biểu diễn và cách hệ thống xử lý biểu diễn đó.

Khác biệt cốt lõi nằm ở cách biểu diễn thông tin

Giả sử cần biểu diễn âm thanh. Micro có thể biến dao động áp suất không khí thành điện áp thay đổi liên tục. Nếu điện áp này được khuếch đại, ghi hoặc truyền đi trong chính dạng liên tục đó, hệ thống đang xử lý thông tin theo phương thức tương tự.

Trong một hệ thống số, tín hiệu này thường được đo tại những thời điểm xác định, sau đó mỗi giá trị đo được được ánh xạ vào một trong số hữu hạn các mức và mã hóa thành dữ liệu. Máy tính không cần lưu lại một điện áp liên tục; nó lưu các con số đại diện cho tín hiệu.

Điểm phân biệt này quan trọng hơn hình thức của thiết bị. Một thiết bị có màn hình điện tử chưa chắc toàn bộ hoạt động của nó là số; ngược lại, một hệ thống số vẫn phải giao tiếp với nhiều đại lượng vật lý vốn liên tục như nhiệt độ, âm thanh, ánh sáng hay áp suất.

Tín hiệu tương tự liên tục, còn dữ liệu số sử dụng các mức phân biệt

Với tín hiệu tương tự, một thay đổi nhỏ của đại lượng đầu vào có thể tạo ra một thay đổi tương ứng ở tín hiệu đầu ra. Chẳng hạn, điện áp có thể nhận các giá trị 1,01 V, 1,011 V hoặc 1,0115 V trong giới hạn độ chính xác vật lý của hệ thống.

Thông tin số được xử lý theo cách khác. Hệ thống xác định các trạng thái hợp lệ rồi diễn giải tín hiệu vật lý thành các trạng thái đó. Trong logic nhị phân, một khoảng điện áp có thể được xem là 0 và một khoảng khác được xem là 1. Các dao động nhỏ nằm trong biên cho phép không nhất thiết làm thay đổi giá trị logic.

Đây là cơ sở cho một ưu thế quan trọng của hệ thống số: có thể tái tạo trạng thái thay vì phải bảo toàn chính xác hình dạng tín hiệu ban đầu qua mọi công đoạn. Khi bộ thu vẫn phân biệt đúng 0 và 1, một xung bị biến dạng nhẹ có thể được quyết định lại thành trạng thái logic ban đầu.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa dữ liệu số miễn nhiễm với nhiễu. Nếu nhiễu đủ lớn để làm tín hiệu vượt qua ngưỡng quyết định, hệ thống vẫn có thể đọc sai bit. Công nghệ số giảm một số dạng tích lũy sai lệch nhờ khả năng nhận dạng và tái tạo trạng thái; nó không loại bỏ mọi lỗi vật lý.

Từ tín hiệu tương tự sang dữ liệu số cần lấy mẫu và lượng tử hóa

Một đại lượng vật lý liên tục không tự trở thành dữ liệu số. Quá trình số hóa thường có hai bước cơ bản: lấy mẫu và lượng tử hóa.

Lấy mẫu biến tín hiệu liên tục theo thời gian thành chuỗi giá trị

Lấy mẫu là đo tín hiệu tại những thời điểm xác định. Nếu hệ thống lấy 48.000 mẫu mỗi giây, khoảng cách giữa hai lần đo liên tiếp là khoảng 20,8 micro giây.

Định lý lấy mẫu Nyquist–Shannon cho biết với một tín hiệu giới hạn băng tần, tần số lấy mẫu phải lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất cần tái tạo để tránh chồng phổ trong mô hình lý tưởng. Trong thiết bị thực tế, bộ lọc chống aliasing và khoảng chuyển tiếp của bộ lọc khiến thiết kế không thể chỉ dựa vào tỷ lệ 2:1 một cách máy móc.

Điều này cho thấy dữ liệu số không phải phiên bản “vô hạn chính xác” của tín hiệu tương tự. Độ chi tiết theo thời gian phụ thuộc vào cách lấy mẫu.

Lượng tử hóa giới hạn mỗi mẫu vào một số mức nhất định

Sau khi lấy mẫu, giá trị của mỗi mẫu được ánh xạ vào một mức lượng tử. Với bộ chuyển đổi lý tưởng có độ phân giải (n) bit, số mức có thể biểu diễn là:

2ⁿ mức

Ví dụ, 8 bit cho 256 mức, 16 bit cho 65.536 mức và 24 bit cho 16.777.216 mức.

Việc làm tròn giá trị liên tục về một mức hữu hạn tạo ra sai số lượng tử hóa. Trong mô hình ADC lý tưởng với tín hiệu sin toàn thang và một số giả định tiêu chuẩn, tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử thường được xấp xỉ bằng 6,02n 1,76 dB. Vì vậy, tăng số bit có thể tăng dải biểu diễn và giảm ảnh hưởng tương đối của lượng tử hóa, nhưng thiết bị thực còn chịu giới hạn bởi nhiễu điện, độ tuyến tính, jitter và chất lượng mạch analog phía trước.

Cách xử lý, lưu trữ và sao chép thông tin cũng khác nhau

Trong hệ thống tương tự, việc xử lý thường diễn ra trực tiếp trên đại lượng vật lý mang thông tin. Bộ khuếch đại thay đổi biên độ điện áp, bộ lọc analog làm suy giảm một số dải tần, còn băng từ ghi tín hiệu thông qua trạng thái từ tính biến thiên theo tín hiệu đầu vào.

Hệ thống số chuyển vấn đề thành thao tác trên dữ liệu. Một chuỗi mẫu âm thanh có thể được nhân với hệ số để thay đổi mức tín hiệu, đưa qua thuật toán lọc hoặc nén thành một định dạng khác. Cùng một dữ liệu đầu vào và cùng thuật toán xác định có thể tạo ra cùng kết quả mà không cần mô phỏng trực tiếp từng biến thiên của tín hiệu vật lý.

Sự khác biệt đặc biệt rõ khi sao chép. Với một bản ghi analog, mỗi lần đọc và ghi lại đều có thể đưa thêm nhiễu, méo hoặc sai lệch vào bản kế tiếp. Với dữ liệu số, nếu tất cả bit được đọc chính xác, bản sao có thể giữ nguyên chuỗi bit của nguồn. Một tệp được sao chép một lần hay nhiều lần không tự giảm chất lượng chỉ vì số lần sao chép.

Nhưng giới hạn vẫn tồn tại ở cấp vật lý. Bộ nhớ có thể hỏng, đường truyền có thể gây lỗi bit và dữ liệu có thể bị mất. Vì vậy, hệ thống số thường kết hợp mã phát hiện lỗi, sửa lỗi, checksum hoặc các cơ chế kiểm tra tính toàn vẹn. Khả năng tạo bản sao giống dữ liệu nguồn là kết quả của việc nhận dạng chính xác các trạng thái số, không phải vì vật mang dữ liệu hoàn toàn không có sai số.

Công nghệ số dễ tái tạo thông tin nhưng luôn có đánh đổi

Việc biến thông tin thành trạng thái rời rạc tạo điều kiện cho máy tính lưu trữ, tìm kiếm, tính toán và áp dụng cùng một thuật toán trên lượng dữ liệu lớn. Đây là lý do công nghệ số phù hợp với xử lý có thể lập trình: thay vì chế tạo một đường mạch analog riêng cho từng phép biến đổi, nhiều thao tác có thể được mô tả bằng phần mềm.

Tính rời rạc cũng tạo ra biên dung sai. Nếu nhiễu chưa đủ lớn để khiến một trạng thái bị nhận thành trạng thái khác, dữ liệu logic vẫn giữ nguyên. Trong nhiều tầng xử lý hoặc truyền dẫn, tín hiệu có thể được tái tạo về các mức chuẩn, hạn chế việc một sai lệch nhỏ tiếp tục tích lũy như trong chuỗi xử lý analog.

Đổi lại, số hóa đưa vào những giới hạn riêng. Tốc độ lấy mẫu giới hạn thông tin theo thời gian có thể biểu diễn; số bit giới hạn độ phân giải biên độ; quá trình lượng tử hóa tạo sai số; còn xử lý số cần năng lực tính toán, bộ nhớ và thời gian xử lý.

Do đó, nói “công nghệ số luôn chính xác hơn analog” là quá rộng. Một hệ thống số có tốc độ lấy mẫu thấp, độ phân giải thấp hoặc bộ chuyển đổi kém có thể tái tạo tín hiệu kém hơn một hệ thống analog được thiết kế tốt. Chất lượng thực tế phụ thuộc vào toàn bộ chuỗi đo, chuyển đổi, xử lý và tái tạo chứ không chỉ vào nhãn “digital” hay “analog”.

Hệ thống thực tế thường kết hợp cả số và tương tự

Thế giới vật lý phần lớn cung cấp các đại lượng liên tục. Nhiệt độ không khí, áp suất âm thanh hay cường độ ánh sáng không xuất hiện tự nhiên dưới dạng chuỗi bit. Vì thế, nhiều hệ thống số bắt đầu bằng một tầng analog.

Cảm biến tạo ra tín hiệu điện phản ánh đại lượng cần đo. Bộ chuyển đổi tương tự–số, hay ADC, lấy mẫu và lượng tử hóa tín hiệu đó để bộ xử lý có thể làm việc với dữ liệu số. Khi cần điều khiển loa, động cơ hoặc thiết bị vật lý, hệ thống có thể dùng bộ chuyển đổi số–tương tự, DAC, cùng các mạch analog để tạo tín hiệu đầu ra phù hợp.

Một chiếc điện thoại, máy ảnh hay hệ thống đo lường vì vậy không nhất thiết là “100% số” theo toàn bộ đường đi của tín hiệu. Phần lưu trữ và tính toán có thể là số, trong khi cảm biến, bộ khuếch đại, bộ lọc và tầng đầu ra vẫn xử lý tín hiệu tương tự.

Cách hiểu hữu ích nhất là xem analog và digital như hai phương thức biểu diễn và xử lý thông tin có thể phối hợp trong cùng một hệ thống. Analog thích hợp để giao tiếp trực tiếp với các đại lượng vật lý liên tục; digital đặc biệt thuận lợi khi cần lưu trữ, sao chép, tính toán, lập trình và tái tạo các trạng thái thông tin.

Công nghệ số khác công nghệ tương tự trước hết ở cách biểu diễn thông tin: công nghệ tương tự giữ thông tin dưới dạng biến thiên liên tục, còn công nghệ số mã hóa thông tin thành các trạng thái rời rạc. Từ khác biệt nền tảng này phát sinh sự khác nhau về lấy mẫu, lượng tử hóa, xử lý, truyền, lưu trữ và sao chép dữ liệu.

Điều đó không khiến hai công nghệ loại trừ nhau. Trong thực tế, nhiều hệ thống sử dụng analog ở nơi tiếp xúc với thế giới vật lý và chuyển sang digital khi cần xử lý hoặc lưu trữ. Vì vậy, thay vì xem công nghệ số đơn giản là phiên bản “tốt hơn” của công nghệ tương tự, chính xác hơn là xem chúng như hai cách biểu diễn thông tin với ưu điểm, giới hạn và vai trò khác nhau.