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なぜアナログ信号は、デジタル信号に比べてノイズに弱いの?

この記事では、音楽を視聴することを思い浮かべながら、アナログ信号がデジタル信号に比べてノイズに弱いことや、世の中の電子機器類の流れがアナログ方式からデジタル方式に変わってしまった理由を分かりやすく紹介しています。

レコードで聴く音楽は本当に滑らかなの?

近年では、音楽のツールもデジタル化が進んで、ほとんどアナログ音源で録音したものはなくなりました。

CDやミニディスクはデジタル信号ですし、ネットで配信される音楽は当然のようにデジタル信号です。

こんな時代になると、ドーナツ型レコードに録音した音楽は貴重です。

アナログ信号は連続した音声信号を、そのまま録音しているため情報量の多い信号です。デジタル信号のように「0」または「1」だけの集合体ではなく、中間値のある音源です。

その為、アナログ信号を録音したレコードが、聴く人によってはデジタル信号に比べて滑らかに聴こえるのは本当なのでしょう。

デジタル信号化が進んだ理由

ドーナツ型レコードに録音した音楽が、それほど耳に心地よいのなら、なぜデジタル化は進んでしまったのでしょうか?

人が住んでいる自然界では、ほとんどがアナログ音源信号です。そのため、電子機器の入力部ではアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路を、出力側にはデジタル信号をアナログ信号に戻すためのD/A変換回路を必要としています。

そんな余計な入出力部のインターフェース回路も必要になるのに、なぜデジタル信号化は進んでしまうのでしょうか?

《回路のデジタル化を促した理由》

  • デジタル信号は、回路の小型化や低消費電力化を実現
  • 無線通信は、回路のデジタル化を推進
  • 回路のデジタル化は、高速通信を実現して世の中のニーズに対応

《音源としてのアナログ信号の弱点》

  • アナログ信号はノイズに弱い

アナログ信号とデジタル信号の性質

自然界の音は、空気の振動で作られるアナログ情報です。

アナログ信号をデジタル信号化するには、一定の時間間隔で音の振動の高さ(波の高さ)を収集して、電子機器の性能にマッチした所定の細かさで数値化した後に、「0」または「1」のデジタル信号(2進法)に変換することで作られます。

「0」または「1」しかないデジタル信号は、高速に伝達することができます。

また、LOWレベル「0」またはHIGHレベル「1」の2つだけで判断すれば良いので、「しきいちレベル」はノイズ源に対して、ある程度の余裕度で設定することができます。さらに、デジタル信号は、劣化した信号波形の修復も簡単です。

上の「しきいちレベル」というのは、信号電圧を読み取る電圧値と考えて下さい。

例えば、信号電圧が0ボルトをLOWレベルの「0」、信号電圧が2ボルトをHIGHレベル「1」とした時、HIGHかLOWかの信号レベルを読み取る「しきいちレベル」は、1ボルト〜1.5ボルト程度の広い範囲で設定できるでしょう。

ノイズは、0ボルトや2ボルト付近に載ってしまいますが、この場合、信号レベルを1ボルト〜1.5ボルトで読み取れば良いので、ノイズに影響されにくい所で、判定できます。

これに対して、連続したアナログ信号には中間レベルもあります。そのため、連続したアナログ信号にノイズが載ると、ノイズ源だけ取り去ることは困難です。

以上が、アナログ信号は、デジタル信号に比べて、ノイズに弱く、扱いにくい理由です。

信号が連続しているアナログ回路が扱いにくい理由

アナログ信号は連続しているため、中間レベルが無数に存在します。

電子回路の特性上、中間レベルの電圧では、電流を流し続けなければなりません。電流が流れると消費電力が上昇して発熱してしまいます。

回路が発熱すると、寿命に影響するため、放熱しなければならなくなって小型化できなくなります。

これに対して、デジタル信号は「0」か「1」しか存在しないため、省エネ設計・回路の小型化が可能です。つまり、回路設計者からみるとアナログ回路は扱いにくいのです。

まとめ

アナログ信号は、耳に心地よいと言われています。

生演奏は、アナログ信号です。

そんなアナログ信号をデジタル信号に変換してまで、デジタル信号化する理由は何でしょうか?

理由は、「デジタル回路は小型化や低消費電力化しやすくて扱いやすい」、「無線通信技術が回路のデジタル化を推進」、「高速通信には、デジタル化が必須」、それに加えて「アナログ信号はノイズに弱い」という致命的な弱点がありました。

このような理由で、世の中の電子回路は、デジタル化が進みました。

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iyasaretaihito
子どもの時から、昆虫や恐竜、宇宙などに興味がある理科大好きな理系人間です。 会社は半導体設計関連会社に勤務して、60歳で定年退職後は趣味に没頭する、のん気なおじさんです。
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