Spis treści
Sygnał analogowy zmienia się płynnie, jak dźwięk w powietrzu, a sygnał cyfrowy to ciąg liczb zapisanych bitami. Ta różnica decyduje o tym, jak dźwięk się zapisuje, kopiuje i przesyła, i jest obecna w każdym zestawie audio: muzyka w telefonie jest cyfrowa, a do ucha zawsze trafia fala analogowa. Wyjaśniamy, co znaczy „analogowy”, czym sygnał dyskretny różni się od cyfrowego, jak działa zamiana jednego w drugi i czy analog rzeczywiście brzmi lepiej.
- Według słownika PWN sygnał analogowy to wielkość fizyczna zmieniająca się w sposób ciągły, a nie skokowo.
- Sygnał cyfrowy jest próbkowany w czasie i zaokrąglany do skończonej liczby poziomów, a potem zapisywany jako liczby.
- Sygnał dyskretny to nie to samo co cyfrowy: jest próbkowany w czasie, ale jego wartości nie muszą być zaokrąglone.
- Płyta CD zapisuje dźwięk 44 100 razy na sekundę z rozdzielczością 16 bitów, co daje 65 536 poziomów głośności i około 96 dB zakresu dynamiki.
- Sygnał cyfrowy można kopiować i przesyłać bez strat, a analogowy przy każdej kopii i transmisji zbiera szum.
- Badania odsłuchowe nie rozstrzygają sporu o hi-res: część nie wykazała różnicy wobec jakości CD, a metaanaliza z 2016 roku wykazała niewielką przewagę dla wytrenowanych słuchaczy.
Co znaczy „analogowy”?
Analogowy to taki, który przedstawia wielkość fizyczną w sposób ciągły, bez skoków między wartościami. Słownik języka polskiego PWN definiuje sygnał analogowy jako „sygnał w postaci wielkości fizycznej zmieniającej się w sposób ciągły, a nie skokowo”. Nazwa pochodzi od analogii: napięcie w kablu od mikrofonu zmienia się dokładnie tak, jak ciśnienie powietrza przy membranie, czyli jest jego elektrycznym odpowiednikiem.
W codziennym języku „analogowy” znaczy po prostu „niecyfrowy”. Zegarek analogowy ma wskazówki, które przesuwają się płynnie, a nie wyświetlacz z cyframi. Telewizja analogowa nadawała obraz w postaci ciągłego sygnału radiowego i w Polsce została ostatecznie wyłączona 23 lipca 2013 roku, a jej miejsce zajęła naziemna telewizja cyfrowa. Radio FM, gramofon i magnetofon kasetowy to dalsze przykłady sprzętu analogowego.
Czym jest sygnał analogowy?
Sygnał analogowy w audio to napięcie elektryczne, które w każdej chwili odwzorowuje ciśnienie fali dźwiękowej. Mikrofon zamienia drgania powietrza na takie napięcie, wzmacniacz je wzmacnia, a membrana słuchawki zamienia je z powrotem na drgania powietrza.
Zaletą jest prostota: sygnał analogowy nie wymaga przeliczania. Wadą jest podatność na zakłócenia. Każdy szum, który dołoży się do napięcia po drodze, staje się częścią sygnału i nie da się go potem odróżnić od muzyki. Dlatego kopia kasety nagrana z innej kasety brzmi gorzej od oryginału, a kopia kopii jeszcze gorzej.
Czym jest sygnał cyfrowy?
Sygnał cyfrowy to ciąg liczb, z których każda opisuje wartość dźwięku w jednej chwili. Liczby zapisuje się w systemie dwójkowym, a w kablu czy w powietrzu przesyła się je jako dwa stany: wysoki i niski, odpowiadające jedynce i zeru.
Odbiornik sygnału cyfrowego nie musi odtworzyć dokładnego napięcia, wystarczy, że odróżni zero od jedynki. Dopóki szum jest mniejszy niż różnica między tymi stanami, dane docierają bez zmian. Transmisje cyfrowe mają też mechanizmy wykrywania i korekcji błędów. Dzięki temu plik skopiowany sto razy jest identyczny z oryginałem bit po bicie.
Czy sygnał dyskretny to to samo co cyfrowy?
Nie, choć te pojęcia bywają używane zamiennie. Sygnał dyskretny jest określony tylko w wybranych chwilach, ale jego wartości mogą być dowolne, a sygnał cyfrowy jest dodatkowo zaokrąglony do skończonej liczby poziomów. Każdy sygnał cyfrowy jest więc dyskretny, ale nie każdy dyskretny jest cyfrowy. Zestawienie pokazuje różnice.
| Rodzaj sygnału | Czas | Wartości (amplituda) | Przykład z audio |
|---|---|---|---|
| Analogowy (ciągły) | ciągły | dowolne, płynne | napięcie z mikrofonu, sygnał w kablu jack |
| Dyskretny | wybrane chwile (próbki) | dowolne | pomiary napięcia w przetworniku przed zaokrągleniem |
| Cyfrowy | wybrane chwile (próbki) | skończona liczba poziomów | plik WAV, FLAC, dźwięk przesyłany przez Bluetooth |
Jak dźwięk zamienia się z analogowego w cyfrowy i z powrotem?
Zamianą zajmuje się przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), który wykonuje dwie operacje. Próbkowanie mierzy napięcie w równych odstępach czasu. Kwantyzacja zaokrągla każdy pomiar do najbliższego dostępnego poziomu, a liczba poziomów zależy od rozdzielczości bitowej.
Częstotliwość próbkowania wynika z twierdzenia o próbkowaniu, opisanego przez Harry’ego Nyquista i Claude’a Shannona: żeby wiernie zapisać dźwięk, trzeba go próbkować ponad dwa razy częściej niż najwyższa częstotliwość, którą chcesz zachować. Człowiek słyszy do około 20 kHz, dlatego płyta CD używa 44 100 próbek na sekundę (44,1 kHz).
Rozdzielczość decyduje o zakresie dynamiki, czyli o różnicy między najcichszym a najgłośniejszym dźwiękiem. Każdy bit to około 6 dB. 16 bitów z płyty CD daje 65 536 poziomów i około 96 dB dynamiki, a 24 bity w plikach hi-res teoretycznie około 144 dB.
Droga powrotna to zadanie przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC). Jest w każdym telefonie, komputerze, wzmacniaczu i słuchawkach bezprzewodowych. Jak wybrać zewnętrzny przetwornik, opisujemy w poradniku o przetwornikach DAC.
Gdzie w sprzęcie audio jest sygnał cyfrowy, a gdzie analogowy?
Na drodze od nagrania do ucha dźwięk zmienia postać więcej niż raz. Przy słuchaniu muzyki z serwisu streamingowego na słuchawkach Bluetooth wygląda to tak:
- Plik w serwisie: cyfrowy, zwykle skompresowany (np. AAC, Ogg Vorbis) albo bezstratny (FLAC).
- Telefon: cyfrowy, telefon dekoduje plik i koduje go ponownie kodekiem Bluetooth.
- Transmisja Bluetooth: cyfrowa, fale radiowe przenoszą bity.
- Słuchawki: przetwornik DAC w słuchawkach zamienia liczby na napięcie, od tej chwili sygnał jest analogowy.
- Wzmacniacz i przetwornik słuchawki: analogowe, membrana porusza powietrze.
W słuchawkach przewodowych z wtykiem jack zamiana na analog odbywa się wcześniej, w telefonie albo w przejściówce USB-C, która ma własny przetwornik. Złącza też zdradzają rodzaj sygnału: USB, optyczne TOSLINK, koaksjalne S/PDIF i HDMI przenoszą dane cyfrowe, a jack, RCA (cinch) i XLR sygnał analogowy.
Czy sygnał analogowy brzmi lepiej niż cyfrowy?
Sam fakt, że sygnał jest ciągły, nie sprawia, że brzmi lepiej. Analog ma teoretycznie nieskończoną rozdzielczość, ale w praktyce ogranicza ją szum: szum taśmy, szum przesuwu igły w rowku płyty, szumy elektroniki. Porównanie winylu z plikami wysokiej rozdzielczości omawiamy osobno w artykule winyl kontra pliki Hi-Res.
Badania nad tym, czy słychać różnicę między jakością CD a wyższą rozdzielczością, dają sprzeczne wyniki. W 2007 roku E. Brad Meyer i David Moran opisali w Journal of the Audio Engineering Society ślepe testy prowadzone przez ponad rok: wstawienie w tor odtwarzania nagrań wysokiej rozdzielczości „wąskiego gardła” 16 bit / 44,1 kHz nie było słyszalne dla żadnego z uczestników przy normalnej i dużej głośności. Krytycy zarzucali testom dobór nagrań. W 2016 roku Joshua Reiss z Queen Mary University of London opublikował metaanalizę 18 badań z udziałem 450 osób i ponad 12 000 prób. Wytrenowani słuchacze rozróżniali formaty w około 60% przypadków, co sam autor nazwał małą, ale ważną przewagą.
Naszym zdaniem jakość nagrania i masteringu oraz same słuchawki mają większy wpływ na brzmienie niż to, czy sygnał po drodze był cyfrowy, czy analogowy. Dobrze zrealizowany plik w jakości CD i dobrze tłoczona płyta winylowa mogą brzmieć świetnie. Źle zmasterowany album nie zabrzmi dobrze w żadnym formacie.
Najczęściej zadawane pytania
Co to znaczy analogowy?
Analogowy oznacza przedstawiający wielkość fizyczną w sposób ciągły, bez skoków. Sygnał analogowy zmienia się płynnie, tak jak dźwięk w powietrzu. W języku potocznym analogowy znaczy po prostu niecyfrowy, np. zegarek ze wskazówkami albo gramofon.
Czym różni się sygnał analogowy od cyfrowego?
Sygnał analogowy zmienia się płynnie i może przyjąć dowolną wartość. Sygnał cyfrowy jest mierzony w określonych chwilach, zaokrąglany do skończonej liczby poziomów i zapisywany jako liczby w postaci zer i jedynek.
Co to jest sygnał dyskretny?
Sygnał dyskretny jest określony tylko w wybranych chwilach, np. w kolejnych próbkach, ale jego wartości nie muszą być zaokrąglone. Gdy dodatkowo zaokrągli się je do skończonej liczby poziomów, powstaje sygnał cyfrowy.
Jakie są przykłady sygnału analogowego?
Napięcie z mikrofonu, sygnał w kablu słuchawkowym jack, rowek płyty winylowej, zapis na kasecie magnetofonowej i transmisja radia FM.
Jakie są przykłady sygnału cyfrowego?
Pliki muzyczne WAV, FLAC i MP3, dźwięk przesyłany przez Bluetooth, USB albo światłowód TOSLINK, zapis na płycie CD i naziemna telewizja cyfrowa.
Czy sygnał cyfrowy jest lepszy od analogowego?
Cyfrowy jest odporny na zakłócenia i kopiuje się bez strat, więc w przesyłaniu i przechowywaniu ma przewagę. O brzmieniu decydują jednak przede wszystkim nagranie, mastering i słuchawki.
Dlaczego płyta CD ma 44,1 kHz?
Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu częstotliwość próbkowania musi być ponad dwa razy wyższa niż najwyższa zapisywana częstotliwość. Człowiek słyszy do około 20 kHz, więc 44,1 kHz z zapasem obejmuje cały zakres słyszalny.
2 thoughts on “Sygnał analogowy i cyfrowy: czym się różnią?”