A distinção entre sinais analógicos e digitais é muito simples, mas ainda pode ser um desafio entender os conceitos que definem os dois sistemas. Quando você pensa que entendeu, você se depara com uma discussão sobre algum YouTube vídeo que meio que convence você de que todo mundo está errado.
O problema não é que seja insuperavelmente difícil de entender. É que estamos tratando essas coisas como construções mutuamente exclusivas com distinções naturais e invioláveis, mas não é tão simples assim. Um dos principais fatos por trás da distinção é que a própria forma das ondas de rádio é analógica, mas sabemos que é possível, por meio da modulação de amplitude ou frequência, codificar valores digitais binários em uma onda analógica. Fazer isso pode violar nossas próprias regras – mas não quaisquer leis naturais. Os exemplos são muitos, como este relógio digital feito de Corian e madeira atuando de forma decididamente analógica.
Tudo isso está bem porque os termos servem ao seu propósito de qualquer maneira. Os sinais analógicos são estruturados, criados, transmitidos e interpretados para o uso de equipamentos analógicos. Os sinais digitais fazem o mesmo para uso com equipamentos digitais. Desde que um sinal desempenhe essas missões de forma limpa, eles podem ser considerados analógicos ou digitais sem reservas.
A propósito, nada diz que sinais analógicos ou mesmo digitais precisam ser elétricos, mas na maioria dos casos esse é o assunto em questão, então falaremos principalmente sobre sinais elétricos aqui.
Os sinais elétricos podem ser digitais ou analógicos
Vamos começar nossa investigação com uma mentira conveniente: os sinais elétricos podem ser digitais ou analógicos. Nós mentimos para você desta vez para ilustrar um ponto que aflige a maioria das discussões sobre este tópico – os explicadores têm o hábito de escolher o caminho mais fácil, e o caminho mais fácil nem sempre é totalmente verdadeiro.
A verdade, neste caso, é que os sinais elétricos podem ser ler como digital ou analógico, mas o arranjo subjacente e o fluxo de elétrons são sempre analógicos de um certo ponto de vista. Isso soa estranho, mas não é surpreendente. Se você escrever uma sequência de zeros e uns em um pedaço de papel, terá construído uma sequência digital, mas usando linhas de lápis que podem ser chamadas de analógicas e certamente não são digitais. Alguns argumentam que você não pode tornar um sinal elétrico digital mais do que uma marca de lápis, e isso terá implicações muito reais quando mais tarde tentarmos determinar que tipo de coisa digital realmente é.
No entanto, existe um entendimento comum de como os sinais podem ser pensados como digitais – sejam eles realmente ou não. O funcionamento desses sinais digitais e analógicos é simplificado pela visualização, como a maioria das coisas. No caso de sinais elétricos, isso geralmente significa observar sua representação em um osciloscópio, e estamos incluindo algumas capturas de tela de um osciloscópio na esperança de esclarecer um pouco as coisas.
Sinais analógicos são sinais de tempo contínuo
Se você está olhando para um sinal gráfico que se parece com uma linha suave (e possivelmente curva), não importa o quanto você amplie, você está olhando para um sinal analógico. Isso é verdade porque os sinais analógicos são contínuos no tempo e geralmente contínuos em qualquer valor que esteja sendo rastreado — mas voltaremos a isso.
Quando um osciloscópio (usamos um osciloscópio compatível com Raspberry Pi DIY chamado Scoppy para este artigo) exibir um sinal elétrico como uma onda senoidal como a mostrada acima, as informações mais básicas fornecidas são a amplitude e o período de tempo. Amplitude é o valor máximo do sinal no eixo vertical, expresso em volts. O período de tempo é mostrado no eixo horizontal e é o tempo necessário para um sinal completar um ciclo. Muitas vezes você ouvirá sobre frequência em vez de período — frequência é simplesmente o número de ciclos que ocorrem em um segundo, medido em hertz (Hz).
Assim, os sinais analógicos são contínuos em qualquer escala de tempo. Se você aumentar ou diminuir o zoom em um osciloscópio (isto é, se alterar o intervalo de tempo exibido), a linha que representa o sinal continuará a ser contínua de um ponto no tempo para o próximo.
Sinais analógicos têm resolução infinita
Então, o que essa continuidade de tempo realmente significa? Quando dizemos que você pode ampliar uma forma de onda e sempre ver uma continuidade de qualquer momento para qualquer outro, isso significa que você pode dividir o tempo um número infinito de vezes e sempre ver essa continuidade e sempre obter um valor (tensão ou corrente , geralmente) para qualquer momento.
Tente o seguinte: comece a caminhar em direção a uma parede, movendo-se até a metade a cada 30 segundos. Se você realmente conseguisse fazer isso com distâncias cada vez menores, nunca chegaria à parede. Isso ocorre porque os valores analógicos podem ser divididos infinitamente. Isso não significa que haja necessariamente algum valor em resoluções tão altas. É provável que você atinja rapidamente um nível de resolução que não pode ser percebido por seres vivos e não pode ser usado por equipamentos. Ainda assim, em teoria, qualquer ponto possível no tempo será representado em um sinal analógico.
Uma maneira comum de ilustrar isso é usando relógios. Um relógio analógico é geralmente um dispositivo redondo com ponteiros físicos que se movem suavemente em torno de um mostrador de relógio numerado com valores de 1 a 12. Esses são relógios de varredura suave com ponteiros de segundos que não marcam. Portanto, entre quaisquer dois pontos ao longo da varredura do ponteiro dos segundos, você pode aumentar o zoom infinitamente e continuar vendo um movimento suave. Os relógios digitais, por outro lado, podem exibir apenas um número limitado de valores discretos – digamos, inteiros de 0 a 59 ou 1 a 12.
Mesmo um relógio que pode mostrar milésimos de segundo mostrará valores discretos, que, em algum momento, não são adjacentes a nada. Da mesma forma, mesmo a forma de onda digital de resolução mais alta nunca pode ser tão detalhada quanto uma forma de onda analógica. No entanto, certamente pode ser detalhado o suficiente.
Os sinais digitais são discretos
Os sinais digitais, por outro lado, necessariamente possuem valores de um conjunto discreto e limitado de possibilidades. Os sinais digitais podem funcionar de várias maneiras, mas sempre terão valores discretos. Esses valores discretos podem, tomados como um todo, se aproximar de uma forma de onda analógica, mas sem verdadeira continuidade. Em vez disso, aumentar o zoom na onda revelaria uma irregularidade em degraus, onde os degraus horizontais representam um valor discreto específico. Nesse tipo de sinal digital, há um conjunto finito de valores possíveis, mas os valores podem representar um número muito grande e uma faixa muito ampla.
Outra abordagem, mais familiar para as pessoas que pensam no digital como uma série de uns e zeros, é a forma de onda quadrada. Isso parece uma onda, mas é feito de formas quadradas em vez de curvas. No caso da modulação por largura de pulso (PWM), uma tecnologia para controlar muitas coisas, como luzes de LED, cada uma dessas caixas representa um estado ligado. Quando o valor recua para perto de zero e nenhuma caixa está presente, esse é um estado desligado.
Equipamentos digitais como servos e LEDs são controlados com PWM. O que é interessante sobre o PWM é que o estado On representa 100% de energia e Off representa 0% de energia. Portanto, o brilho de um LED é controlado pela quantidade de tempo gasto no estado ligado. Se estiver ligado exatamente tanto quanto desligado, diz-se que tem um ciclo de trabalho de 50% e a lâmpada está entre totalmente brilhante e totalmente esmaecida. O fato de haver um número limitado de valores possíveis (ligado e desligado) torna este sinal digital.
Digital não é a mesma coisa que binário
Essas pessoas de quem falamos que pensam no digital como uma série de uns e zeros geralmente estão certas, mas também estão erradas. Os valores discretos em um sinal digital não precisam ser uns e zeros, ou On e Off, para atender aos requisitos de digitalidade. No entanto, muitas vezes pensamos no digital como equivalente ao binário, pelo qual temos os computadores para culpar.
Os números binários (base 2) são uma destilação muito clara do que significa ter um conjunto discreto de valores possíveis. É assim que a grande maioria dos computadores modernos funciona, e a dualidade 1/0 (transistor ligado/transistor desligado) permite armazenar e manipular dados com componentes minimamente complexos. Um sinal que inclui dados binários é um exemplo de sinal digital, mas existem muitos outros.
Um desses sinais digitais não binários é o código Morse, junto com sinais semelhantes transmitidos da Terra para rastrear alienígenas de designação analógica/digital desconhecida. Código Morse, o método de pontos e traços de comunicação com a telegrafia. Mas espere, você está pensando, pontos e traços são dois estados, então é binário. Bem, você não estaria sozinho ao afirmar isso, mas o código Morse tem pelo menos três estados – ponto, traço e desligado (silêncio, ausência de pontos ou traços).
Então, por que toda a confusão?
Já deve ter ocorrido a você que a distinção entre sinais analógicos e digitais é repleta de imprecisões, exceções e alternativas. Esse tipo de imprecisão geralmente é sinal de um conceito falho, mas, nesse caso, geralmente tem a ver com confusão de terminologia.
Tomemos a própria ideia de um sinal, por exemplo. Um sinal transporta dados e, como tal, representa alguma outra coisa, potencialmente de várias maneiras. Um sinal de áudio digital, por exemplo, conterá informações sobre frequência e amplitude e possivelmente muitas outras coisas, dependendo do formato digital. No entanto, os dados não são necessariamente codificados no sinal da mesma forma que o equipamento que usa ou armazena esses dados pode codificá-los. um sinal digital pode ser binário, mas também pode ser um conjunto muito maior de valores, desde que seja um conjunto finito. Caso contrário, é analógico.
Conceitualmente, é natural se perguntar se são realmente os dispositivos de interpretação que tornam um determinado sinal digital ou analógico, em vez de um conjunto claramente definido de características do próprio sinal. Os engenheiros geralmente rejeitam veementemente a ideia de digital como uma sobreposição interpretativa aplicada a um sinal pelo equipamento que está interpretando esse sinal. Ainda assim, é um ponto de vista que vale a pena considerar, especialmente considerando que todos os sinais elétricos são analógicos em certo sentido, e alguns são simplesmente moldados de maneira digital.
Pense no relógio que discutimos anteriormente, mas desta vez faça com que seja um relógio tiquetaqueando. Como parece ter valores discretos, pelo menos em segundos, isso o torna um dispositivo digital? É, até certo ponto, uma questão de perspectiva.
Os circuitos digitais são úteis
Então, se você pode ter computadores analógicos e sinais analógicos que naturalmente contêm mais informações, o que há com toda a tecnologia digital? Existem muitas razões, mas a chave é provavelmente o simples fato de que é muito mais simples realizar a maioria das coisas com circuitos e equipamentos que atuam em sinais digitais. Existem dispositivos analógicos programáveis, mas eles são imensamente mais complexos do que seus equivalentes digitais. Você pode facilmente processar e modificar sinais digitais diretamente com programação em vez de circuitos analógicos, o que é muito mais difícil e caro.
Talvez ainda mais importante, os sinais digitais sofrem menos interferência do que os sinais analógicos. Mais precisamente, eles sofrem menos de interferência. O sinal elétrico subjacente é tão suscetível a interferência quanto qualquer outro. No entanto, a clareza nos valores discretos de um sinal digital o isola dos tipos de ruído, má interpretação e mudanças que podem prejudicar um sinal analógico com muita interferência.
Outro benefício é que é fácil fazer cópias exatas de dados digitais, portanto, cópias perfeitas podem ser feitas de forma muito barata. Isso é importante se você ainda compra CDs, mas é ainda mais importante se precisar fazer backup do seu PC.
Converter de analógico para digital destrói informações
Falando em CDs, alguns argumentarão, bem alto, que o digital não é necessariamente melhor. Esse debate já se espalhou pela comunidade audiófila, onde drama e desacordo estão na ordem do dia. O problema é que as informações podem ser perdidas quando os dados são codificados digitalmente. Devido à necessidade de valores discretos em sinais digitais, quaisquer sutilezas contidas nas curvas contínuas e ricas em informações de uma onda sonora, por exemplo, serão necessariamente simplificadas.
Lembra como dissemos que os sinais analógicos têm resolução infinita? Como os sinais digitais não, é necessário perder algumas informações ao converter de analógico para digital. Além disso, também é necessário interpolar algumas novas informações ao converter de digital para analógico. Essas conversões são normalmente feitas por componentes chamados conversores analógico-digital (ADCs) e conversores digital-analógico (DACs). Quanto mais precisão um ADC ou DAC puder atuar sobre as informações, menos informações serão perdidas e maior será a qualidade da saída.
Qual é melhor?
Para qualquer finalidade e intenção, é possível que sinais analógicos ou digitais sejam a alternativa mais adequada. Tendemos a pensar na tecnologia digital (e, portanto, nos sinais digitais) como um ajuste melhor para nossas necessidades porque ela evoluiu a partir dessas necessidades, mas isso não necessariamente sustenta o questionamento. É uma peculiaridade do sinal analógico que exige menos largura de banda do que sinais digitais inferiores, portanto, o analógico é geralmente preferido como modo de transmissão de áudio e vídeo.
Quando os dados se prestam naturalmente a valores discretos (e a maioria dos dados o faz), é muito mais eficiente codificá-los, armazená-los, recuperá-los e manipulá-los digitalmente. Apenas um quarto de século atrás, algumas instalações armazenavam dados de vídeo em grandes bibliotecas de fita magnética que eram movidas roboticamente. Hoje, tudo sobre essa abordagem está completamente desatualizado e ninguém sequer consideraria uma solução mecânica para armazenamento de vídeo quando soluções digitais muito melhores estão ao alcance de todos.
Isso não significa que não pagamos um preço. Certamente, há custos estéticos para a revolução digital e alguns mais concretos também. Por exemplo, alguns afirmam que a retenção de informações não é tão boa com e-books quanto com livros de papel reais. Isso pode manter os livros por um tempo, mas é difícil acreditar que eventualmente não tornaremos os leitores de e-books bons o suficiente para apagar essa diferença.