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この項目では、情報工学上の理論について記述しています。その他のデジタル、ディジタルの用例については「デジタル (曖昧さ回避)」をご覧ください。 |
デジタル（英語: digital。英語発音: /ˈdiʤətl/ ディジャトゥル、ディジャトー）とは、アナログに対応する理論で、工業的には状態を示す量を量子化、離散化して処理（取得、蓄積、加工、伝送など）を行う方式のことである。デジタル処理、デジタル記録、デジタル伝送、デジタル制御などがある。
日本語では他にディジタルやDTともよばれるが、計数（けいすう）という日本語訳もある。この訳は、古い学術文献や通商産業省の文書などで使われている。digitalの本来の意味はラテン語の「指 (digitus)」であり、数を指で数えるところから離散的な数を意味するようになった。
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目次
- 1 概要
- 2 表記
- 3 特徴
- 4 デジタル処理
- 4.1 デジタル化処理
- 4.2 デジタル処理の適用
- 5 符号化
- 6 関連項目
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概要
データの数値化にあたっては量子化を行い、整数値（すなわちdigit）で表現する。例えば上昇では階段状に上っていけばデジタルで、スロープ状に上ればアナログである。整数で表示できるか、およその数値で表現するかの違いである。このため、データ量を離散的な値として表現することになり小さい量に対しては誤差を持つ。この誤差は適切な量子化を行うことで実用上影響の無い範囲にすることができ、データ量に比例したアナログ量を用いるのとほぼ等価な処理を提供可能である。
今日のコンピュータの主流であるデジタルコンピュータにおいては、0と1だけからなる2進数を物理的な表現形式（電圧の高・低）として持つため、デジタルは0と1からなるという説明がよくなされるが、はっきりと区別できる2以上の状態で表現されているデータ（例: そろばんの玉など）はどれもデジタルと呼ぶことができる。
デジタルデータは、一般的に電子媒体に格納される。
表記
一般的には「デジタル」と表記される。しかし、電気・電子・情報工学の分野では「ディジタル」と表記され、日本工業規格 (JIS X 0001, JIS X 0005) でも「ディジタル」（ディジタル計算機、ディジタル化する、ディジタルデータなど）になっている。これは、「digital」のつづり「di」を意識してのことである。
特徴
デジタルデータは、離散値として数値化しているため、アナログデータと比べて劣化しにくい特性を持つ。伝送・記録再生などを行う場合、デジタル量もアナログ量と同様に電圧・電流などの電気信号に置き換えて取り扱われるが、外乱が生じて信号にノイズが混入した場合、アナログ処理では特別な処理を行わない限り信号に混じったノイズを取り除くことが困難である。これに対しデジタル処理では、数値は離散化してあり中間値を持たない（注1）ため、ノイズによって生じた誤差が一定以下ならばそれを無視でき、元の数値データを劣化無しに復元可能である。
- 注1） 例えばデータが整数表現の場合、ノイズによって1が0.8や1.2に変化しても1と認識させることが可能である。
実際の記録・伝送などではノイズなどの影響が無視できず、もとのデータと異なるデータが再生されてしまうこともある（上の例では1が0.4や1.6に変化すると別な値、すなわち0あるいは2として再生される）。しかし、データを予め誤り訂正符号などを使って冗長化しておくと、途中で劣化しても自動的に修復したり、誤りの発生を検出して再送を要求したりすることができ、信頼性の高い処理を提供することが可能になる。
デジタル処理
デジタル化処理
アナログデータをデジタルデータに変換することを「デジタル化する」、「デジタイズする」などという。
詳細は「デジタイズ」を参照
デジタル処理の適用
デジタルデータをそのまま扱う場合について述べる。
実際のデジタル処理に当たっては、2進数ひとつの単位をビットとし、8ビットなどのまとまった単位を合わせてオクテットまたはバイト、ワードという単位にして取り扱うことが多い。これは処理装置や記憶装置の語長に合わせて効率よく使えるようにするためである。
デジタルデータにおいては、表現可能な数値範囲を超えたり、最小値に近い数値を扱う際には注意が必要である。 アナログ処理では、多少入力電圧が規定より超過しても影響がないか、わずかな影響で済む場合もある。しかしデジタル処理では、定義された最大値を超えた場合には桁あふれ（オーバーフロー）となり、以後の演算処理の結果は保証されない。また、最小値に近い数値では量子化誤差が無視できず、S/N比の劣化として現れることがある。さらに、数値計算の際に不用意な処理手順による桁落ちが生じ、著しい有効桁数の減少を招くこともあるため、注意を要する。
符号化
様々な分野でそれぞれ適切な表現形式を用いてデータを符号化している。
- 数値は、整数や浮動小数点型、固定小数点型などとして扱える。
- 文字は、文字コードで文字とコードを対応させることができる。
- 音声は、PCMなどでデジタル化できる。楽譜情報を電子化したものはMIDI、MMLなど。
- 絵、映像は、光をRGBなど色の成分に分解し、各色の明るさなどを数値化する。
- 図形は、ベクトルデータ形式による。この形式は、狭義には線分の始点と終点の座標を数値で記録する。広義には、各種の図形に対して、例えば円なら、「図形コード＝円、中心座標、半径」を記録する。これらのデータからの例えば円を描くことは図形表示ソフトウェアに任せる。
関連項目
- アナログ
- 信号処理
- データ
- 符号化方式
- 情報理論
- 誤差
- 誤り訂正符号
- デジタル技術検定
- デジタルアート
- デジタイズ
- デジタル制御
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デジタルシステム |
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| 構成 |
論理回路 · デジタル回路 · 集積回路 (IC)
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| 理論 |
ブール論理 · デジタル信号処理 · コンピュータ・アーキテクチャ
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| 応用 |
デジタルオーディオ · デジタル写真 · デジタルビデオ · 電子文学
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For other uses, see Digital (disambiguation).
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A digital system[1] is a data technology that uses discrete (discontinuous) values. By contrast, non-digital (or analog) systems represent information using a continuous function. Although digital representations are discrete, the information represented can be either discrete, such as numbers and letters or continuous, such as sounds, images, and other measurements.
The word digital comes from the same source as the words digit and digitus (the Latin word for finger), as fingers are used for discrete counting. It is most commonly used in computing and electronics, especially where real-world information is converted to binary numeric form as in digital audio and digital photography.
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Contents
- 1 Symbol to digital conversion
- 2 Properties of digital information
- 3 Historical digital systems
- 4 See also
- 5 References
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Symbol to digital conversion
Since symbols (for example, alphanumeric characters) are not continuous, representing symbols digitally is rather simpler than conversion of continuous or analog information to digital. Instead of sampling and quantization as in analog-to-digital conversion, such techniques as polling and encoding are used.
A symbol input device usually consists of a gropulet of switches that are polled at regular intervals to see which switches are switched. Data will be lost if, within a single polling interval, two switches are pressed, or a switch is pressed, released, and pressed again. This polling can be done by a specialized processor in the device to prevent burdening the main CPU. When a new symbol has been entered, the device typically sends an interrupt to alert in a specialized format so that the CPU to read it.
For devices with only a few switches (such as the buttons on a joystick), the status of each can be encoded as bits (usually 0 for released and 1 for pressed) in a single word. This is useful when combinations of key presses are meaningful, and is sometimes used for passing the status of modifier keys on a keyboard (such as shift and control). But it does not scale to support more keys than the number of bits in a single byte or word.
Devices with many switches (such as a computer keyboard) usually arrange these switches in a scan matrix, with the individual switches on the intersections of x and y lines. When a switch is pressed, it connects the corresponding x and y lines together. Polling (often called scanning in this case) is done by activating each x line in sequence and detecting which y lines then have a signal, thus which keys are pressed. When the keyboard processor detects that a key has changed state, it sends a signal to the CPU indicating the scan code of the key and its new state. The symbol is then encoded, or converted into a number, based on the status of modifier keys and the desired character encoding.
A custom encoding can be used for a specific application with no loss of data. However, using a standard encoding such as ASCII is problematic if a symbol such as 'ß' needs to be converted but is not in the standard.
Properties of digital information
All digital information possesses common properties that distinguish it from analog communications methods:
- Synchronization: Since digital information is conveyed by the sequence in which symbols are ordered, all digital schemes have some method for determining the beginning of a sequence. In written or spoken human languages synchronization is typically provided by pauses (spaces), capitalization, and punctuation. Machine communications typically use special synchronization sequences.
- Language: All digital communications require a language[disambiguation needed], which in this context consists of all the information that the sender and receiver of the digital communication must both possess, in advance, in order for the communication to be successful. Languages are generally arbitrary and specify the meaning to be assigned to particular symbol sequences, the allowed range of values, methods to be used for synchronization, etc.
- Errors: Disturbances (noise) in analog communications invariably introduce some, generally small deviation or error between the intended and actual communication. Disturbances in a digital communication do not result in errors unless the disturbance is so large as to result in a symbol being misinterpreted as another symbol or disturb the sequence of symbols. It is therefore generally possible to have an entirely error-free digital communication. Further, techniques such as check codes may be used to detect errors and guarantee error-free communications through redundancy or retransmission. Errors in digital communications can take the form of substitution errors in which a symbol is replaced by another symbol, or insertion/deletion errors in which an extra incorrect symbol is inserted into or deleted from a digital message. Uncorrected errors in digital communications have unpredictable and generally large impact on the information content of the communication.
- Copying: Because of the inevitable presence of noise, making many successive copies of an analog communication is infeasible because each generation increases the noise. Because digital communications are generally error-free, copies of copies can be made indefinitely.
- Granularity: When a continuously variable analog value is represented in digital form there is always a decision as to the number of symbols to be assigned to that value. The number of symbols determines the precision or resolution of the resulting datum. The difference between the actual analog value and the digital representation is known as quantization error. Example: the actual temperature is 23.234456544453 degrees but if only two digits (23) are assigned to this parameter in a particular digital representation (e.g. digital thermometer or table in a printed report) the quantizing error is: 0.234456544453. This property of digital communication is known as granularity.
- Compressible: According to Miller, "Uncompressed digital data is very large, and in its raw form would actually produce a larger signal (therefore be more difficult to transfer) than analog data. However, digital data can be compressed. Compression reduces the amount of bandwidth space needed to send information. Data can be compressed, sent and then decompressed at the site of consumption. This makes it possible to send much more information and result in, for example, digital television signals offering more room on the airwave spectrum for more television channels."[2]
Historical digital systems
Even though digital signals are generally associated with the binary electronic digital systems used in modern electronics and computing, digital systems are actually ancient, and need not be binary or electronic.
- Written text in books (due to the limited character set and the use of discrete symbols - the alphabet in most cases)
- An abacus was created sometime between 1000 BC and 500 BC, it later become a form of calculation frequency, nowadays it can be used as a very advanced, yet basic digital calculator that uses beads on rows to represent numbers. Beads only have meaning in discrete up and down states, not in analog in-between states.
- A beacon is perhaps the simplest non-electronic digital signal, with just two states (on and off). In particular, smoke signals are one of the oldest examples of a digital signal, where an analog "carrier" (smoke) is modulated with a blanket to generate a digital signal (puffs) that conveys information.
- Morse code uses six digital states—dot, dash, intra-character gap (between each dot or dash), short gap (between each letter), medium gap (between words), and long gap (between sentences)—to send messages via a variety of potential carriers such as electricity or light, for example using an electrical telegraph or a flashing light.
- The Braille system was the first binary format for character encoding, using a six-bit code rendered as dot patterns.
- Flag semaphore uses rods or flags held in particular positions to send messages to the receiver watching them some distance away.
- International maritime signal flags have distinctive markings that represent letters of the alphabet to allow ships to send messages to each other.
- More recently invented, a modem modulates an analog "carrier" signal (such as sound) to encode binary electrical digital information, as a series of binary digital sound pulses. A slightly earlier, surprisingly reliable version of the same concept was to bundle a sequence of audio digital "signal" and "no signal" information (i.e. "sound" and "silence") on magnetic cassette tape for use with early home computers.
See also
- Analog sound vs. digital sound
- Analog-to-digital converter
- Binary
- Data (computing)
- Decline of library usage
- Digital-to-analog converter
- Digital architecture
- Digital art
- Digital control
- Digital culture
- Digital Divide
- Digital infinity
- Digital electronics
- Digital native
- Digital physics
- Digital Revolution
- Digital signal
- Digital video
- Digital recording
References
- ^ Tocci, R. 2006. Digital Systems: Principles and Applications (10th Edition). Prentice Hall. ISBN 0-13-172579-3
- ^ Miller, Vincent (2011) Convergence and the Contemporary Media Experience
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Digital systems
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| Components |
- Logic gate
- Combinational logic
- Sequential logic
- Digital circuit
- Integrated circuit (IC)
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| Theory |
- Boolean algebra
- Logic synthesis
- Digital signal processing
- Computer architecture
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| Applications |
- Digital audio
- Digital photography
- Digital video
- Electronic literature
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