概要

デジタル信号とは、連続的な範囲ではなく、離散的な値や離散時間のサンプルを用いて情報を表現するものを指す。用語は密接に関連する二つの意味で使われる。ひとつは、限られた振幅レベルをとる波形を指す用法で、一般には二値の0と1が用いられる。もうひとつは、時間上の別々の瞬間に定義される数値サンプルの列を指す用法である。実際にはこの二つの意味は重なり合うことが多く、標本化され量子化された値が、電子系や光学系を流れるレベルベースの波形として伝送される。

主な特徴

デジタル信号には、生成、伝送、処理のしかたに影響するいくつかの技術的特性がある。

  • 離散的な振幅: 値は有限個の集合から選ばれる。最も一般的なのは二値である。
  • 標本化と量子化: アナログ源から得る場合、連続信号を時間的に標本化し、振幅を量子化する。
  • ビットレートとシンボルレート: 信号で表されるデータの速度（1秒当たりのビット数）と、シンボルが現れる速度。
  • タイミングと同期: 離散サンプルを正しく解釈するには、正確なクロッキングや回復が必要であり、ジッタやスキューが重要になる。
  • 帯域幅と雑音特性: デジタル形式は、スペクトル占有と耐雑音性の間で折り合いをつける。誤り検出と誤り訂正は雑音の影響を軽減できる。

歴史と発展

デジタル信号伝送の基礎となる概念は、19世紀から20世紀初頭の電信やスイッチングシステムにさかのぼり、電子計算機と通信の発展とともに成熟した。標本化定理や情報理論として表される、標本化と情報伝送に関する体系的な理解は、実用的な変換技術（アナログ-デジタル変換とデジタル-アナログ変換）や符号化方式の設計を導いた。半導体集積回路とデジタル変調方式の普及により、デジタル信号は現代の電子機器やネットワークで支配的になった。

用途と例

デジタル信号は多くの用途に現れる。たとえば、コンピュータ内部のバスや論理ゲート、シリアルデータリンク（USB、Ethernet）、デジタル音声（PCMサンプル）、映像ストリーミング、記憶媒体、無線通信などである。物理リンク上では、デジタルのビットストリームは電圧パルス、光ファイバー中の光パルス、あるいは搬送波を変調することで表される変化によって伝送される。後者には、デジタルシンボルに適用した振幅変調、周波数変調、位相変調などが含まれる。

区別と実用上の注意

デジタル信号とアナログ信号を区別し、さらに離散値（レベル）と離散時間（サンプル）の考え方を分けて理解することが重要である。デジタルシステムは、再生しやすいこと、誤り訂正が可能であること、論理回路や計算機と相性がよいことなどの利点を持つ一方、量子化誤差、遅延の可能性、慎重なクロック回復の必要性を伴う。ADCやDAC、エンコーダ、そしてNRZやマンチェスター方式の符号化のようなラインコードは、アナログ領域とデジタル領域を橋渡しする際の中心的な道具である。