(Fr.: convertisseur analogique-numérique; Du.: Analog-Digital-Umwandler, Analog-Digital-Umsetzer; Eng.: analogue-to-digital converter) of A/D-omzetter, apparaat dat een analoog signaal omzet in een digitaal signaal.
Analoog-digitaalomzetters treft men aan op de interface van analoge en digitale systemen, zoals in meetwaardeomzetters in computergestuurde processen, digitale meetapparatuur en pulscodemodulatieapparatuur (PCM) in de telecommunicatie: tevens zie Pulscodemodulatie. In het hierna volgende zal vooral worden ingegaan op de telecommunicatieaspecten van analoog-digitaalomzetters.Een analoog signaal is een signaal waarvan de amplitude en de momentele waarde (ogenblikswaarde) theoretisch met oneindige nauwkeurigheid kan worden vastgesteld.
Vaak is men echter in het geheel niet geïnteresseerd in deze oneindige nauwkeurigheid. Bovendien is het moeilijk bij het transport van een analoog signaal ten gevolge van de optredende storingen de vereiste nauwkeurigheid te handhaven; dan kan de omzetting in een digitaal signaal uitkomst bieden. Van een digitaal signaal immers kunnen de in de tijd opeenvolgende amplituden (algemener: niveaus) slechts een beperkt aantal waarden aannemen, in het algemeen slechts twee (er is dan sprake van een binair signaal). De bij het ontwerp van de analoog-digitaalomzetter eenmaal gekozen nauwkeurigheid (quantiseringsvervorming) kan nu tijdens het transport goed worden gehandhaafd door de niveaus op regelmatige afstanden door middel van repeaters of lijnpulsherhalers te reconstrueren.
De reconstructie is mogelijk zolang de verstoringen kleiner zijn dan het halve verschil van twee naburige niveauwaarden. Na de reconstructie is het signaal weer identiek aan het verzonden signaal.
In tegenstelling hiermee wordt een analoog signaal niet gereconstrueerd, maar versterkt, waarbij de storingen worden mee versterkt. Dit beperkt de maximale lengte van een analoge verbinding. De duidelijk betere mogelijkheden van digitale transmissie in dit opzicht hebben samen met de veelbelovende eigenschappen van digitale telefooncentrales geleid tot een levendige belangstelling voor het digitale net.
De analoog-digitaalomzetter voert op het analoge signaal de volgende drie bewerkingen uit: bemonstering, niveauquantisatie en codering.
1. De bemonstering van het signaal houdt in: het bepalen van het niveau op vaste, voldoend frequente tijdstippen. De bemonsteringsfrequentie moet minstens tweemaal zo groot zijn als de bandbreedte van het signaal.
2. De niveauquantisatie is de bewerking van het toewijzen aan elk niveaumonster of aan een verschil van niveaumonsters van één element van een eindige verzameling normniveaus. Ten gevolge van deze eindigheid vindt de toewijzing plaats met beperkte nauwkeurigheid. Dit uit zich aan de ontvangzijde van het systeem na de digitaal-analoogomzetting in een ruisachtige verstoring: de quantiseringsvervorming. Heeft de toewijzing plaats aan elk niveaumonster, dan is er sprake van (momentele) pulscodemodulatie (PCM). Worden de normniveaus toegewezen aan een verschil van niveaumonsters, dan heeft men te maken met de diverse vormen van differentiële PCM (DPCM).
Differentiële codering vindt plaats door quantisering van het verschil van het momentele monster en een schatting hiervan, die door een predictor wordt berekend uit een of meer voorafgaande monsters. Een bijzondere vorm van DPCM is die waarbij de verzameling normniveaus slechts uit één element bestaat: de deltamodulatie (DM).
Als op grond van kennis van eerdere niveaumonsters de quantisatie en/of de predictie worden aangepast, is er sprake van adaptieve systemen, zoals adaptieve PCM, (APCM), adaptieve differentiële PCM (ADPCM) en adaptieve deltamodulatie (ADM). Al deze methoden dienen om, gebruik makende van de in het analoog signaal aanwezige statistische bindingen (redundantie), de omzetting zo efficiënt mogelijk te maken. Daardoor kan men het over te dragen aantal bits minimaliseren bij gelijkblijvende nauwkeurigheid óf de nauwkeurigheid opvoeren bij gelijkblijvend aantal over te dragen bits.
Is bij het ontwerp van de A/D-omzetter voldoende bekend omtrent de niveauverdeling van het over te dragen signaal, dan kan een aanpassing aan de gemiddelde signaaleigenschappen ook vast worden ingebouwd door middel van compressie bij de A/D-omzetter en expansie bij de D/A-omzetter. Voorbeeld hiervoor vormen de niet-lineaire pulscodemodulatoren in PCM-transmissiesystemen voor telefoniesignalen.
Alle genoemde methoden van A/D-omzetting leiden bij de codering van telefoniesignalen tot bitstromen van enige kilobits per seconde, terwijl de informatieproduktie van de menselijke stem slechts enige tientallen bits per seconde bedraagt. Dichter in de buurt van dit theoretisch minimum komen de A/D-omzetters die gebruik maken van kennis over de wijze waarop het menselijk stemgeluid ontstaat, de zgn. vocoders. Naast de grote punten van overeenstemming tussen de diverse A/D-omzetters zijn er ook grote verschillen in
nauwkeurigheid, te beoordelen aan de verhouding van signaal en quantiseringsvervorming én aan de subjectieve kwaliteit, en in gevoeligheid voor bitfouten bij de transmissie, die in het algemeen toeneemt naarmate er door efficiëntere omzetting meer redundantie uit het signaal wordt verwijderd.
3. De derde bewerking die de A/D-omzetter uitvoert op het analoge signaal is het uitdrukken van de normniveaus in een getal, in het algemeen een binair getal: de codering. In de praktische uitvoering zijn de bewerkingen van niveauquantisatie en codering vaak sterk verweven; met name zijn de efficiency verbeterende middelen (differentiële en adaptieve codering en compressie) vaak in de codering ondergebracht, zodat ze in digitale bouwstenen kunnen worden uitgevoerd.
De uitvoering van de toewijzing van het normniveau kan op een aantal manieren geschieden, en wel door:
a. de directe methode: alle normniveaus zijn tijdens het toewijzingsproces continu aanwezig:
b. de telmethode: het normniveau wordt tijdens het toewijzen net zolang met telkens één niveaustap verhoogd tot de gewenste waarde is bereikt, en de uitgangscode wordt ook telkens met één verhoogd;
c. de iteratieve methode: het juiste normniveau wordt bepaald door achtereenvolgens vast te stellen of het aangeboden monster ligt in de bovenste of de onderste helft van het uitstuurbereik, in de bovenste of de onderste helft van de bij de vorige stap gekozen helft enz. Deze keuzen worden bestuurd door het veranderen van de bits in het uitgaande codewoord.
De drie methoden onderscheiden zich van elkaar door verschillende compromissen tussen het aantal onderdelen en de snelheid ervan. De directe methode vraagt veel onderdelen, maar heeft voor de toewijzing de totale bemonsteringstijd ter beschikking; de telmethode vraagt betrekkelijk weinig onderdelen, maar de snelheid dient gelijk te zijn aan de bemonsteringsfrequentie maal het aantal niveaustappen; de iteratieve methode neemt een middenpositie in met een redelijke hoeveelheid materiaal en een werksnelheid gelijk aan de bemonsteringsfrequentie maal het aantal bits in het uitgangscodewoord.