¿Por qué los sistemas digitales tienden a consumir más energía que los sistemas analógicos?

La mayoría de los sistemas actuales usan tanto digital como analógico (ue) juntos. Típicamente, un transistor analógico usará más potencia porque necesita ser más grande para proporcionar una respuesta lineal. Un transistor digital solo necesita estar encendido o apagado. Sin embargo, se necesitarán muchos transistores digitales para representar un valor analógico. A medida que el sistema se vuelve más complejo, el sistema digital probablemente ganará al final debido a su mayor potencial para escalar a geometrías más pequeñas.

Actualización: si estamos considerando sistemas de receptor de radio, un receptor de transmisión de audio digital (no se usa mucho fuera del Reino Unido) consumirá mucha más energía y producirá una calidad ligeramente peor que un receptor FM de buena calidad. ¿Por qué? Porque el objetivo es minimizar el ancho de banda y empacar en más canales, lo que requiere una decodificación elaborada. Y debido a que no es un estándar mundial, no vale la pena invertir para reducir los costos y el consumo de energía en un mercado pequeño. Otro problema es que la codificación / decodificación ha avanzado desde entonces, pero la compatibilidad con versiones anteriores debe mantenerse durante varios años.

Ellos no.

Sin embargo, para comparar, debe encontrar sistemas digitales versus analógicos que hagan el mismo trabajo. Es casi siempre el caso de que un sistema digital agrega un montón de campanas y silbatos en el camino al mercado, porque eso es fácil para un sistema digital (“una simple cuestión de software”, como a los ingenieros de hardware nos gusta decir), y todavía viene fuera de baja potencia. Pero parte de esto es darse cuenta de que casi todos los sistemas utilizados por los humanos son en parte analógicos, y dividir el diseño del sistema entre cosas que funcionan bien en analógico y aquellas que funcionan bien en digital.

Dos ejemplos de mi propio trabajo. Hace algunos años, estaba diseñando el primer controlador totalmente digital para automóviles R / C. Esta era una industria que usaba tecnología de radio que no cambió todo desde la década de 1940, no transmisores analógicos de largo alcance que funcionan a + 9V-12V. Mi reemplazo digital estaba usando una radio de banda ISM de banda estrecha de 2.4GHz (canales de 1MHz) con modulación DSSS, funcionando a + 3.3V y una potencia de transmisión mucho menor (menos de 100mW). Las radios finales hicieron todo tipo de cosas que no encontraste en las unidades analógicas (a pesar de que la mayoría de ellas tenían terminales controladas por microprocesador), y usaron una pequeña fracción de la potencia … funcionamos el doble de la mitad de las baterías , y obtuve 3 veces el rango. Ese fue un buen ejemplo de cómo lo digital puede reemplazar a lo analógico y ahorrar energía.

Hicimos otro proyecto en la misma compañía, y este fue más un proyecto de investigación que cualquier cosa destinada a la producción. Esto fue unos años más tarde, y en ese momento habíamos desarrollado una tecnología de radio más nueva para robots más grandes, usando radios de banda ancha en lugar de radios de banda estrecha, y obtuvimos un contrato para prototipar un servidor de agregación de video para usar en un campo de batalla. La idea es que un soldado tenga una cámara de casco con múltiples canales: la salida de video de varios drones y robots. La mayoría de los robots estaban entregando video como una transmisión JPEG en movimiento a través de 802.11, pero la mayoría de los drones estaban usando video analógico compatible con NTSC en frecuencias extrañas.

Entonces, para crear un prototipo de esto, utilizamos una “radio de software” … básicamente, había una interfaz analógica con un sintonizador, y ese sintonizador solo muestreó hasta 8MHz más o menos del espectro al que apuntaste, sin demodulación ni nada. Entonces esa transmisión digitalizada ingresó a una PC, y la PC hizo todas las cosas analógicas habituales. Escribí el código que demodulaba y decodificaba el video NTSC en color. Fue divertido y genial, pero también una forma terrible de construir un sistema. El servidor se ejecutó en una PC de montaje en rack de 1U con dos procesadores Intel de cuatro núcleos. Se necesitó aproximadamente un núcleo para decodificar el flujo NTSC, otro para codificar ese video o JPEG de los robots en MPEG-4, para su agregación en un flujo de video DVB-H. Así que fue una carga de potencia bastante grande para reemplazar lo que podría hacer con un chip decodificador NTSC real por unos milivatios y alrededor de $ 2.50 … un poco más si necesitáramos un circuito de convertidor en el frente para mover el rango de sintonización del sintonizador NTSC a otro lugar . Nuevamente, esto nunca tuvo la intención de ser un sistema de producción, solo una prueba de concepto.

En términos más prácticos, descubres que no estás comparando plátanos y toronjas. Claro, los teléfonos inteligentes de hoy toman más potencia que una vieja radio analógica … pero esa no es la parte de la radio. La radio 3G / 4G en realidad usa menos energía que un viejo teléfono AMPS … es solo el resto del teléfono, ese 98% es su computadora de bolsillo, está absorbiendo toda esa energía.

O mire la fotografía electrónica versus química (la forma correcta de pensarlo, en lugar de digital versus analógica). Claro, puede obtener una o dos operaciones de una cámara de película, mientras que una cámara digital puede necesitar un reemplazo de batería o dos en medio de una sesión. Pero considere … la cámara de película solo está alimentando un medidor. La energía necesaria para hacer la imagen no está en la cámara … la película debe extraerse, desarrollarse, imprimirse o digitalizarse. Eso requiere mucha más energía que la cámara digital (aunque gran parte en energía química, no eléctrica), es solo que la energía para eso se encuentra fuera de la cámara. La cámara digital hace todo el trabajo, produciendo imágenes listas para usar.

Ellos no. Tome un amplificador de audio, por ejemplo. Un amplificador de onda completa (clase A si no recuerdo mal), totalmente analógico, desperdicia enormes cantidades de energía, solo se utiliza el 30%. Por otro lado, un amplificador digital de clase D es hasta un 90% eficiente. La razón es que la clase D está activada solo cuando es necesario, un circuito totalmente analógico siempre está amplificando. Esto se aplica a casi todo lo digital frente a lo analógico.

Depende de la densidad del circuito, pero suponiendo que dos sistemas tengan el mismo número de transistores. En ese caso, el sistema digital consumirá menos energía. Porque en el sistema digital el transistor opera en la región de saturación y corte donde la disipación de potencia es menor.

¿En qué sistema estás pensando?

Hay muy pocas situaciones en las que puedes elegir una u otra libremente.

Los únicos en los que puedo pensar son amplificadores (clase A frente a clase D) o fuentes de alimentación (modo lineal frente a conmutado).

Ninguno de los dos es exactamente “digital” en la forma en que la gente suele pensar en las cosas, pero en ambos casos el digital usa menos energía

Probablemente en los sistemas comparables a los que se refiere, el sistema digital necesita un sistema de refrigeración para enfriar, pero el sistema analógico no requiere ningún enfriamiento activo porque sus componentes pueden funcionar de manera confiable a una temperatura más alta.

Por supuesto, esto depende del sistema particular al que se refiera. Por ejemplo, un Kindle usa mucha menos energía que un viejo retroproyector analógico , pero más que un libro de bolsillo.

esa es una declaración / reclamo muy amplio sin explicar qué tipo de sistemas o proporcionar fundamento para esa declaración.