Differenza tra elettronica analogica e digitale spiegata da Super Mario

È difficile trovare qualcuno, indipendentemente dall’età o dal periodo in cui è cresciuto, che non abbia mai sentito parlare di Super Mario Bros. Anche chi non ha vissuto l’epoca d’oro dei videogiochi degli anni ’80 riconosce il celebre idraulico e le sue avventure.

E mentre spesso ci si chiede perché un idraulico possa sparare palle di fuoco grazie a un fiore, o perché continui a saltare giù dai tubi per salvare una principessa, potremmo fare lo stesso quando tentiamo di capire la differenza tra analogico e digitale. Ma cosa rende unico ognuno di essi? Il mondo analogico e quello digitale sono due realtà diverse che coesistono fianco a fianco, proprio come il Regno dei Funghi e il nostro Pianeta Terra. In questo articolo, useremo alcuni videogiochi classici, come il Nintendo NES e il Nintendo 64, per scoprire la differenza.

Prima di addentrarci nei dettagli tecnici, è importante chiarire due termini fondamentali che ricorreranno spesso nella nostra spiegazione: segnali e circuiti. I segnali possono essere paragonati alle palle di fuoco che Super Mario lancia ogni volta che ottiene il potere del fiore. Queste palle di fuoco si muovono sempre in una direzione precisa e, volendo, si potrebbe misurare la distanza che percorrono in un certo lasso di tempo e l’entità dei danni che infliggono quando colpiscono un nemico.

Un segnale nel mondo di Super Mario è simile a una palla di fuoco, ma nel contesto dell’elettronica, si tratta di una tensione o corrente misurata mentre varia nel tempo. I segnali vengono utilizzati per trasmettere dati attraverso cavi o tramite metodi wireless, come la radiofrequenza (RF) o il WiFi. Indipendentemente dalla loro forma, l’obiettivo di ogni segnale è lo stesso: trasferire informazioni tra dispositivi.

Questi segnali operano all’interno di un circuito, che è essenzialmente un percorso chiuso attraverso il quale scorre l’elettricità per eseguire specifiche funzioni, come alimentare un altoparlante, accendere un LED, o far girare un motore. I circuiti possono includere sia segnali digitali che analogici, e questa combinazione è ciò che permette di realizzare operazioni complesse, come convertire l’inclinazione di un joystick su un controller Nintendo 64 per determinare la velocità e la direzione in cui Super Mario corre nel Regno dei Funghi.

Spiegare il digitale con il Nintendo NES

Qualcuno di voi si ricorderà di aver giocato a Super Mario Bros su Nintendo NES. Quelli erano i giorni in cui si spaccavano mattoni, si entrava nei tubi e si calpestavano funghi fino al tramonto (o in alcuni casi fino all’alba). In Super Mario Bros, tutto esiste in un piano bidimensionale. Il nostro Mario pixelato poteva muoversi verso l’alto, il basso, a sinistra o a destra.

Questo è esattamente il modo in cui funziona il mondo dei segnali digitali. È un mondo binario, in cui i segnali possono avere solamente due stati logici, ovvero 1 o 0. Prendiamo come esempio il controller del Nintendo NES. Ogni pulsante ha uno scopo definito e può assumere due stati: premuto e non premuto, che ricordano gli stati logici del codice binario. Il D-pad, inoltre, aveva solo quattro direzioni e due pulsanti A e B per eseguire azioni specifiche. Quindi, se premi la freccia destra, Mario cammina di un passo a destra e se premi il pulsante A, Mario salta una volta. Non importa quanto forte si prema ogni pulsante; questi eseguono semplicemente la loro azione individuale senza alcuna variazione.

Nel mondo dei segnali digitali, possiamo pensare di sostituire i nostri pulsanti del controller con le tensioni. La tensione può avere un livello logico alto (5 volt) o un livello logico basso (0 volt) ed è come far salire e scendere il pulsante sul nostro controller. Tutto ciò che sta in mezzo non esiste. Se si traccia una forma d’onda di un segnale digitale su un grafico, sarebbe simile alla figura seguente:

Come puoi vedere, la parte superiore della forma d’onda rappresenta il livello logico alto ed è considerata la nostra posizione “ON“, nota anche con il valore binario 1. La parte inferiore della forma d’onda si trova a 0V ed è considerata la nostra posizione “OFF“, nota anche con il valore binario 0.

Caratteristiche dei segnali digitali

A differenza delle loro complesse controparti analogiche, i circuiti digitali sono molto più definiti e sono costituiti principalmente da porte logiche, microcontrollori e microprocessori. Questi processori possono avere qualsiasi dimensione, da quelli potenti in esecuzione nella tua console per videogiochi a quelli minuscoli di una scheda Arduino. Ma tutti hanno lo stesso scopo: emettere un segnale digitale.

Una gran parte dell’elettronica che utilizziamo oggi si basa su segnali digitali. Hai presente quel cavo HDMI che usi per collegare la tua console di videogiochi alla TV? Questo cavo trasmette un segnale digitale composto da una serie di 1 e 0. E cosa dire di tutte le canzoni che ascolti in streaming su Spotify? Anche quelle vengono trasmesse tramite segnali digitali. Ma cosa rende i segnali digitali così popolari?

I segnali digitali sono estremamente prevedibili: sono semplicemente accesi o spenti, 1 o 0. Questa semplicità consente di ottenere risultati incredibilmente complessi combinando la logica all’interno di un circuito. Inoltre, i segnali digitali possono essere replicati all’infinito. Ad esempio, nella musica, i segnali digitali possono essere copiati e riprodotti mantenendo una qualità accettabile, a differenza dei segnali analogici delle vecchie cassette a nastro, che deteriorano il suono nel tempo. I segnali digitali sono anche molto più precisi. Essendo solo 1 o 0, senza valori intermedi, possono fornire risultati estremamente accurati. Al contrario, i segnali analogici possono variare continuamente tra 1 e 0, con una gamma praticamente infinita di valori possibili.

Naturalmente, i segnali e i circuiti digitali non sarebbero mai esistiti senza le fondamenta analogiche che li hanno preceduti. Ora, esploriamo il mondo in continua evoluzione dell’analogico, con l’aiuto del Nintendo 64

Spiegare l’analogico con il Nintendo 64

Qualcuno di voi si ricorderà del giorno in cui uscì il Nintendo 64. Era la prima volta che Super Mario poteva correre in 3D e questo ha cambiato completamente tutto! Essere in grado di far correre Super Mario in uno spazio aperto e in qualsiasi direzione è l’essenza del segnale analogico.

A differenza del controller puramente digitale del NES, il controller del Nintendo 64 introduceva una novità rivoluzionaria: un joystick analogico. Questa innovazione ha completamente ridefinito le possibilità in un mondo virtuale. Non ci si limitava più ai movimenti su, giù, a sinistra e a destra; era possibile muoversi in qualsiasi direzione intermedia! Super Mario poteva volare, saltare e scivolare in una scena di gioco tridimensionale completamente nuova.

Ecco il fascino dell’analogico: libertà senza limiti! I segnali analogici sono in costante cambiamento, a differenza delle loro controparti digitali, che possiedono solamente degli stati logici di accensione e spegnimento ben definiti. Se misurassimo un segnale analogico su un grafico, apparirebbe così:

Come puoi osservare, anche se un segnale analogico è contenuto entro dei limiti massimi e minimi, esso può variare in qualsiasi punto lungo la sua forma d’onda. Questo è il motivo per cui l’analogico è spesso considerato “infinito”: può assumere qualsiasi valore in qualsiasi momento. Tuttavia, questa caratteristica lo rende anche un pò difficile da gestire.

Caratteristiche dei segnali analogici

Il rapporto con l’analogico è un mix di fascino e frustrazione: la sua capacità di variare continuamente lo rende affascinante, ma anche imprevedibile e incline alle interferenze. Vi ricordate i vecchi televisori a tubo? A volte l’immagine diventava sfocata, e bisognava dare un colpetto al televisore o spostare leggermente l’antenna per sistemarlo. Quello era un esempio di segnale analogico disturbato da interferenze esterne.

Nonostante questi problemi, l’analogico è anche il segnale più puro che si possa trovare, e l’intero mondo fisico in cui viviamo li contiene. Quella bella voce da cantante che ti fa venire i brividi? Quelle onde sonore che senti sono segnali analogici.

Nei circuiti analogici, troverai un sacco di componenti elettronici essenziali in uso, come resistori, condensatori, diodi, transistor e così via. Poiché questi circuiti sono molto più difficili da padroneggiare con le loro variabili in continua evoluzione, esistono ingegneri la cui unica specialità è padroneggiare il mondo analogico, progettando dispositivi come un ricevitore radio analogico o un caricabatterie.

Quando analogico e digitale si scontrano

Analogico e digitale non sempre vivono separatamente. Anzi, sempre più spesso oggi si parla di circuiti “mixed signal”, in cui i circuiti analogici e i circuiti digitali coesistono su un singolo chip a semiconduttore. Il loro utilizzo è cresciuto notevolmente con l’aumento dell’uso di telefoni cellulari, telecomunicazioni, elettronica portatile e sensori digitali. Consideriamo la voce di un cantante, probabilmente registrata con un microfono analogico, in grado di catturare ogni sfumatura, dagli acuti più alti ai bassi più profondi. Ma cosa accade quando quella canzone viene convertita in formato digitale? Il software di registrazione digitale esegue un campionamento della forma d’onda analogica, simile a una serie di foto istantanee. Queste vengono poi convertite in una sequenza di 1 e 0, pronta per essere utilizzata e riprodotta nella musica che ascolti in streaming su Spotify.

Ciò che si perde in questo processo di conversione è, purtroppo, la purezza del segnale analogico originale. Tutta la magia dello strumento analogico non è più presente. E mentre questo processo è ottimo per rendere i file molto piccoli che possono essere condivisi e copiati cercando di mantenere la qualità, ci si deve chiedere: stai ascoltando la stessa canzone che hai ascoltato per la prima volta nella sua forma analogica originale?

In conclusione, possiamo affermare che, sia l’analogico che il digitale hanno ciascuno il loro ruolo da svolgere nel mondo dell’elettronica, sia che si tratti di trasmettere in streaming pezzi di musica digitale per le tue orecchie, sia che ti si tratti di consentirti l’ampia libertà che un joystick analogico offre in un mondo virtuale. E non possiamo dimenticare che senza le basi dell’elettronica analogica, il digitale non sarebbe mai stato possibile!