Analoginen signaali

Tietotekniikassa, elektroniikassa, mekaniikassa, pneumatiikassa hydrauliikassa ja monissa muissa systeemeissä järjestelmään vaikuttava signaali tai syöte voi olla analoginen. Reaalimaailmassa kaikki luonnolliset signaalit ovat analogisia, kuten esimerkiksi ääni, valo, lämpö, radiotaajuudet, paine jne.

Esimerkiksi kaasuventtiilin läpi virtaavan kaasun määrä on suhteessa venttiilin asentoon. Kun venttiilin asentoa muutetaan hieman, virtaavan kaasun määrä muuttuu ja näin ollen kaasuvirtausten säätäminen tekee kaasun virtauksesta analogista venttiiliin säätöön nähden.

Elektroniikassa analogisia signaaleita käytetään usein "välisignaaleina" (oma termi) kun halutaan muuttaa reaalimaailman tietoa digitaaliseksi, tai vahvistaa tai suodattaa informaatiota siitä. Analoginen signaali tarkoittaakin käytännön kytkennöissä muuttuvaa jännitettä tai virtaa, jonka aiheuttavat reaalimaailman ilmiöt.

Esimerkiksi potentiometrin pyörittäminen muuttaa potentiometrin liu'un ja potentiometrin pään välistä resistanssia ja näin ollen sillä saadaan aikaiseksi muuttuva jännite ja/tai virta. Kun potentiometriä pyöritetään jatkuvasti, signaali on analoginen ja muuttuu koko ajan.

Kun reaalimaailman signaali on analoginen, se voidaan erilaisia menetelmiä hyödyntämällä muuttaa elektroniikan avulla kytkennälle soveltuvaan muotoon.

Analoginen signaali, esimerkkinä mikrofoni

Esimerkiksi puhuessaan ihminen lähettää ympäröivään tilaan ääntä, joka aiheutuu ääniaalloista ja äänen taajuuden muutoksista, joista puhe muodostuu. Oikeastaan mikä tahansa mikä tuottaa ääntä lähettää ilmaan ääniaaltoja, jotka muodostuvat ilmanpaineen vaihtelusta.

Asian ymmärtämiseksi olen ottanut esimerkiksi kuvan mikrofonin rakenteesta. Kuva on lainattu osoitteesta http://www.mediacollege.com/audio/microphones/dynamic.html ja alle olen yrittänyt selittää mitä analogisuus kuvan tapauksessa tarkoittaa.

Ääniaallot voidaan muuttaa mikrofonin avulla sähköiseksi signaaliksi, koska tiedetään että ääni koostuu ilmanpaineen vaihteluista eli ilmamolekyylien värähtelyistä. Kun ilmanpaineen vaihtelu vaikuttaa herkkään kalvoon, joka on kiinnitetty kelaan ja kelan sydämessä on magneetti, niin kelan navoista saadaan vaihtojännitettä. Tämä vaihtojännite on analoginen, koska kovemmat äänet saavat aikaan suuremman jännitteen ja hiljaisemmat äänet pienemmän jännitteen. Tässä siis syy, miksi signaali on analoginen. Analogisuus ei siis itsessään tarkoita jännitettä tai virtaa, vaan se kuvaa kahden ilmiön suhdetta toisiinsa.

Valo voidaan muuttaa sähköiseksi signaaliksi fotodiodin avulla ja lämpötila voidaan muuttaa analogiseksi lämpötilan muutokseen reagoivalla vastuksella (NTC/PTC). Monia muitakin esimerkkejä löytyy, mutta ei liene järkevää luetella kaikkia niitä tähän.

Analogisen signaalin ominaisuudet

Jokaisella analogisella signaalilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka ovat yleispäteviä. Esimerkiksi taajuus, signaalin amplitudi (eli signaalin voimakkuus tai huippuarvo = Vp), huipusta-huippuun arvo (Peak-to-peak = Vpp) ja kohina lienevät elektroniikan kannalta olennaisimmat asiat jotka kannattaa tämän lyhyen selostuksen yhteydessä mainita. Seuraavassa siis niistä.

Taajuus, huippuarvot ja amplitudi

Taajuus ilmaistaan yleensä signaalin värähtelyn kestoa ilmaisevalla yksiköllä nimeltään hertsi (Hz). Yksi hertsi tarkoittaa yhtä värähdystä sekunnissa, kaksi hertsiä tarkoittaa kaksi värähdystä sekunnissa jne. Esimerkiksi ihmisen sydämen värähtelytaajuus on noin 1 hertsi sekunnissa. Tietotekniikassa ja käytännön mittauksissa käytetään usein etuliitettä, joka ilmaisee suuruusluokan. Tietokoneista tutut megahertsit ja gigahertsit varmaan tulevat ensimmäisinä mieleen.

Signaalilla on siis tietty vakiotaajuus silloin, kun sen arvo vaihtelee signaalin huipusta huippuun ja takaisin lähtöpisteeseen jonkin ajan kuluessa. Alle on piirretty kuva, missä nähdään 1 voltin signaali jonka taajuus on 10 hertsiä.

Piirretystä kuvasta voidaan huomata, että signaalin huippuarvo (Vp) on 1 voltti, jolloin huipusta huippuun arvo on kaksi kertaa Vp eli 2 volttia (Vpp). Signaalin taajuus f on 10 Hz, jolloin signaalin jaksonaika on 100 millisekuntia. Jos taajuus olisi kaksi kertaa suurempi, olisi jaksonaika kaksi kertaa pienempi ja niin edelleen.

Signaalin nollakohta on yllä olevaan kuvaan merkitty nollaan volttiin asian yksinkertaistamiseksi. Käytännössä analoginen jännitesignaali voi vaihdella esimerkiksi +10 voltin ja +15 voltin välillä tai vaikkapa +3 voltin ja -6 voltin välillä, jolloin nollakohta ei olisi 0-voltissa vaan 12,5 voltissa ja -1,5 voltissa. Signaalin nollakohta on siten aina signaalin huippuarvojen puolessa välissä. Kaavalla ilmaistuna Vpp/2.

Analogisen signaalin kohina

Analogiseen signaaliin muodostuu aina ulkopuolisia häiriöitä, joita sanotaan kohinaksi. Alla olevassa kuvassa on esitetty sama signaali kuin edellä, mutta tällä kertaa signaalissa nähdään kohinaa.

Kohinasta voi olla haittaa, jos signaalin ja kohinan suhden on kovin pieni. Signaalin ja kohinan suhde vaikuttaa siihen, miten paljon alkuperäisestä analogiasignaalista saadaan tietoa kerättyä. Signaalikohina -suhteesta käytetään termiä SNR (Signal-to-Noise Ratio) ja kun siis tämä suhde on mahdollisimman suuri, niin rankkoja suodattimia signaalille ei tarvita (riippuu toki sovelluksesta).

Kohinaa voidaan suodattaa erilaisin menetelmin ja yksinkertaisin tapa päästä eroon ikävistä kohinoista on suodattaa signaalia alipäästösuodattimella. Digitaalisessa suodatuksessa käytetään hyödyksi AD-muunninta sekä erilaisia algoritmeja, joiden avulla signaali-kohina suhdetta voidaan parantaa entisestään.