Analoginen tai jatkuva signaali on muuttuja, jonka arvo muuttuu jatkuvasti ajan tai paikan funktiona. Erona digitaaliseen signaaliin on se, että myös hyvin pienet vaihtelut signaalissa voivat olla merkityksellisiä: analoginen signaali voi saada kuinka tarkkoja arvoja tahansa jatkuvalla asteikolla. Analogisesta signaalista puhuttaessa tarkoitetaan usein sähköistä yhteyttä, mutta myös mekaaniset, pneumaattiset, hydrauliset ja muut järjestelmät voivat välittää analogisia signaaleja.

Määritelmä ja perusominaisuudet

Analoginen signaali ilmaistaan yleensä funktiona x(t), jossa t on aika (tai x(x), jos signaali riippuu paikasta). Tärkeimmät ominaisuudet ovat:

  • Jatkuvuus ajassa ja/tai amplitudissa: signaalin arvo voi muuttua jatkuvasti eikä rajoitu tiettyihin erillisiin tasoihin.
  • Arvot voivat olla reaalilukuja: amplitudi voi olla missä tahansa äärellisessä tai teoriassa rajoittamattomassa välissä.
  • Taajuussisältö ja kaistanleveys: analoginen signaali voidaan jakaa taajuuskomponentteihin; käytännössä signaalin toistaminen ja siirto rajoittuvat tiettyyn kaistanleveyteen.
  • Herkkyys kohinalle ja häiriöille: koska analoginen signaali käyttää jatkuvaa asteikkoa, pienet häiriöt vaikuttavat suoraan signaalin arvoon.

Miten analoginen signaali välittää tietoa

Analoginen signaali käyttää jonkin väliaineen tai väylän ominaisuutta informaation kantamiseen. Tämä voi olla esimerkiksi jännite, virta, paine, lämpötila tai mekaaninen liike. Signaali voi kuvata mitä tahansa ilmiötä, esimerkiksi ääntä, valoa, lämpötilaa, asentoa tai painetta. Analoginen signaali on usein mitattu muutos fysikaalisessa suureessa, kuten äänessä, valossa, lämpötilassa, asennossa tai paineessa.

Esimerkiksi äänitallennuksessa ilmanpaineen muutokset (eli ääni) iskevät mikrofonin kalvoon, joka aiheuttaa siihen liittyviä muutoksia jännitteessä tai sähköpiirin virrassa. Jännitteen tai virran sanotaan olevan äänen "analogia" — se kuvaa äänen hetkellistä aisaketta jatkuvana signaalina.

Esimerkkejä ja sovelluksia

  • Ääni ja musiikki: mikrofonit, vinyylilevyt, analogiset äänivahvistimet.
  • Radioviestintä: AM- ja FM-lähetykset, joissa kantosignaalia moduloidaan analogisella tiedolla.
  • Anturit: termoparit (lämpötila), jännitemittauspotentiometrit (asento), paineanturit, kuormasolu—kaikki tuottavat analogisia signaaleja mittaustiedon välittämiseksi.
  • Ohjausjärjestelmät ja teollisuus: analogiset säätöpiirit ja toimilaitteet pneumatiikassa tai hydraulissa.
  • Instrumentointi ja mittaus: analoginen data voi olla tarkkaa ja jatkuvaa, mikä on tärkeää tietyissä laboratoriomittauksissa.

Edut ja haitat

  • Edut: sujuva, hyvin luonnollinen kuvaus fysikaalisista ilmiöistä; voi sisältää kaikkia signaalin pieniä nyansseja; yksinkertaisissa sovelluksissa vähemmän muunnoksia ja viivettä.
  • Haitat: alttius kohinalle ja häiriöille, vaikeampi säilyttää tarkkuutta pitkissä siirroissa tai toistossa; rajoitettu dynaaminen alue laitteistosta riippuen; vaikeampi tallentaa ja käsitellä digitaalisesti ilman muunnosta.

Mittaaminen, muuntaminen ja digitaalinen käsittely

Analogista signaalia mitataan ja usein muutetaan digitaaliseksi signaaliksi analogi-digitaalimuuntimella (ADC), jotta sitä voidaan tallentaa, käsitellä tai siirtää digitaalisessa muodossa. Muunnoksessa tapahtuu näytteistys (sampling) ja kvantisointi. Näytteistämisen teoreema (Nyquist–Shannon) kertoo, että jatkuva aikadomainin signaali voidaan rekonstruoida täydellisesti, jos näytteistystaajuus on vähintään kaksinkertainen signaalin korkeimpaan taajuuteen nähden. Kvantisointi sen sijaan tuo pyöristysvirheen (kvantisointikohinan), joka on yksi digitaalisen muunnoksen rajoitteista.

Analogisten signaalien käsittelyssä tärkeää on myös signaalin lineaarisuus, impedanssisovitus, suodatus (esim. aliasingin estämiseksi ennen ADC:tä) ja häiriönvaimennus. Usein käytetään etuvahvistimia, suotimia ja eristysvahvistimia parantamaan mittauksen laatua.

Yhteenveto

Analoginen signaali on jatkuva tapa esittää tietoa fysikaalisista ilmiöistä käyttäen esimerkiksi jännitettä, virtaa, painetta tai lämpötilaa. Sen etuna on luonnollinen ja tarkka kuvaus jatkuvista muutoksista, mutta se on herkkä häiriöille ja vaatii usein huolellista suodatus- ja muunnosketjua, kun halutaan siirtää tai käsitellä signaalia digitaalisesti. Digitaalinen ja analoginen on käsitelty kohdassa digitaalinen.