Viestinnän, signaalinkäsittelyn ja yleisemmin sähkötekniikan alalla signaali on mikä tahansa ajassa muuttuva suure. Signaali kuvaa kuinka jokin mitattava tai siirrettävä suure (esimerkiksi jännite, virta, paine, äänenpaine tai valon intensiteetti) vaihtelee ajan funktiona tai toisessa muuttujassa (esim. paikassa).

Käsite on laaja, ja sitä on vaikea määritellä tarkasti. Osa-aluekohtaiset määritelmät ovat yleisiä. Esimerkiksi informaatioteoriassa signaali on koodattu viesti eli viestikanavan tilojen sarja, joka koodaa viestin. Viestintäjärjestelmässä lähetin koodaa viestin signaaliksi, joka siirtyy viestintäkanavan kautta vastaanottimeen. Esimerkiksi sanat "Maryllä oli pieni karitsa" voivat olla puhelimeen puhuttu viesti. Puhelimen lähetin muuntaa äänet sähköiseksi jännitesignaaliksi. Signaali siirretään vastaanottavaan puhelimeen johtoja pitkin, ja vastaanottimessa se muunnetaan uudelleen ääniksi.

Signaalin perusluokitus

  • Analoginen vs. digitaalinen — Analoginen signaali on jatkuvä sekä ajassa että amplitudissa (esim. mikrofonin tuottama jännite). Digitaalinen signaali on diskreettiä arvoiltaan ja yleensä myös ajoiltaan (esim. bittijono, joka edustaa tekstiä tai ääntä).
  • Jatkuva vs. diskreetti — Aikadomainissa signaali voi olla jatkuva (x(t)) tai diskreetti (x[n]). Diskreetit signaalit syntyvät usein näytteenotolla (sampling) analogisesta signaalista.
  • Deterministinen vs. stokastinen (satunnainen) — Deterministinen signaali on täysin ennustettavissa matemaattisen mallin perusteella. Stokastinen signaali sisältää satunnaisuutta, ja sitä kuvataan usein tilastollisesti (esim. melu).
  • Energia- vs. tehosignaali — Energiaa kantavalla signaalilla on äärellinen energia, tehosignaalilla äärellinen keskimääräinen teho mutta ääretön energia (esim. jaksolliset signaalit).

Signaalin ominaisuudet ja esitystavat

Signaaleja kuvataan useilla suureilla ja esityksillä:

  • Aikadomaini — signaalin arvo suoraan ajan funktiona (esim. jännite tietyllä ajanhetkellä).
  • Taajuusdomaini — signaalin taajuussisällön kuvaus, yleensä Fourier-, Laplace- tai Z-muunnoksen avulla. Taajuusalue kertoo, mitä sinimuotoisia komponentteja signaalissa on ja miten paljon.
  • Amplitudi ja vaihe — signaalin suuruus ja mahdollinen siirtymä suhteessa referenssiin.
  • Spektritiheys — erityisesti stokastisten signaalien taajuussisällön tilastollinen kuvaaja.

Signaalinkäsittelyn perusoperaatiot

Signaalinkäsittelyssä suoritetaan useita perusoperaatioita, joilla parannetaan, muokataan tai siirretään signaalia:

  • Suodatus — ei-toivottujen taajuuksien poistaminen tai haluttujen vahvistaminen (low-pass, high-pass, band-pass, band-stop).
  • Näytteistäminen ja kvantisointi — analogisen signaalin muuttaminen diskreetiksi näytteenoton (sampling) ja amplitudin kvantisoinnin avulla; näytteenoton perusperiaate liittyy Nyquistin näytteenottoteoreemaan.
  • Modulointi ja demodulointi — signaalin sijoittaminen kantataajuudelle langattomassa ja langallisessa siirrossa (AM, FM, digitaalinen modulointi).
  • Kompressio — tiedon tehokas esitys (häviöllinen tai häviötön), esim. audio- ja kuvapakkaus.
  • Estimointi ja dekoodaus — signaalista saatavan informaation arviointi ja poiminta kohinan seasta.

Keskeiset teoriat ja työkalut

Signaalien analyysissä käytetään useita matemaattisia työkaluja:

  • Fourier-analyysi — jatkuvan ja diskreetin signaalin hajotus sinimuotoihin, taajuussisällön tutkiminen.
  • Laplace- ja Z-muunnokset — auttavat systeemien analyysissä ja vakauden tarkastelussa etenkin differentiaali- ja eromalleissa.
  • Lineaariset aika-invariantit järjestelmät (LTI) — monien suotimien ja signaalinkäsittelyjärjestelmien malli, impulssivasteen ja siirtofunktion avulla analysoitavissa.
  • Tilastollinen signaalinkäsittely — kohinan mallintaminen, spektrin estimaatit, suodattimet kuten Wiener- tai Kalman-suodatin.

Sovelluksia

Signaaleja käytetään ja käsitellään lukuisissa sovelluksissa:

  • Äänensiirto ja -käsittely (puhelimet, äänentoisto, puheentunnistus)
  • Kuvankäsittely ja videotekniikka (kamera-anturit, pakkaukset, kuvankäsittelyalgoritmit)
  • Langaton ja langallinen tiedonsiirto (radiot, mobiiliverkot, ethernet)
  • Sensori- ja säätötekniikka (mittausanturit, ohjausjärjestelmät)
  • Lääketieteelliset mittaukset (EKG, EEG) ja etänä seuranta

Esimerkki: puhelin

Edellä mainittu puhelin-esimerkki havainnollistaa signaalin elinkaarta: puhe on ensin akustinen signaali, joka muutetaan mikrofonissa sähköiseksi jännitesignaaliksi (analoginen signaali). Nykyään signaali usein näytteistetään ja muunnetaan digitaaliseksi (AD-muunnos), mahdollisesti pakataan ja lähetetään verkon kautta; vastaanottavassa päässä signaali dekoodaataan, DA-muunnin muuntaa sen takaisin analogiseksi ja kaiutin palauttaa äänen kuultavaksi.

Yhteenveto

Signaali on laaja käsite, joka kattaa kaiken ajan tai paikan funktiona vaihtelevat suureet. Signaalien luokittelu, analyysi ja käsittely muodostavat sähkötekniikan ja viestinnän perustan. Hyvin tuntemalla signaalien ominaisuudet ja käytettävissä olevat työkalut voidaan suunnitella tehokkaita järjestelmiä tiedon siirtoon, analysointiin ja käyttöön eri sovelluksissa.