Sähköisiä signaaleita

Yleisesti signaalilla tarkoitetaan esimerkiksi jotain symbolia, merkkiä tai yleisesti sovittua esitystapaa, joka sisältää ja välittää informaatiota. Luet juuri parhaillaan merkkejä. Tunnet myös signaalin ja symbooliin liittyvän viestin, jos joku näyttää sinulle keskisormea.

Sähkötekniikassa ja elektroniikassa signaali on yleensä jännitettä tai virtaa tai tehoa, joka muuttuu ajan funktiona. Sähköinen signaali kuvaa usein jotakin fyysistä suuretta, kuten vaikka tämänhetkistä ulkolämpötilaa. Toisena esimerkkinä on musiikkisignaali, joka vaihtelee ajan mukaan ja se sisältää eri taajuisia signaaleja. Musiikki voi olla tallennettuna digitaaliseen muotoon netin palvelimelle, josta se siirretään bitteinä käyttäjällä. Tallennuksessa, siirrossa ja tietokoneen tai älypuhelimen soittimessa musiikki on bittijonojen muodossa esitetty digitaalisena signaalina. Lopulta signaali muutetaan kuuntelua varten DA-muuntimessa, vahvistimessa tai viimeistään kauttimissa tai kuulokkeissa analogisiksi ääniaalloiksi, signaaliksi.

Analoginen signaali on määritelty kaikilla ajanhetkillä. Analoginen signaali voi saada myös mitä tahansa arvoja lukualueensa rajoissa ilman digitaalisen resoluution tuomaa portaittaiusuutta, kts lämpömittarit kuvassa. Analogisesti esitetty signaali on siis jatkuva-aikainen ja myös amplitudiltaan jatkuva. Digitaalinen signaali on taas määritelty vain tietyillä ajanhetkillä (näyteväli) ja se voi saada vain tiettyjä arvoja resoluution rajoissa. Toisin sanoen digitaalinen signaali on aika- ja amplitudidiskreetti. Digitaalinen signaali on esitetty bitteinä, ykkösinä ja nollina, jotka yhdessä muodostavat digitaalisia lukuja ja sanoja. Nämä bittijonot voivat tarkoittaa esimerkiksi mitattua lämpötilaa tai pätkää musiikkia.

Esimerkki analogisesta ja digitaalisesta signaalin esitystavasta. Kuvan analoginen lämpömittari ei sisällä elektroniikkaa, mutta toki myös analogiaelelektroniikkaan perustuvia lämpömittareita on olemassa. Kumpi mahtaakaan olla tarkempi, ja kumpi näyttää enemmän oikein? (Vastaus: riippuu aina tapauksesta, onko digitaalinen vai analoginen tarkempi)

Esimerkkinä analogisesta ja digitaalisesta signaalin esitysmuodosta on kuvan lämpötilamittarit. Toisessa on digitaalinen näytöttö ja toisessa on lämmöstä laajenevalla nesteellä ja nestepatsaalla toteutettu näyttö. Esimerkistä käy ilmi analogisen järjestelmän jatkuvuus, ts. nestepatsaasta voidaan periaatteessa lukea lämpötila hyvinkin tarkasti lukutarkkuuden rajoissa. Myös hyvin pieni muutos on havaittavissa, ja esimerkkimme nestelämpömittari voi saada kaikkia arvoja väliltä n. -50 - +50 astetta. Vaikkapa 24.831355663 astetta, jos sen kykenee näin karkealta asteikolta lukemaan.

Digitaalisen lämpömittarin asteikolta voi lukea vain ennalta määrättyjä, amplitudidiskreettejä arvoja. Esimerkin digitaalisessa lämpömittarissa on 0.1 asteen resoluutio. Tämä tarkoittaa sitä, että pieni lämpötilan kohoaminen aiheuttaisi näytön vaihtumisen 24.9 asteeseen, ei esimerkiksi 24.85 asteeseen. Näyttö ei myöskään jatkuvasti muutu, vaan näyttämä vaihtuu vain ennalta asetellulla taajuudella, esimerkiksi kerran viidessä sekunnissa. Digitaalinen järjestelmä on aikadiskreetti, eli signaali on määritelty vain tiettyinä ajanhetkinä. Lämpötilaa voidaan lukea vain tietyin väliajoin. Analogista mittaria voi tuijottaa vaikka herkeämättä ja lämpötilan muutos näkyy heti. Toki voi digitaalistakin mittaria tuijottaa herkeämättä, mutta näyttö kertoo vain edellisen mittausajankohdan lämpötilan. Näyttämä ei muutu ennen seuraavaa näytehetkeä, vaikka lämpötila muuttuisikin koko ajan. Ja lähtökohtaisesti digitaalisen mittarin lämpötilaanturi on täysin analoginen, jolta saatuva analoginen signaali muunnetaan digitaaliseen muotoon AD-muuntimella. 

Kaikki reaalimaailman signaalit ovat periaatteessa analogisia, vaikka käytännöllinen esitystapa tai tulkinta on digitaalinen. Esimerkiksi tietokoneen sisällä kulkevat signaalit ovat tulkinnaltaan ja esitystavaltaan digitaalisia ja vaihtuvat tiettyjen kellotaajuuksien tahdittamana. Jos kuitenkin tarkastelemme tietokonetta aivan komponenttitasolla, vaikkapa muistipiirin jaloista, ovat siellä esiintyvät signaalit erilaisia aikajatkuvia jännitteitä ja virtoja, perimmäiseltä luonteeltaan siis analogisia. Samoin Spotifystä toistettu musiikki siirtyy verkon yli digitaalisessa muodossa, sitä käsitellään tietokoneessa tai matkapuhelimessa digitaalisena, mutta ennen kuuntelua se muunnetaan takaisin analogiseen muotoon. Korviin kuuluva ääni on muunnettu digitaalisesta signaalista analogiseksi DA-muuntimella, vahvistettu ennen kaiutinta ja muunnettu kaiuttimella analogiseksi paineen vaihteluksi ilmassa.