Analoogsignaal: mis on pidev signaal, näited ja erinevus digitaalsest

Saa teada, mis on analoogsignaal — pidev signaal, praktilised näited (heli, valgus, temperatuur) ja kuidas see erineb digitaalsest signaalist selgete selgituste ja näidetega.

Analoog- või analoogsignaal on mis tahes pidev signaal.

Erinevus digitaalsest signaalist seisneb selles, et ka väga väikesed kõikumised signaalis on olulised. Analoogsignaalist rääkides peetakse sageli silmas elektrilist konteksti, kuid ka mehaanilised, pneumaatilised, hüdraulilised ja muud süsteemid võivad edastada analoogsignaale.

Analoogsignaal kasutab signaali teabe edastamiseks mõnda andmekandja omadust. Analoogsignaaliga võib edastada mis tahes teavet, sageli on selline signaal füüsikaliste nähtuste, näiteks heli, valguse, temperatuuri, asendi või rõhu mõõdetud muutus.

Näiteks helisalvestuse puhul tabavad õhurõhu (st heli) muutused mikrofoni membraani, mis põhjustab sellega seotud pinge või voolu muutusi elektriahelas. Pinget või voolu nimetatakse heli "analoogiks".

Vt digitaalset ja analoogi käsitlevaid arutelusid vt digitaalne vs. analoog.

Põhimõisted ja omadused

Analoogsignaal on matemaatiliselt kirjeldatav kui pidev funktsioon ajas (näiteks x(t)), mille väärtused (amplituud) võivad võtta pidevalt erinevaid väärtusi. Peamised omadused, mida anaalogsignaali kirjeldamisel kasutatakse, on:

• Amplituud — signaali hetkväärtus või tippväärtus;
• Sagedus — kui kiiresti signaal muutub (nt helis sagedus hertsides);
• Faasi — signaali nihke positsioon aega võrreldes referentsiga;
• Laiusala / sagedusriba — sageduste vahemik, mida signaal sisaldab;
• Müra ja moonutus — kõrvalised muutused, mis lisanduvad edastuse või salvestuse käigus.

Erinevus digitaalsest signaalist

Peamine erinevus on see, et analoogsignaal on kontinuum — nii ajas kui amplituudis — samal ajal kui digitaalsignaal on esitatud diskreetsete väärtuste ja/või diskreetse aja kujul. Praktikas tähendab see:

• Analoogis on kõik väiksed kõikumised olulised; digitaalis esitatakse väärtused ümardatult (kvantiseerimine) ja tihti ka proovivõetud (sampling).
• Digitaalne töötlemine võimaldab vigade kontrolli, tihendamist ja häid salvestamisomadusi, aga nõuab AD- ja DA-muundamist analoogiga suhtlemiseks.
• Analoogsignaalid on tundlikumad keskkonnamüra, languse ja degradatsiooni suhtes; digitaalsed võivad teoreetiliselt taastuda täpselt, kui vigade määr jääb lubatud piiridesse.

Näitlikud rakendused

• Audio: vinüülplaatide ja magnetlintide salvestused on analoogsed, samuti mikrofonist tulev pinge.
• Raadio: sagedus- ja amplituudmodulatsioon (FM/AM) kasutavad analoogmuutusi raadiosignaali edastamiseks.
• Mõõteseadmed: termopaarid, RTD-d, rõhu- ja positsioonisensorid annavad analoogväärtusi.
• Kontrollsüsteemid: pneumaatilised ja hüdraulilised juhtimismehhanismid kasutavad pidevaid rõhu- või voolutaseme muutusi.

Eelised ja puudused

Eelised:

• Looduslik ja otsene seos mõõdetava füüsikalisest suurusega (nt heli, temperatuur);
• Mõnes rakenduses lihtsam ja odavam riistvaraline etteanne ilma keeruka digitaalprotsessorita;
• Piiramatult peen eraldusvõime amplituudis kuni süsteemi füüsiliste piiride ehk mürataseme ja dünaamilise vahemikuni.

Puudused:

• Tundlik mürale, häiretele ja moonutustele — signaal degradeerub edastuse ja salvestuse ajal;
• Raskem täpselt reprodutseerida ja redigeerida (võrreldes digitaalsega);
• Salvestamine ja jõudlus võivad olla limiteeritud materjalide ja tehnika tõttu (nt magnetlintide kulumine, analoogfiltrite komponendid).

Konverteerimine ja töötlemine

Kui analoogmaailm tuleb ühendada digitaalsüsteemiga, kasutatakse ADC (analüüsist digitaaliks — proovivõtt ja kvantiseerimine) ning vastupidiselt DAC (digitaalsest analoogiks) muundureid. Olulised aspektid:

• Proovivõtt: Nyquisti teoreem määrab miinimumproovivõtusageduse, et signaalist ei tekiks aliasingu-defekte;
• Anti-aliasing filtreerimine: enne proovivõttu kasutatakse madalpääsfiltreid, et eemaldada kõrgsageduslik sisu, mis põhjustaks väärproovimist;
• Kvantiseerimine: amplituudi diskreetimine toob sisse kvantiseerimisviga (vigu ja müra), mida saab vähendada kõrgema bitisügavusega AD-muunduritega;
• Filtreerimine ja võimendamine: analoogahelates kasutatakse sagedusfiltreid, võimendust ja lainete kujundamist enne edasist töötlemist või muundamist.

Praktilised tähelepanekud

• Süsteemi dünaamiline ulatus (dynamic range) määrab, kui hästi saab eristada nõrku signale tugeva müra taustal.
• Sagedusala (bandwidth) piirab, milliseid signaali komponente saab edastada või salvestada.
• Analoogseadmete hooldus ja kalibreerimine on tihti vajalik, et säilitada täpsust.

Kuigi digitaalne tehnoloogia on paljudes valdkondades domineeriv tänu mugavale töötlemisele ja salvestamisele, on analoogsignaalidel endiselt oluline roll sensoorikas, raadioside, audiofiilses esituses ja paljudes juhtimissüsteemides — sageli koos digitaaltöötlusega hübriidlahendustena.

Küsimused ja vastused

K: Mis on analoogsignaal?

K: Mille poolest erineb analoogsignaal digitaalsest signaalist?

K: Kas analoog viitab ainult elektrisüsteemidele?

K: Kuidas edastab analoogsignaal teavet?

K: Mis on näide analoogsignaalist?

K: Mida tähendab mõiste "analoog" seoses analoogsignaaliga?

K: Kust võib leida digitaalse ja analoogsignaali võrdluse?

Otsing