Sygnał analogowy — definicja, cechy, historia i zastosowania

Definicja i model matematyczny

Matematycznie sygnał analogowy opisuje się zazwyczaj jako funkcję ciągłą x(t), gdzie t oznacza czas. Własności takie jak amplituda, częstotliwość i faza są podstawowymi parametrami tej funkcji. W zależności od zastosowania rozważa się sygnały jedno- lub wielowymiarowe oraz ich reprezentacje w dziedzinie czasu i częstotliwości. Analiza częstotliwościowa pozwala wyodrębnić składowe harmoniczne i określić pasmo przenoszenia systemu (cechy).

Cechy i parametry

Do najważniejszych cech sygnału analogowego należą: amplituda (wartość chwilowa), częstotliwość (szybkość zmian) oraz faza (przesunięcie czasowe składowych). Istotne są także: pasmo przenoszenia, liniowość elementów przetwarzających, czułość i dynamika. Sygnały analogowe są podatne na szum, dryft i nieliniowe zniekształcenia, co wpływa na jakość transmisji i pomiaru (przykład mikrofonu).

Typy modulacji i przykłady

W telekomunikacji i transmisji analogowej stosuje się różne metody modulacji, np. modulację amplitudy (AM), częstotliwości (FM) czy fazy (PM). W audio analogowym sygnał jest często reprezentowany przez zmienne napięcie lub prąd, które odwzorowują fale akustyczne; w optyce (sygnały świetlne) informacja może być kodowana przez natężenie światła lub kąt polaryzacji (światło i wideo). Systemy pneumatyczne i hydrauliczne wykorzystują ciągłe zmiany ciśnienia lub przepływu do przekazywania informacji lub sterowania (pneumatyka) (hydraulika).

Pomiar i przetwarzanie

Przykładowo w rejestracji dźwięku fale akustyczne powodują zmiany ciśnienia powietrza, które membrana mikrofonu przekształca w odpowiadające zmiany napięcia elektrycznego. To napięcie jest analogową reprezentacją dźwięku i może być dalej wzmacniane, filtrowane lub zapisywane na nośnikach analogowych (audio) (pomiar ciśnienia).

Konwersja analogowo-cyfrowa

W praktyce wiele systemów jest hybrydowych: sensory dostarczają sygnały analogowe, które następnie poddawane są konwersji ADC, aby umożliwić cyfrowe przetwarzanie, magazynowanie i transmisję. Proces ten obejmuje próbkowanie i kwantyzację; zgodnie z twierdzeniem Nyquista należy dobrać częstotliwość próbkowania odpowiednio do pasma sygnału, aby uniknąć aliasingu. Konwersja w drugą stronę realizowana jest przez przetworniki DAC (sensory i ADC) (filtracja i przetwarzanie).

Szum, zniekształcenia i jakość

W systemach analogowych kluczowe jest zarządzanie szumem i zniekształceniami. Szum termiczny, interferencje elektromagnetyczne, nieliniowość wzmacniaczy oraz tłumienie w torze transmisyjnym obniżają stosunek sygnału do szumu (SNR). Filiacja, ekranowanie, korekcja i stosowanie układów o dobrej liniowości to podstawowe techniki poprawy jakości sygnału (aspekty mechaniczne).

Zastosowania praktyczne

Sygnały analogowe stosuje się nadal szeroko: w audio hi‑fi i nagraniach, w pomiarach fizycznych (termometria, czujniki ciśnienia, przetworniki położenia), w sterowaniu procesami przemysłowymi oraz w transmisji radiowej. W wielu dziedzinach zaletą analogowych torów jest naturalne odwzorowanie zjawisk fizycznych i brak widocznej dyskretności w sygnale (pomiary położenia).

Historia w skrócie

Technologie analogowe były fundamentem komunikacji i zapisu informacji przez wiele dekad: od fonografu i radia po magnetyczne nośniki dźwięku i analogowe systemy wideo. W drugiej połowie XX wieku rozwój elektroniki cyfrowej doprowadził do stopniowej migracji wielu zastosowań, choć rozwiązania analogowe nadal są używane tam, gdzie wymagane jest bezpośrednie, ciągłe odwzorowanie sygnału.

Zalety i ograniczenia

Zalety: ciągłość i pozorna nieograniczona rozdzielczość, bezpośrednie odwzorowanie zmiennych fizycznych, proste interfejsy w niektórych zastosowaniach. Ograniczenia: podatność na szum, trudniejsza długodystansowa transmisja bez korekcji oraz problematyczna reprodukowalność w wielokrotnym przetwarzaniu.

Praktyczne uwagi

Projektując systemy analogowe należy uwzględnić dobór pasma, odpowiednie filtrowanie, dopasowanie impedancyjne, ekranowanie i kalibrację czujników. W zastosowaniach krytycznych często stosuje się układy mieszane, łączące najlepsze cechy torów analogowych i cyfrowych (porównanie z cyfrowym).

Przydatne odnośniki

• Definicja i podstawy
• Cechy sygnału analogowego
• Mikrofony i rejestracja dźwięku
• Aspekty mechaniczne i nieliniowości
• Systemy pneumatyczne
• Systemy hydrauliczne
• Analogowe przetwarzanie audio
• Analogowe sygnały świetlne i wideo
• Sensory i konwersja ADC
• Pomiary położenia
• Pomiar ciśnienia i akustyka
• Metody filtracji i pomiaru
• Porównanie z technikami cyfrowymi