Ein analoges oder kontinuierliches Signal ist ein Signal, dessen Werte kontinuierlich in Zeit und Amplitude variieren. Das heißt: Zwischen zwei beliebigen Messwerten gibt es unendlich viele Zwischenwerte; sehr kleine Schwankungen im Signal tragen oft sinnvolle Information.

Allgemeine Beschreibung

Ein analoges Signal nutzt eine physikalische Eigenschaft des Übertragungsmediums, um Informationen darzustellen. Häufige Trägergrößen sind elektrische Spannung oder Strom, mechanische Auslenkung, Druck, Temperatur oder Lichtintensität. Solche Signale entstehen typischerweise als direkte Messgrößen physikalischer Phänomene, zum Beispiel Schall, Licht, Temperatur, Position oder Druck.

Beispiel: Bei der Tonaufnahme treffen Luftdruckänderungen (d. h. Schall) auf die Membran eines Mikrofons. Dadurch ändert sich die elektrische Spannung oder der Strom in einem Schaltkreis kontinuierlich und bildet so das analoge Tonsignal ab.

Typische Eigenschaften analoger Signale

  • Kontinuität: Werte ändern sich stetig in Zeit und Amplitude.
  • Parameter: Information kann in Amplitude, Frequenz, Phase oder einer Kombination davon liegen (z. B. Amplituden- oder Frequenzmodulation).
  • Bandbreite: Ein analoges Signal hat eine bestimmte Bandbreite (Spektrum), die beeinflusst, welche Frequenzen übertragen werden können.
  • Rauschen und Verzerrung: Analoge Signale sind anfällig für Rauschen, Dämpfung und nichtlineare Verzerrungen während Übertragung und Verstärkung.
  • Dynamik: Der Dynamikbereich beschreibt das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem noch unterscheidbarem Signal.

Beispiele für analoge Signale und Systeme

  • Audio-Signale in analogen Mikrofonen, Plattenspielern oder Kassettenrecordern.
  • Videosignale in älteren Fernsehsystemen.
  • Messwerte von Sensorsystemen (Temperatur-, Druck-, Dehnungssensoren) in Industrieanlagen.
  • Pneumatische oder hydraulische Steuergrößen in Regeltechnik und Maschinenbau (pneumatisch, hydraulisch).
  • Mechanische Stellgrößen wie Lage oder Winkel (mechanisch).

Unterschiede zum digitalen Signal

Der Unterschied zu einem digitalen Signal besteht darin, dass bei digitalen Signalen Information durch diskrete Stufen (z. B. Binärwerte) dargestellt wird. Dadurch sind kleine Schwankungen oft unerheblich (werden als Fehler oder Rauschen betrachtet), während diese Schwankungen bei analogen Signalen oft Information tragen. Digitale Signale sind in der Regel weniger empfindlich gegenüber Rauschen und lassen sich einfacher speichern und verarbeiten, bringen aber zusätzlich Schritte wie Abtastung und Quantisierung mit sich.

Umwandlung, Speicherung und Verarbeitung

Um ein analoges Signal in ein digitales zu überführen, wird es üblicherweise abgetastet (Sampling) und quantisiert. Die Nyquist-Shannon-Abtasttheorie besagt, dass ein bandbegrenztes analoges Signal ohne Informationsverlust abgetastet werden kann, wenn die Abtastrate größer als das Doppelte der maximalen Signalbandbreite ist. Bei der Quantisierung entsteht jedoch immer ein Rundungsfehler (Quantisierungsrauschen).

Vor- und Nachteile

  • Vorteile: Direkte und oft sehr natürliche Abbildung physikalischer Größen; in einfachen Systemen kostengünstig und mit geringer Latenz.
  • Nachteile: Empfindlich gegenüber Rauschen, Signalverschlechterung bei Übertragung oder mehrfacher Verstärkung, schwieriger zu kopieren/zu rekonstruieren ohne Qualitätsverlust.

Praktische Anwendungshinweise

Bei der Planung analoger Mess- und Übertragungsketten sind folgende Punkte wichtig: richtige Bandbreitenbegrenzung (um Aliasing vor der Digitalisierung zu vermeiden), geeignete Verstärkung und Entzerrung, Abschirmung gegen Störeinflüsse sowie regelmäßige Kalibrierung von Sensoren und Messgeräten.

Siehe digital für eine ausführlichere Diskussion von digital vs. analog und zur Beschreibung der Umwandlungsprozesse zwischen beiden Welten.