Tieto on yleensä tietoliikenne- tai laitteistotekniikasta puhuttaessa dataa. Tiedolla on esitysmuoto, sitä voidaan tallettaa, toistaa, siirtää ja muokata. Perinteisiä tiedon lajeja ovat esimerkiksi teksti, ääni, kuva, liikkuva kuva, numeerinen data tai multimedia (yhdistelmä, joka sisältää monta edelläkuvattua mediatyyppiä.)

Tietoon liittyvän tekniikan - tietotekniikan - kehitys on räjähdysmäistä. Puhumme informaatioyhteiskunnasta ja tiedon merkityksen kasvamisesta. Tiedon ilmaisemiseen käytetään kahta esitystapaa: analogista ja digitaalista.

Analoginen data
Data on analogista, jos sen arvo voi vaihdella portaattomasti tietyllä välillä. Analoginen data on olemassa kaikkina ajanhetkinä ja se voi saada minkä tahansa arvon vaihteluvälillään. Esimerkkejä ovat vaikkapa, ääni tai lämpötila. Puhutaan analogisista lämpömittareista. (esim. nestelämpömittari)

Analogiselle datalle vastakohtana voidaan pitää diskreettiä dataa, joka voi saada vain tiettyjä, toisistaan erillisiä arvoja. Näitä arvoja on aina äärellinen määrä. Analogisesta datasta saadaan diskreettiä näytteistämällä. Diskreetti data voidaan koodata edelleen numeeriseksi eli digitaaliseksi dataksi.

Digitaalinen (eli numeerinen) data
Digitaalinen data muodostuu joukosta lukuja. Jokainen luku on matemaattisen lukuavaruuden piste, joka kuvaa olemassa olevan datan tiettyä arvoa. Digitaalista dataa voidaan siirtää lukujärjestelmästä toiseen. Yleensä digitaalilaitteissa käytetään ns. binääri- eli kaksikantajärjestelmää. Ihmiselle havainnollisempi on tavallinen kymmenkantajärjestelmä, jollaista näkee esimerkiksi digitaalisissa lämpömittareissa, kelloissa, jne..

Digitaalinen data eroaa analogisesta siinä, että sillä pystytään ilmaisemaan lukuarvoja vain äärellisellä tarkkuudella. Esimerkiksi digitaalinen lämpömittari voi ilmaista lämpötilan vaikkapa 0,1 ° C tarkkuudella, jolloin tätä pienemmät erot jäävät havaitsematta.

Jotta tiedolla olisi käyttöä, täytyy sitä voida tarvittaessa tallentaa, toistaa tai siirtää. Dataa voidaan tallentaa, toistaa ja siirtää niin analogisena kuin digitaalisena. Yleensä dataa täytyy muokata tai muuntaa sopivampaan muotoon ennen muita toimenpiteitä.

Tieto vääristyy ja kadottaa pienen osan informaatiostaan aina, kun sitä muokataan. Erilaisia vääristymiä ovat esimerkiksi särö, kohina ja impulssihäiriöt. Tällöin tiedon tarkkuus huononee ja voi syntyä virheinformaatiota.

Tieto saadaan tietolähteestä, jonka jälkeen se muutetaan sopivaksi signaaliksi tallennusta varten. Talletettaessa tietoa tietovälineelle sitä vielä muokataan sopivampaan muotoon. Toistettaessa tieto puretaan tietovälineeltä, minkä jälkeen se muokataan ja muunnetaan takaisin käyttäjälle sopivaan muotoon.

Tallennetaan puhetta tavalliselle c-kasetille. Tämä siksi, että näin saamme esimerkin vanhantyyppisestä analogisesta tiedon tallennuksesta:
Tietolähde on siis ihminen, ja puhe on talletettava tieto. Puhe on akustinen signaali (ilman pitkittäistä aaltoliikettä). Se on myös hyvä esimerkki analogisesta signaalista.

Puhe muunnetaan ensin mikrofonilla sähköiseen muotoon. Sen jälkeen mikrofonista saatavaa sähköistä signaalia muokataan tallennukseen sopivaan muotoon. Muokkauksen jälkeen se tallennetaan kasetille. (Sanotaan, että puhetta nauhoitetaan.)

Tiedon uudelleenkäyttö on toistoa. Toistossa tietoa muokataan uudestaan, ensin kaiuttimille sopivaan sähköiseen muotoon. Sitten kaiutin muokkaa saamansa sähköisen signaalin akustiseksi, jollaisena tiedon käyttäjä ottaa sen vastaan. (Eli kuuntelee kasettia.)

Vastaavassa digitaalisessa tallennuksessa muunnettaisiin signaali ensin digitaaliseksi ja tallennettaisiin bitteinä tietovälineelle (esim. CD- tai audioCD-levy, DAT-nauha) Virheenkorjaavaa koodausta käyttäen saadaan alkuperäinen signaali lähes vääristymättömänä talteen. Digitaalisen tallennuksen etu on, että ajan kuluminen tai toisto ei yleensä aiheuta lisävääristymää tietoon.

Tiedon siirto on pitkälti vastaava sen tallennuksen kanssa:
Tieto saadaan tietolähteeltä, muutetaan sopivaksi signaaliksi, muokataan ja lähetetään siirtotielle. Siirtotien varrella signaalia tarvittaessa vahvistetaan ja toistetaan. Siirtotien toisessa päässä signaali muokataan ja muunnetaan takaisin alkuperäiseen muotoonsa.

Esimerkkinä siirretään puhetta puhelinverkossa:
Puhe muunnetaan ensin luurin mikrofonilla sähköiseen muotoon. Mikrofonista saatavaa signaalia muokataan edelleen siirtoon soveltuvaan muotoon ja lähetetään siirtotielle. Siirtotie voi sisältää käytännössä esimerkiksi puhelinkaapelia, puhelinkeskuksia, mahdollisesti optista kuitua.

Siirtotien toisessa päässä signaalia muokataan uudelleen luurin kuulokkeelle sopivaan muotoon. Kuuloke taas muuttaa sähköisen signaalin akustiseksi vastaanottajaa varten.

Signaali voidaan siirtää analogisessa, digitaalisessa tai osittain kummassakin muodossa. Analogia-digitaali- (AD-) ja digitaali-analogia- (DA-) muunnos on päivän sana.

Signaali on datan fysikaalinen (käytännössä usein sähköinen) olomuoto, jonka avulla dataa siirretään paikasta toiseen.

Analogisessa siirrossa signaali vastaa arvoiltaan suoraan dataa, joka siirretään. Digitaalisessa siirrossa tehdään ensin analogia-digitaali (eli AD) -muunnos (käsitellään seuraavalla sivulla tarkemmin) ja varsinainen signaali koostuu dataa kuvaavista numeerisista arvoista. Tällä menettelyllä mahdollistetaan pienempi häiriötodennäköisyys (virhe signaalissa ei automaattisesti merkitse virhettä signaalin tietosisällössä) ja parempi virheenkorjaus.

• Signaali vaimenee ja vääristyy siirrettäessä. Lisäksi siirtotiellä signaaliin summautuu kohinaa
• Signaalia vahvistettaessa vahvistetaan myös häiriötä samalla.
• Vääristymiä voidaan korjata hyvin rajoitetusti, koska häiriötä ei voida erottaa varsinaisesta signaalista
• Analogisen signaalin laatua mitataan signaali-kohina-suhteella (Signal-to-Noise Ratio, SNR)
  Tämä luku kertoo hyötysignaalin määrän taustakohinaan nähden. Mitä suurempi SNR, sitä parempilaatuinen signaali on kyseessä. Esim SNR = 20 dB tarkoittaisi, että signaali on 20dB eli 100 kertaa voimakkaampi kuin kohina.

• Osa informaatiosta kadotetaan ensin tehtävässä analogia-digitaalimuunnoksessa.
• Signaali vääristyy ja vaimenee, mutta se voidaan regeneroida eli uusia toistimissa.
• Useimmat vääristymät voidaan korjata, koska signaalilla on vain harvoja sallittuja arvoja.
• Silloin tällöin voi esiintyä esim. niin suuri jännitepiikki, että jokin bitti voi "kääntyä ympäri" ts.
  0 --> 1 tai toisinpäin (1 --> 0) . Tällöin on tapahtunut bittivirhe.
• Digitaalisen signaalin laatua mitataan bittivirhesuhteella (Bit Error Ratio, BER). Tämä luku kertoo
  virheellisten bittien määrän verrattuna johonkin referenssimäärään esim. BER = 5*10^-6, tarkoittaisi, että 5 bittiä miljoonasta on virheellisiä. Mitä pienempi BER, sitä parempi signaali on kyseessä.

Yleisesti ottaen digitaalinen tiedonsiirto ja -tallennus vaativat analogista monimutkaisemman laitteiston, mikä viivytti aikoinaan niiden käyttöönottoa. Nykyinen elektroniikan ja mikropiirien kehittyneisyys kuitenkin takaavat digitaalisen siirron kannattavuuden.

Muunnettaessa dataa analogisesta digitaaliseksi (analogia-digitaali eli AD -muunnos) hukataan tietoisesti dataa. Tämä kannattaa, kun mitoitetaan virhe tarvittavan tarkkuustason ulkopuolelle. (Esimerkiksi sopivalla näytteenottotaajuuden ja kvantisointitasojen lukumäärän valinnalla.) Tällöin päästään analogista siirtoa huomattavasti parempaan virheensietokykyyn varsinaisessa siirrossa.

Analoginen signaali ( ) muunnetaan digitaaliseksi (koodiksi, joka voidaan esittää esim. kahden jännitetason muutoksina.
Vaikkapa: 1011001 ~ ).

AD-muunnos sisältää neljä vaihetta:

1. Suodatus: Analogisesta signaalista suodatetaan pois suurtaajuiset häiriöt, jotka kuvassa näkyvät piikkeinä. (Suodatuksesta ja suodattimista puhutaan enemmän kursseissa Ele 2, signaalit ja järjestelmät jne..)
2. Näytteistys: signaalista otetaan määrävälein näytteitä. Esim 1 ms välein, jolloin katsotaan mikä arvo signaalilla juuri silloin on.
3. Kvantisointi: näytteet kvantisoidaan eli pyöristetään vastaamaan lähintä taulukoitua arvoa. Esim 2,7 V --> 3 V
4. Koodaus: saadut näytearvot koodataan tallennusta tai siirtoa varten sopivaan muotoon. Esim arvoa 3 V vastaa koodi 011 (tässä esimerkissä)

AD-muunnoksen epäideaalisuuksia

• Näytevälin täytyy olla tarpeeksi pieni. (Eli olennaista tietoa ei saa jäädä näytteiden välistä huomaamatta.)
• Kvantisointitasoja täytyy olla tarpeeksi eli numeeriselle koodaukselle on varattava tarpeeksi tilaa.

Näytevälin sijasta puhutaan yleensä näytetaajuudesta, joka on näytevälin pituuden käänteisarvo.

Siirron (tai talletuksen) jälkeen koodattu tieto muunnetaan yleensä taas analogiseksi. Tähän tarkoitukseen käytetään digitaalianalogiamuunninta (eli D/A-muunninta). D/A-muunnoksen vaiheet ovat seuraavat:

1. koodattu tieto dekoodataan digitaalisiksi arvoiksi (luvuiksi)
2. muodostetaan lukuja vastaavat analogiset signaaliarvot (esim. jännitteet)
3. sijoitetaan analogiset signaaliarvot peräkkäin s.e. niiden aikaväli on yhtä pitkä kuin aikaisemmin A/D-muunnoksessa käytetty näytteenottoväli
4. venytetään signaaliarvoa pitopiirillä täyttämään väli seuraavaan arvoon asti
5. poistetaan saadun signaalin kulmikkuus suodattamalla

D/A-muunnoksen vaiheet, esimerkkikuva

D/A-muunnos