Page 1


Osastonjohtaja Pekka Wallin haluaa kehittää korkeakoulun johtamista bisnesmäisempään suuntaan.

ISSN 1455–9765 SISÄPIIRI on Teknillisen korkeakoulun Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osaston tiedotuslehti, joka jaetaan sähkötekniikan, elektroniikan, tietoliikennetekniikan, tietotekniikan ja teollisuuden yrityksiin, alan julkaisujen tekijöille, yhteiskunnan ja talouselämän vaikuttajille ja päättäjille sekä osaston vanhoille ja nykyisille opiskelijoille sekä henkilökunnalle.

Mallia toimintaan yrityksistä?

Julkaisija Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Otakaari 5A PL 3000 02015 TKK Päätoimittaja Diplomi-insinööri Jussi Liesiö Toimitussihteeri Suunnittelija Anita Bisi TKK Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto puh: (09) 451 5381 kännykkä: 050–301 0612 fax: (09) 460 224 e-mail: Anita.Bisi@hut.fi Otakaari 5A PL 3000 02015 TKK Toteutus Kimarko Ky yhteyshenkilö: toimitusjohtaja, diplomi-insinööri Ilpo Koskinen puh: (09) 809 1400 kännykkä: 050–585 0040 fax: (09) 802 6155 e-mail: ilpo@kimarko.com Vanha kirkkotie 36 02300 Espoo Kirjapaino

2

JPaino Oy yhteyshenkilö: toimitusjohtaja Risto Hiirikoski puh: (09) 739 788 fax: (09) 701 8375 e-mail: jpaino@jpaino.fi Kalliolanrinne 4 00510 Helsinki

”Y

liopistojen hallinnon ja toimintatapojen kehitys on seurannut yritysten kehitystä, mutta yli kymmenen vuoden viiveellä. Kehittyneimmistä yrityksistä ollaan oltu jäljessä jopa 15 vuotta”, härnää professori Pekka Wallin, Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osaston osastonjohtaja. ”Nyt kun me olemme tehneet yhteistyötä alan huippuyritysten kanssa, niin me olemme saaneet välimatkaa jonkin verran kiinni. Ja meillä olisi kova halu saada rako kiinni kokonaan – jos se vain on mahdollista”, Wallin toteaa. Vaikka aihe onkin Wallinin mukaan ”melkoisen kuuma peruna”, niin hän haluaisi käynnistää keskustelun korkeakoulujen toimintamallien kehittämisestä selvästi yritysmäisempään suuntaan.

Laboratoriot osin kuin yrityksiä ”Useimmissa osastomme laboratoriossa ulkopuolisen rahoituksen osuus on jo yli kaksi kolmasosaa. Se jo sinänsä painostaa kovasti yritysmäiseen toimintatapaan”, Wallin sanoo viitaten siihen historialliseen kehitykseen, joka pakotti laboratoriot hyvin yrittäjämäiselle tielle. Kun 70- ja 80-luvuilla ei rahaa tippunut valtiolta, sitä oli hankittava tilaustutkimuksella.

Ja sitten alkoi syntyä useiden laboratorioiden yhteisiä instituutioita, jotka hoitavat asiakasyhteyksiä ja rahoitusta sekä koordinoivat tutkimusprojekteja. Niiden toiminta on osin hyvinkin yritysmäistä.

Uuteen kulttuuriin ”Kysymyksessä on kulttuurin rakentaminen”, Wallin painottaa. ”Tarkoituksena on tietenkin tehdä parempi yliopisto, mutta se täytyy rakentaa tämän kulttuurin pohjalle, mikä meillä jo on. Me emme voi suoraan kopioida esimerkiksi jotakin amerikkalaista mallia. Eikä päätöksenteossa pidä ryntäillä, siinä saattaa käydä huonosti jollekin yliopiston tärkeälle osalle.” ”Tietenkin yritysmäinen toimintatapa vaikuttaa aika erikoiselta opetusalalla, missä on perinteisesti toimittu erittäin hallintopainotteisesti. Mutta silti meillä on sovellettu tulospalkkausta ja laatuajattelua jo monet vuodet myös opetukseenkin; periaatteessa jokainen kurssi arvioidaan ja hyvät opettajat saavat palautteen perusteella pienen bonuksenkin.” Tänä vuonna korkeakoulu maksaa myös osaston yhteiselle henkilöstölle, esimerkiksi vahtimestareille sekä kanslian ja kirjaston henkilökunnalle, pienen kannustepalkkion hyvin tehdystä työstä.


Teollisuudelta lahjoituksina pc-laitteita

korkeakoululle

5

Automaattinen tuotantolinja valmistustekniikan tutkimukseen

6

Radiolaboratorio on jo 76 vuotta ollut myös iso yhteiskunnallinen vaikuttaja

8

Mikä turvaisi perustutkimuksen? Se, joka on selvästi kärsinyt yritysmäiseen toimintatapaan siirtymisestä, on ollut perustutkimus. Tai ehkä pikemminkin on käynyt vain niin, että soveltava tutkimus on rynninyt eteenpäin niin suurella voimalla, että perustutkimus on jäänyt suorastaan jalkoihin. Joka tapauksessa tänään ollaan jo siinä tilanteessa, että lähes jokainen osaston professori lisäisi hyvin mieluusti perustutkimuksen osuutta. Mutta kuten tämänkin lehden laboratorioesittelyistä käy selvästi ilmi, perustutkimukseen on huomattavan paljon vaikeampi saada rahoitusta kuin soveltavaan tutkimukseen. Toinen perustutkimuksen ongelma on se, että se sopii paljon huonommin yritysmäiseen tulosjohtamiseen. Lisäksi monet perustutkimukseen vihkiytyneet vierastavat kovasti ajatusta yritysmäisiin toimintamalleihin siirtymisestä. ”Perustutkimus on totuuden etsimistä”, Wallin filosofoi. ”Se ei välttämättä ole aivan samaa kuin perinteinen yrittäminen. Jo toimintasuunnitelmienkin teko on hieman hankalampaa, koska on hyvin vaikea sanoa, mitä keksitään ensi vuonna.” Mutta toisaalta, maailmalla on paljon alan yrityksiä, joissa perustutkimusta tehdään varsin rankastikin. Kannattaisiko niiden kehittämiä toimintamalleja yrittää soveltaa korkeakoulumaailmaan? ❚

Avaruustekniikan laboratoriolla on oma lentokonekin

12

Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio opettaa tämän päivän perustekniikkaa

21

Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio

25

Muista: Alumni-WeekEnd järjestetään taas 28.10.2000!

30

3


Rehtori Paavo Uronen

Tietoyhteiskunta tulee – olemmeko me valmiit?

4

Suomi menestyy vain korkealla tiedon ja osaamisen tasolla ja Suomi on tietoyhteiskunnan kehittäjänä maailman kärkimaiden joukossa. Nämähän ovat tuttuja teesejä kaikissa juhlapuheissa ja suunnitelmissa. Mikä on arkipäivän todellisuus erityisesti koulutuksen tason ja määrän suhteen tietotekniikan alalla? Tietoteollisuuden tarvitsema koulutettujen ihmisten määrä on rajussa kasvussa: tarvitaan paitsi tekniikan osaajia ja kehittäjiä myös sisällöntuottajia ja ”moniosaajia”. Eräs indikaatio osaajien tarpeesta on TT:n jäsenyrityskysely viime keväältä, jossa TT:n jäsenyritykset arvioivat alan DI-rekrytointitarpeen olevan 2300 diplomi-insinööriä vuodessa. Vertailun vuoksi voidaan todeta, että vuonna 1998 valmistui kaikkien Suomen yliopistojen kaikista diplomi-insinöörien koulutusohjelmista yhteensä noin 2100 diplomi-insinööriä! Maamme yliopistot TKK mukaanluettuna ovat opetusministeriön ja teollisuuden tukemina lisänneet mahdollisuuksiensa mukaan tietotekniikan alan koulutusohjelmien opiskelijapaikkoja sekä ryhtyneet myös järjestämään muuntokoulutusta ynnä muuta poikkeuskoulutusta huutavan työvoimapulan poistamiseksi. Näillä toimenpiteillä on esimerkiksi TKK:n sähkö- ja tietoliikennetekniikan osaston, tietotekniikan osaston ja automaatio- ja systeemitekniikan osaston sisäänottoja kasvatettu muutaman vuoden aikana runsaasta 450:sta yli 850:een ja kasvu jatkuu ainakin vielä vuoden 2000 aikana. Lisäksi on menossa mittava muuntokoulutusohjelma. Kaikki tämä laajeneminen on toteutettu riittämättömän resursoinnin puitteissa, vaikka muun muassa teollisuudelta on saatu merkittävää laite- ja ohjelmistotukea tietoteollisuuden lisäkoulutuksen tarpeisiin. Tilanne näillä kasvuosastoilla (S, T ja AS) on se, että tilanpuute, resurssivaje, suuret opetusryhmät ja työmarkkinoiden imu ovat ylikuormittamassa opettajakuntaa, mikä tilanne ei voi olla kestävä.

Korkeakoulun sisällä on resurssien allokoinnissa pyritty etsimään jokainen liikenevä markka näiden osastojen ymmärrettäviin tarpeisiin. Toisaalta muillakin osastoilla on kiireellisiä kehityskohteita ja laajenemistarpeita, joten korkeakoulun kokonaistilanne ja kehittäminen on myös pidettävä mielessä. Mikä sitten ratkaisuksi, kun valtion rahoitus yliopistoille kaiken todennäköisyyden mukaan ei lähivuosina merkittävästi kasva? Olen useassa yhteydessä esittänyt koulutusohjelmien joustavuuden lisäämistä ja esimerkiksi koulutusohjelman vaihdon helpottamista. Koulutusohjelmien rakenne ensimmäisten kahden vuoden aikana pitää saada myös yhtenäisemmäksi, meidän pitää ottaa uudet opetusmenetelmät ja uusi opetusteknologia tehokkaaseen käyttöön ja nostaa opetuksen arvostusta. Useita toimenpiteitä tässä suhteessa onkin tehty ja tekeillä. Asetan paljon toiveita myös kansalliseen verkkoyliopistoon, joka on nyt myötätuulessa ja ensi vuoden aikana käynnistyy toden teolla. Verkko-opetus antaa lisää mahdollisuuksia ja joustoa helpottaen oikein järjestettynä osittain myös resurssipulaa. Tosin siihen joudutaan myös alkuvaiheessa panostamaan varsin mittavasti. TKK on perustajajäsenenä mukana myös kahdessa kansainvälisessä verkkoyliopistohankkeessa (INU ja EUNIT), joten myös kansainvälinen opetustarjonta ja oppimateriaalien vaihto etenee. Näillä toimenpiteillä ei kuitenkaan ratkaista kahta suurta perusongelmaa: mistä saamme tarvittavat opiskelijat ja opettajat tähän tietoteollisuuden jatkuvaan kasvuun ja miten resurssoimme tämän kasvun? Maamme väestöpohja ei voi jatkossa tuottaa tietoteollisuuteen sitä osaajien määrää, joka siellä todennäköisesti tarvitaan. On hyväksyttävä se tosiasia, että maamme high tech -teollisuus ulosliputtaa merkittävän osan

tutkimus- ja kehitystoiminnastaan, kuten on jo tapahtunutkin. Tärkeää on kuitenkin säilyttää kovin ydinosaaminen Suomessa. Olen ehdottanut kansainvälisen rekrytoinnin lisäämistä sekä oppilaiden että opettajien osalta. Tämä voisi tapahtua perustamalla kansainvälinen yliopisto tai tutkimuslaitos tietotekniikkaan erikoistuvana Otaniemeen. Rahoitusta voitaisiin saada Euroopan Unionilta sekä kansainvälisiltä ja kansallisilta suuryrityksiltä. Olen myös ehdottomasti sitä mieltä, että valtion panostusta tarvitaan sekä alan opetukseen että tutkimukseen, ohjattakoon osan valtion yritysosuuksien myyntituloista tähän; se olisi erinomaisen tärkeä ja tuottava investointi tulevaisuuteen. ❚

Paavo Uronen rehtori Teknillinen korkeakoulu


Teollisuudelta tukea tietotekniikkakoulutukseen Teollisuus osallistuu tietoteollisuuden lisäkoulutusohjelmaan avustamalla Teknillistä korkeakoulua, Tampereen teknillistä korkeakoulua sekä Oulun yliopistoa lahjoituksin, joilla laitekantaa lisätään ja ajantasaistetaan vuosina 1999–2001. Lahjoituksia on luvattu yhteensä 47 miljoonalla markalla. TKK:ssa lahjoitukset kohdistetaan suurimman lisäkoulutuskuorman kantajille eli Sähköja tietoliikennetekniikan osastolle, Tietoteknii-

kan osastolle, Automaatio- ja systeemitekniikan osastolle sekä perusopetuksen tietokoneluokkiin TKK:n päärakennuksessa. 31.1.1999 mennessä TKK oli saanut 5,5 miljoonan lahjoitukset, joista S-osaston osuus oli 2,8 miljoonaa. Lahjoitukset olivat rahaa, tietokonelaitteita, ohjelmistoja ja mittauslaitteita. Lahjoittajina olivat Compaq Computer, L.M.Ericsson, ICL Data, Mentor Graphics (Finland), Nokia, Siemens, Sonera ja Vaisala.

Edellisten lisäksi lahjoituksia ovat luvanneet ainakin seuraavat yritykset: Elektrobit, Elcoteq Network, Ensto, Helsingin Puhelin, Oracle Finland ja Xerox. Lahjoituksista neuvoteltiin yrityskonsortion ja yksittäisten yritysten kanssa lähes puolentoista vuoden ajan. TKK:ta neuvotteluissa edusti vararehtori Antti Räisänen ja Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osastoa laboratorioinsinööri Tapani Nieminen. ❚

5


Elektroniikan valmistuslinja tutkimukseen ja opetukseen Osastolla otettiin joulukuussa käyttöön uusi elektroniikan valmistuksen tuotantolinja ja siihen liittyvät tarkastus- ja testausyksiköt. Linja palvelee sekä opetusta että tutkimusta – erityisesti elektroniikan luotettavuuden tutkimusta. Laitteistojen hankkinnasta ja käytöstä vastaa Elektroniikan valmistustekniikan laboratorion esimies, professori Jorma Kivilahti. Linjan vihki käyttöön TKK:n rehtori Paavo Uronen. ❚

6


7


Radiotekniikan ensimmäinen professuuri perustettiin jo vuonna 1924, ja sittemmin Radiolaboratoriolla on ollut valtaisa vaikutus koko osaston ja suorastaan koko tieteenalan kehitykseen – onhan se poikinut monta laboratoriota ja tuottanut noin 30 professoria. Laboratorio on vaikuttanut merkittävästi jopa kaikkien kansalaisten päivittäiseen elämään, koska sillä on ollut keskeinen rooli yleisradio- ja televisiotoiminnan sekä radiotietoliikenteen käynnistämisessä Suomessa.

Radiolaboratorio on ollut iso vaikuttaja Hyvää opetusta ja tasokasta tutkimusta

8

”Olemme aina halunneet profiloitua hyvän opetuksen ja hyvän, korkeatasoisen tutkimuksen laboratorioksi”, sanoo Radiolaboratorion esimies, professori Antti Räisänen. ”Erityisesti olemme satsanneet jatkokoulutukseen ja pärjänneet siinä niin kansallisesti kuin kansainvälisestikin hyvin. Meiltä valmistuu useita tohtoreita joka vuosi – ja hyviä tohtoreita, jotka kelpaavat hyvin maailman huippututkimuspaikkoihin”, Räisänen kehaisee. Laboratorion kiinnostus opetuksen kehittämiseen kuvastuu selvästi myös oppikirjoista; melkein jokaiseen kurssiin on tehty oma kirjansa. Useimmat niistä ovat suomeksi, mutta löytyy englanninkielisiäkin kirjoja, esimerkiksi mikroaaltoantureista. ”Ja paljon hyviä kirjoja on tulossa, kunhan vain keretään”, Räisänen lupaa.

Tohtoreille myös

Vanha mutta

käytännön kokemusta

aina moderni ala

Räisänen pitää hyvin tärkeänä, että valmistuvat tohtorit saavat teoreettisen osaamisen lisäksi myös käytännön kokemusta – ja muustakin kuin vain tekniikan soveltamisesta. ”Kun juuri valmistunut tohtori menee työelämään, niin hänellä olisi hyvä olla kokemusta myös tiimityöskentelystä, kansainväliseen projektiin osallistumisesta, projektin johtamisesta sekä projektin kuukausittaisesta raportoinnista”, oman professorinvirkansa ohella myös TKK:n vararehtorina toimiva Räisänen listaa. ”Meillä jokainen jatko-opiskelija pääsee mukaan johonkin projektiin – ja joutuu sitten ennen valmistumistaan nousemaan vastuuseen koko projektista”, Räisänen kertoo. ”Siksi meillä tohtoriksi valmistuminen kestää ehkä vähän kauemmin kuin suositusten mukainen neljä vuotta. Mutta niinpä tohtorimme ovat myös valmiimpia – mihin hyvänsä tehtävään. Vaikka menisi sitten professoriksi, niin tällaiset asiat on hallittava.”

Radiolaboratorio perustettiin jo yli 75 vuotta sitten ja se on siitä asti onnistunut kiitettävän hyvin pysymään mukana aina kunkin ajan kiinnostavimman tekniikan kehittämisessä. Matkan varrella laboratorion väki on osallistunut muun muassa yleisradio- ja televisiotoiminnan käynnistämiseen, avaruutta tutkivan radioteleskoopin rakentamiseen sekä tietoliikenneverkkojen, matkapuhelinjärjestelmien ja eri kännykkäsukupolvien kehittämiseen. Laboratorio on ollut myös mukana kehittämässä esimerkiksi tutka- ja radionavigointitekniikkaa, lasertekniikkaa, satelliitti- ja kaukokartoitustekniikoita, lääketieteellistä mittaustekniikkaa sekä metsä- ja prosessiteollisuuden anturitekniikoita. Tänään laboratoriossa on menossa paljon tietoliikenneteollisuuteen viittaavia projekteja, joiden rahoitus tulee teollisuudesta. ”Mielestäni meillä on aika hyvin yhdistetty perustutkimus ja soveltava tutkimus”, Räisänen


Radiokanavaluotain, jolla voidaan mitata matkapuhelinjärjestelmän radiokanavan kompleksiset ominaisuudet ajan ja paikan funktiona.

min ollut vastaavaa mittauslaitteistoa. Ilmiötä ei myöskään ole voitu tutkia maan pinnalta käsin, koska ilmakehän happi peittää sen alleen. Radiohologrammimenetelmän ja sen sovellusten tutkimus jatkuu vilkkaana. Räisänen uskoo, että siitä voi tulla vielä kaupallinenkin menestys. Markkinoita löytyy varsinkin tietoliikenneteollisuuden alueelta, sillä menetelmä sopii hyvin radiolinkeissä käytettävien millimetriaaltoantennien testaukseen. Menetelmää sovelletaan myös yhä suuremmille alimillimetrialueen taajuuksille. Päärahoittajana on Euroopan Avaruusjärjestö ESA, jolla on suunnitteilla monia tieteellisiä satelliitteja ja ilmakehän kaukokartoitussatelliitteja, joissa on esimerkiksi isoja peiliantenneja, joita ei voida mitenkään muuten mitata maan päällä.

arvioi. ”Jokaisessa väitöskirjassa tehdään paljonkin teoriaa, mutta siinä ei jäädä pelkän teorian varaan, vaan edetään aina myös käytännön mittausten ja sovellusten tasolle. Laboratoriossa rakennetaan myös laitteita, mikä on luonteeltaan soveltavaa tutkimusta – joskin tieteellisten instrumenttien rakentaminen voidaan lukea myös perustutkimukseksi.”

Iso yhteiskunnallinen vaikuttaja Radiolaboratoriolla on aina ollut suuri yhteiskunnallinen merkitys. Räisänen uskoo, että näin on jatkossakin: ”Yritämme työskennellä niin, että olemme mukana suurissa asioissa ja sitä kautta tieteen ja tekniikan eturintamassa.” ”Yksityiskohtaisesti on vaikea sanoa, mikä on radiotekniikan tulevaisuus. Se muodostuu pienistä osasista, jotka sitten loksahtelevat paikoilleen”, Räisänen arvioi. ”Olen varma, että radiotekniikkaa tullaan aina tarvitsemaan – vaikka 80-luvulla täällä esiintyi sellaistakin ajattelutapaa, että kun edeltäjäni, professori Martti Tiuri lähti Eduskuntaan, Radiolaboratorio olisi monien mielestä voitu lakkauttaa, koska sitä ei enää koettu tarvittavan.” ”Sinänsä esimerkiksi uudentapaiset wapkännykät – ja muut sellaiset tuotteet, jotka vapauttavat meidät paikkariippuvaisuudesta – eivät ole radiotekniikkaa, mutta nämä palvelut mahdollistava teknologia perustuu radioaaltoihin ja sitä kautta myös radiotekniikkaan”, Räisänen sanoo. Radiolaboratoriota ei ole vielä kelpuutettu tieteen valtakunnalliseksi huippuyksiköksi, mutta Räisänen myöntää, että siihen kovasti pyritään. Ja onpa jo tänään Radiolaboratorion, Avaruustekniikan laboratorion, Sähkömagnetiikan laboratorion ja Metsähovin tutkimusaseman yhdessä muodostama radiotieteen tutkimusala yksi TKK:n sisäisistä huippuyksiköistä.

Jalkapallon oloinen radiokanavaluotain

Antti Räisänen ja kanadalaisten yhteisessä Odin-avaruusprojektissa kehitetyn antennin mittauksessa: ”Kun antenni saatiin valmiiksi ja se mitattiin, se osoittautuikin sudeksi. Se ei toiminutkaan niin kuin oli laskettu”, Räisänen paljastaa. ”Antenni toimii sellaisilla taajuuksilla, että vanhoilla menetelmillä sitä ei olisi voitu lainkaan mitata maan päällä. Vika olisi paljastunut vasta kun antenni olisi saatu avaruuteen – ja silloin se olisi tietenkin ollut jo myöhäistä. Uusi mittausmenetelmämme säästi siis merkittävän summan rahaa.”

Radiohologrammi mullisti antennimittaukset Yksi Radiolaboratoriossa tehty uraa uurtava keksintö on ollut radiohologrammin käyttöön perustuva antennimittausmenetelmä. Tätä jo vuonna 1991 tehtyä mullistavaa keksintöä on vuosien myötä kehitelty ja sillä on saavutettu hyvin merkittäviä tuloksia. Vankkaa näyttöä menetelmän eduista saatiin ruotsalaisten, suomalaisten, ranskalaisten

Radiohologrammiin käyttöön perustuva antennimittarata. Suomessa Odin-projektiin suunniteltiin (TKK) ja rakennettiin (Insinööritoimisto Ylinen) millimetrialueella toimiva vastaanotin, jolla pyritään mittaamaan interstellaarista eli tähtien välissä olevaa happea – mikäli sitä ylipäänsä on olemassa – asiaa kun ei vielä tiedetä. Missään muussa satelliitissa ei ole aikaisem-

”Radiolaboratoriolla on erittäin tärkeä tehtävä ja rooli meidän jokapäiväisessä ja kouriintuntuvassa mobile-tietoliikenteessä”, Räisänen muistuttaa, kun kierrämme pitkin laboratoriota. ”Nyt kun ollaan astumassa kolmannen sukupolven järjestelmiin, taajuudet ja kaistanleveydet kasvavat – samoin vaatimukset. Ja radiokanavan mallinnuskin on tehtävä aivan uudelleen. Sitä varten laboratoriossa on kehitetty ja rakennettu radiokanavaluotain, joka pystyy mittaamaan radiokanavan kompleksiset ominaisuudet ajan ja suunnan funktiona”, Räisänen kertoo ja esittelee isoa jalkapalloa muistuttavaa pallomaista vastaanottoantennia. ”Professori Pertti Vainikainen tutkimusryhmineen otti mallia jalkapallosta, tämä on koottu 64 elementistä niinkuin hyvä jalkapallo. Tämä älykäs antenni osaa muodostaa keilan mihin tahansa suuntaan ympärilleen. Tällä pystytään mittaamaan, millaisena radiosignaali tulee mistäkin päin. Esimerkiksi kaupungissa signaalia kulkeutuu tukiasemasta kännykkään hyvin monesta suunnasta ja monella eri tavalla: suoraan, heijastuneena, diffraktoituneena... niin, ties millä tavalla.” Antennilla tehtiin paljon mittauksia viime kesänä Helsingissä. Tukiasemia sijoitettiin öiseen aikaan milloin minnekin, talojen seinille ja katoille. Sitten antennin kanssa ajeltiin tai käveltiin ympäri kaupunkia mittaamassa kenttää eri paikoissa. ”Tottakai on selvää, ettei kaikkia radioverkkoja voida mitoittaa siten, että käytäisiin ensin mittaamassa kaikki alueet, jotta tukiasemille löydettäisiin optimaaliset paikat”, Räisänen sanoo. ”Siksi kerätyn mittausaineiston pohjalta kehitetään matemaattisia malleja, joita voidaan sitten käyttää tukiasemien paikkojen optimointiin.” jatkuu…

9


Laitteita otsonin ja ilmakehän saasteiden mittaukseen Radiotekniikkaan perustuvat tutkimusmenetelmät ovat avainasemassa myös monissa maapallon tilaa koskevissa tutkimussarjoissa, tutkitaanpa sitten vaikkapa ilmakehän saasteita, kasvihuoneilmiötä tai otsonikatoa. Radiolaboratorio on osallistunut esimerkiksi EU:n ympäristöohjelman EMCOR-hankkeeseen, jossa rakennettiin eurooppalaisena yhteistyönä hyvin herkkä 200 – 210 GHz -taajuusalueella toimiva radiometri, joka toimii nyt Sveitsin alpeilla kolmen ja puolen kilometrin korkeudella. Laitteella kartoitetaan lähinnä otsoni- ja kloorimonoksidipitoisuuksia ilmakehän stratosfäärissä, mutta sillä pystytään mittaamaan myös muita stratosfäärin otsonimäärään sekä maapallon lämpötalouteen läheisesti liittyvien molekyylien spektriviivoja.

Radiokaiuttomia huoneita Kuljemme jutustellessamme laboratorion suureen radiokaiuttomaan huoneeseen, jossa mitataan erilaisten antennien ominaisuuksia. ”Antenni pitää mitata joko kaukokentässä tai sitten kompaktissa antennimittaradassa. Täällä mitataan kaukokentässä”, Räisänen valistaa. Itse asiassa huone on isohko halli, jonka lattialla, seinillä ja katossa on radioaaltoja hyvin tehokkaasti absorboivia kiiloja, jotka on tehty polyuretaanista, johon on lisätty hiilipölyä ja jonkin verran rautajauhoa. ”Täällä on tehty jopa mainoskuvauksiakin”, Räisänen kertoo. ”Mainostoimiston väki oli nähnyt huoneen kuvan jossakin esitteessä ja piti sitä sopivan eksoottisena paikkana.” Huoneen toisessa päässä on monimutkainen kääntö- ja pyörityslaitteisto, jota voidaan kauko-ohjata ohjaamosta käsin. Sillä mitattava antenni voidaan kääntää asteen osan tarkkuudella haluttuun suuntaan. Jatkamme matkaamme ja kiipeämme laboratorion ullakolle, josta löytyy toinenkin radiokaiuton huone, mutta tämä on varsin pieni, vain ahtaan vaatehuoneen kokoinen.

Millimeter Wave Laboratory of Finland – MilliLab

10

Radiolaboratorion toimintaan liittyy läheisesti myös MilliLab eli Millimeter Wave Laboratory of Finland. Se on vuonna 1995 perustettu TKK:n ja VTT:n yhteinen tutkimusinstituutti, jolla on Euroopan avaruusjärjestön ESA:n ulkoisen laboratorion status.


Radiotekniikkaa jo yli 75 vuotta

Yhteistyö ESA:n kanssa on tuonut sekä statusta että rahaa. Ensimmäiselle viisivuotisjaksolle 1995–99 ESA:n ulkosena laboratoriona MilliLab sai miljoona euroa laitehankintoihin. Kuvan vektoripiirianalysaattori on yksi näillä rahoilla hankituista laitteista. Osa laitteista on VTT:n tiloissa. ”Yhteinen instituutti perustettiin, koska Euroopan avaruusjärjestössä oltiin sitä mieltä, että kumpikin – niin TKK kuin VTT:kin – olisi ollut yksinään liian pieni hoitamaan näitä asioita”, Räisänen selvittää.

Radiotietoliikenneinstituutti, IRC Viime vuosina hyvin olennainen osa Radiolaboratorion toiminaa on ollut myös radiotietoliikenneinstituutti eli IRC (Institute of Radio Communications), joka on ollut koko Sähköja tietoliikenneosaston radiotietoliikenteen alueen tutkimusta koordinoiva merkittävä yhteistyöelin, jossa ovat olleet tiiviisti mukana myös esimerkiksi Avaruustekniikan laboratorio, Piiritekniikan laboratorio, Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio, Sähkömagnetiikan laboratorio, Teletekniikan laboratorio sekä Tietoliikennelaboratorio. IRC perustettiin vuonna 1993 ja sen ensimmäisenä johtajana toimi oto-periaatteella Radiolaboratorion professori Pertti Vainikainen. Viime vuosina instituuttia on johtanut niinikään oto-periaatteella professori Iiro Hartimo Signaalinkäsittelylaboratoriosta. IRC:n toiminta on ollut varsin laajaa – vuosibudjetti on ollut noin 20 miljoonaa markkaa vuodessa. Nyt IRC:n hoitamia toimintoja organisoidaan uudelleen; IRC on muodollisesti lopetettu ja tilalle on perustettu uusi instituutti, IDC (Institute of Digital Communications), jossa on mukana myös Tietotekniikan osasto. ❚

Vaikka asetus teoreettisen sähkötekniikan ynnä radiotekniikan professuurista annettiin jo vuonna 1922, siis 78 vuotta sitten, virkaan 1.1.1980 nimitetty professori Antti Räisänen on vasta viran kolmas haltija. Tosin virkaa on eri virkavapauksien aikoina ja viran ollessa avoimena hoitanut iso joukko tutkijoita, joista monet on sittemmin nimitetty muihin professuureihin. Viran ensimmäinen haltija, insinööri Viljo Ylöstalo astui virkaan elokuussa 1924. Professori Ylöstalo erosi täysin palvelleena vuonna 1952.

Monen muunkin laboratorion syntysija Vuonna 1955 virka jaettiin kahteen osaan: teoreettisen sähkötekniikan professuuriin ja radiotekniikan professuuriin. Radiotekniikan professuuri julistettiin useitakin kertoja haettavaksi, mutta vasta kolmannella kerralla löytyi pätevä hakija, TkT Martti Tiuri, joka astui virkaan elokuussa 1962. Ennen Tiurin nimittämistä virkaa hoitivat virkaatekevinä ainakin DI Ilmari Kareskoski (ent. Koskinen) 1952–54 ja DI Timo Kytöniemi 1955–62. Osittain professorin tehtäviä hoitivat myös TkT Pentti Mattila ja TkT Jouko Pohjanpalo. Kun Tiuri oli virkavapaalla 1970–75 Suomen Akatemian tutkijaprofessorina, virkaa hoitivat apul.prof. Seppo J. Halme ja apul.prof. Veikko Porra. Tiuri erosi virasta täysinpalvelleena 1989 oltuaan tosin jo sitä ennen vuosia virkavapaalla kansanedustajana, jolloin virkaa hoitivat apul.prof. Ismo Lindell 1983, TkT Martti Hallikainen 1984, TkT Antti Räisänen 1985 ja 1987–89 ja TkT Seppo Urpo 1986–87. Räisänen kutsuttiin virkaan 1.1.1990 alkaen. Kun Räisänen oli virkavapaalla Yhdysvalloissa 1992–93, virkaa hoitivat TkT Pertti Vainikainen ja TkT Arto Lehto. Vuonna 1997 radiotekniikkaan perustettiin toinen professorin virka, johon kutsuttiin apulaisprofessori, TkT Pertti Vainikainen 1.7.1998 alkaen. Uuden yliopistolain myötä myös radiotekniikan apulaisprofessorin virka muutettiin professorin viraksi elokuussa 1998. Virka on nyt täyttöprosessissa ja sitä hoitaa määräaikaisena TkT Arto Lehto.

Radiotekniikan opetusta varten on ollut myös apulaisprofessorin virkoja, joissa ovat nimitettyinä viranhaltijoina palvelleet Ph.D. Seppo J. Halme 1970–72 ja TkT Ismo Lindell 1975–88 sekä TkT Pertti Vainikainen 1994–97. Lisäksi sähkötekniikan (teletekniikka) apulaisprofessorin virka palveli radiotekniikkaa vuosina 1961–85. Virkaan nimitettynä viranhaltijana oli vuosina 1963–67 TkT Pekka Ahonen (myöhemmin Tampereen TKK:n professori ja rehtori) ja vuosina 1969– 85 TkL Veikko Porra. Radiotekniikan professuuria on vuosien mittaan hajautettu muulloinkin kuin 1955. Vuonna 1985 perustettiin piiritekniikan professuuri (prof. Veikko Porra). Vuonna 1987 perustettiin avaruustekniikan professuuri (prof. Martti Hallikainen) ja Metsähovin radiotutkimusasema erotettiin radiolaboratoriosta omaksi hallinnolliseksi yksikökseen (prof. Seppo Urpo). Vuonna 1988 perustettiin sähkömagnetiikan professuuri (prof. Ismo Lindell).

Tuutista tullut jo noin 30 professoria Kaikkiaan Radiolaboratorio on ollut merkittävä siemen koko elektroniikka-alan opetukselle ja tutkimukselle Suomessa. Oppilaiden joukosta on esimerkiksi leivottu noin 30 eri alojen professoria. Jo aiemmin mainittujen professorien lisäksi entisten oppilaiden listalta sattuvat silmään muun muassa nimet Viljo Hentinen, Kalevi Kalliomäki, Yrjö Neuvo, Matti Otala, Ari Sihvola ja Martti Valtonen. Kun Radiolaboratorio juhli 75 vuoden taivalta kesällä 1999, radiotekniikan alalta oli tehty 467 hyväksyttyä ja yksi hylätty diplomityö – viimeksimainittukin on tallessa numeroituna kansissa! Lisensiaatteja oli valmistunut 91 ja tohtoreita 39. Tyttöjen osuus laboratorion opiskelijoista oli ollut pieni mutta kasvamassa. Kaikista radiotekniikan diplomitöistä naisten piikkiin oli mennyt 4,5 prosenttia ja lisensiaattitöistä 4,4 prosenttia – ensimmäistä väitöskirjaa odotellaan yhä. Diplomitöissä tytöt olivat ottaneet iIlahduttavan loppukirin: vuoden 1999 ensimmäisen puoliskon 15 diplomityöstä neljä oli tyttöjen tekemiä – osuus siis peräti 26,7 prosenttia! ❚

11


Avaruustekniikan laboratorio

Erikoisalana kaukokartoitus Vuonna 1988 perustetun Avaruustekniikan laboratorion erikoisalana on kaukokartoitus. Ala on juuri voimakkaasti kaupallistumassa ja kasvunäkymät ovat suorastaan hurjat.

A

varuustekniikan professuuri perustettiin vuonna 1987, kun Suomi liittyi Euroopan Avaruusjärjestö ESA:n (European Space Agency) liitännäisjäseneksi. ESA:n täysjäsen Suomesta tuli vuonna 1995. Uuden laboratorion toimintaa ei tällä kertaa tarvinnut lähteä käynnistämään tyhjästä, sillä laboratorion erikoisalan, kaukokartoituksen, tutkimusta oli harjoitettu jo varsin kauan Radiolaboratoriossa, josta uusi yksikkö erkaantui.

Laiterakennusta ja sovellustutkimusta

12

Laboratorion tutkimuksessa on kaksi vahvaa erikoisaluetta: lentokonekäyttöisten kaukokartoituslaitteiden rakentaminen, jossa viime aikoina on keskitytty mikroaaltoalueella toimivien radiometrien suunnitteluun sekä sovellustutkimus, jossa kehitetään menetelmiä satelliiteista ja lentokonemittauksista saatavan tiedon tehokkaaseen hyödyntämiseen. Soveltavan tutkimuksen tärkeimpiä kohteita ovat olleet metsä (runkotilavuuden arviointi ja puulajisuhteiden määritys), merijää (jääpeitteen laajuus ja jäätyyppien tunnistus), lumi (lumipeitteen laajuus, lumen vesiarvo ja sulaminen), maanpinta (maatyyppien erottaminen) ja ilmakehän otsoni (otsonimäärän lyhyt- ja pitkäaikaiset vaihtelut eri korkeuksilla).

Tärkeitä kotimaisia yhteistyökumppaneja ovat olleet Merentutkimuslaitos, Metsäntutkimuslaitos, Suomen ympäristökeskus, Ylinen Oy ja Geologian tutkimuskeskus. Suurin rahoittaja on Tekes.

Soveltavan tutkimuksen osuus on kaikkiaan noin kolme neljäsosaa laboratorion budjetista ja työmäärästä, joskin laboratorion esimies, professori Martti Hallikainen mieluusti kasvattaisi perustutkimuksen osuutta.


Erikoisalueena mikroaaltomittaukset

Martti Hallikainen ”Tekes on aika huomattava rahoittaja tällä alalla, paljon isompi kuin Suomen Akatemia”, Hallikainen kertoo. ”Kun me haemme rahaa Tekesiltä, niin on lähes ehtona, että mukana on yksi tai useampia yrityksiä ja meillä on selvä suunnitelma siitä, miten projektista päästään johonkin operatiiviseen sovellukseen.” ”Perustutkimuksen rahoitus jää pelkästään Suomen Akatemian varaan. Siksi meillä perustutkimus on paljon vähäisempää kuin soveltava tutkimus, mikä ei välttämättä ole hirvittävän hyvä asia”, Hallikainen pohtii. ”Jos joku tulisi ja sanoisi, että tässä on teille reilusti rahaa, käyttäkää se fiksusti, niin kyllä me tietäisimme, mitä me sillä tekisimme!”

Kaukokartoitus perustuu siihen, että mitataan kohteen lähettämää tai heijastamaa säteilyä, joka voi vaihdella näkyvästä valosta infrapunaan ja siitä edelleen mikroaaltoihin. Kaukokartoituksen yksi keskeinen käytännön ongelma on se, että ilma heijastaa ja absorboi mitattavaa säteilyä, joten ilmakehä vääristää mittaustuloksia ja niitä on osattava korjata vastaavasti joko empiirisillä tai analyyttisillä malleilla. Empiiriset mallit tarkoittavat käytännössä lähinnä sitä, että käydään maastossa katsomassa todellinen tilanne ja pyritään sitten kehittämään laskentamalleja, joilla mittaustuloksista saadaan mahdollisimman oikeita tuloksia. Analyyttisissä malleissa taas korjaukset johdetaan suoraan säteilyn fysikaalisesta käyttäytymisestä. Kaikkein eniten ilmakehä ja erityisesti pilvet häiritsevät näkyvään valoon perustuvia optisia laitteita, vähiten taas mikroaaltoihin perustuvia radiolaitteita. ”Asialla on iso merkitys käytännössä, koska Suomessa on tilastollisesti noin kaksi kolmasosaa ajasta taivaalla pilvipeitettä”, Avaruustekniikan laboratorion laboratorioinsinööri Pekka Ahola valistaa. ”Mikroaaltolaitteiden käytettävyys on siis paljon suurempi kuin optisilla laitteilla. Mittauksia voidaan tehdä pilviselläkin säällä, joskin mittaustulosten käsittely on silloin yleensä paljon työläämpää.” Mikroaaltokniikan tarjoama parempi käytettävyys onkin yksi keskeinen syy siihen, miksi Avaruustekniikan laboratorio on keskittynyt nimenomaan mikroaaltokaukokartoitukseen. Toinen hyvä syy on tietenkin se, että Radio-

laboratoriosta erkaantuneella laboratoriolla oli jo heti alussa erinomainen mikroaaltotekniikan osaaminen.

Opetusalueena valtaisa kenttä Vaikka laboratorion tutkimuksessa keskitytään varsin kapealle sektorille, opetuksessa halutaan kouluttaa hyvin laaja-alaisiakin osaajia yhteiskunnan sekä nopeasti kasvavan alan teollisuuden palvelukseen. Avaruustekniikan ala on kuitenkin teknisesti valtaisa; kattaahan se periaatteessa kaiken mahdollisen tekniikan, joka viedään ”yläilmoihin” – olipa sitten alustana luotain, lentokone, helikopteri tai satelliitti – sekä myös kaikilla eri tekniikoilla saadun datan hyväksikäytön. Opetuksessa on kaukokartoituksen ohella kolme muutakin keskeistä aluetta: avaruuslaitetekniikka, avaruustutkimus ja satelliittitietoliikenne. Siksi Avaruustekniikan laboratorio ei yritäkään antaa kaikkea opetusta itse, vaan hyödyntää opetuksessa myös muiden laboratorioiden ja TKK:n ulkopuolisia opettajaresursseja. Aika jännä piirre laboratorion opetuksessa on se, että jatko-opiskelijoita on aina ollut lähes yhtä paljon kuin perusopiskelijoita. Eli erittäin moni avaruustekniikan perusopiskelija ryhtyy jatko-opiskeijaksi ja jatko-opiskelijoita tulee paljon muualtakin. Laboratoriolla on nyt noin 30 sellaista jatko-opiskelijaa, joilla avaruustekniikka on pääaineena. Lisäksi on paljon sivuaineopiskelijoita. Koko ala on toistaiseksi ollut varsin tutkimuspainotteinen, noin puolet laboratorion kasvateista työskentelee tutkimuslaitoksissa.

Neljäsosa rahoituksesta ulkomailta Avaruustekniikan laboratoriossa ulkomaisen rahoituksen osuus on poikkeuksellisen korkea, yli neljäsosa kokonaisrahoituksesta. Tärkeitä ulkomaisia rahoituslähteitä on kaksi: Euroopan Avaruusjärjestö ESA ja ehkä hieman yllättävältä kuulostava Euroopan Unioni. ”EU on aika iso toimija avaruusalueella”, Hallikainen selvittää. ”Kyse ei kuitenkaan ole satelliittien rakentamisesta, vaan satelliiteista saatavan maanpintaa ja ilmakehää koskevan kaukokartoitusdatan käytöstä.” Avaruustekniikan laboratorion yhteistyö EU:n kanssa keskittyy puhtaasti tutkimukseen, mutta EU harjoittaa myös varsin laajaa operatiivista toimintaa, esimerkiksi maanviljelijöiden seurantaa. Satelliittidatastahan voidaan selvittää esimerkiksi se, ovatko pellot kesannolla tai mitä viljaa niillä viljellään.

13


Metsän puumäärä, meren jäätilanne, lumen vesiarvo, vesistön veden laatu ja levätilanne, meriveden suolaisuus, maaperän kosteus...

14

Lentokoneista ja satelliiteista tehtävä kaukokartoitus sopii suurina aloina esiintyvien suureiden mittaamiseen ja kartoittamiseen. Mittauksia tehdään sekä itse kohteiden lähettämän säteilyn avulla (optiset mittauslaitteet ja radiometrit) sekä kohteiden heijastaman säteilyn avulla (tutkat). Avaruustekniikan laboratorion omassa sovellustutkimuksessa on pureuduttu muun muassa seuraavien mittausalueiden problematiikkaan: • metsien puuston määrä ja puulajit • lumen määrä maastossa ja sen vesiarvo • merien jäätilanne • vesistöjen vedenlaatu ja levätilanne • öljypäästöt • merenpinnan suolaisuus • maanpinnan kosteus.

Profiloivia ja kuvaavia radiometrejä

Metsien runkotilavuuden inventointia Jo 90-luvun taitteessa laboratoriossa rakennettiin helikopterikäyttöön sopiva HUTSCATmikroaaltotutka, joka mittaa etäisyyden funktiona niin sanotun kohteen sirontakertoimen. Laite sopii erinomaisesti esimerkiksi metsien puumäärän arviointiin. ”Tutkan ja maanpinnan väliltä saadaan aina alle metrin välein erillinen tutkakaiku”, professori Hallikainen selvittää lentokoneesta tai helikopterista taaksepäin alaviistoon suunnattavan laitteen yleistä toimintaperiaatetta. ”Kun lennämme metsän yläpuolella, niin saamme syvyyssuuntaista tietoa metsän puustosta. Ensimmäinen yksittäisestä puusta tuleva kaiku tulee sen latvasta, seuraavat sitten kukin vuorollaan aina vähän alempaa, kunnes ollaan maan pinnassa. Tällä tavoin saamme mitattua metsästä puuston tutkaprofiilin, josta voidaan laskea helposti puuston pituus.” ”Ja kun tiedetään puuston pituus ja puulaji, niin on olemassa kaavoja, joiden avulla voidaan aika tarkasti laskea metsän runkotilavuus eli se, kuinka paljon sieltä saadaan puutavaraa”, Hallikainen vakuuttaa.

Viime vuosina Avaruuustekniikan laboratorion omassa laiterakennuksessa on keskitytty lähinnä erilaisten radiometrien kehittämiseen. Radiometrit ovat herkkiä vastaanottimia, jotka mittavat luonnossa olevien kohteiden lähettämän sähkömagneettisen säteilyn määrää eli kirkkauslämpötilaa. Kirkkauslämpötila riippuu lähettävän kohteen fyysisestä lämpötilasta ja emissiivisyydestä. Radiometrejä voidaan käyttää monenlaisiin tarkoituksiin, esimerkiksi metsien inventointiin, lumen vesiarvon määrittämiseen, jääalueiden kartoitukseen ja jäätyyppien luokitukseen, maaperän kosteuden mittaamiseen sekä öljylauttojen kartoitukseen. Laboratoriossa on rakennettu sekä profiloivia että kuvaavia radiometrejä. Profiloiva radiometri mittaa lentoreitillä olevaa maastoa tavallaan piste kerrallaan – joskin ’pisteiden’ halkaisija voi olla (lentokorkeudesta riippuen) käytännössä vaikka noin 50 metriä. Näin esimerkiksi metsänarvionnissa saadaan metsästä piirretyksi eräänlainen poikkileikkausprofiili juuri lentoreitin kohdalta. Kuvaava radiometri taas toimii kuin skanneri: sen antenni kääntyilee edestakaisin lentosuuntaan nähden poikittain, jolloin sen kapea keila pyyhkii maastoa sivusuunnassa ja mitattavasta kohteesta tallentuu karttamainen kaksiulotteinen kuva, eräänlainen ”lämpösäteilykartta”. Maastosta saadaan näin paljon havainnollisempi kuva kuin profiloivalla radiometrillä, mutta samalla mittaustarkkuus on pienempi, koska jokainen yksittäinen piste on mitattava huomattavasti nopeammin. Kuvaavat radiometrit eivät ole likimainkaan yhtä erottelukykyisiä kuin optiset instrumentit, mutta ne toimivat myös yöllä, pilvisellä säällä ja sumussa. Niitä käytetään muun muassa jään ja lumen luokitteluun, maaston kosteusjakauman kartoittamiseen sekä öljylauttojen koon, paksuuden ja tilavuuden selvittämiseen.


Polarimetrinen radiometri mittaa tuulenkin Laboratoriossa saatiin hiljattain valmiiksi niin sanottu polarimetrinen radiometri eli polarimetri, jonka mittaamista suureista uskotaan pystyttävän varsin suurella todennäköisyydellä saamaan selville myös esimerkiksi tuulen suunta ja nopeus merialueilla. ”Tuulen suunta merialueilla saadaan jo nyt selville kohtuullisella tarkkuudella käyttämällä satelliitissa erikoistutkaa”, Hallikainen toteaa. ”Mutta radiometrillä pystyttäisiin kattaamaan huomattavasti leveämpi alue yhdellä satelliitin ylilennolla. Mittausalue on yli tuhat kilometriä leveä, jolloin yksi satelliitti pystyisi kattaamaan koko maapallon parissa päivässä.”

Meriveden suolaisuutta ja maanpinnan kosteutta Jääkarttoja merenkulkijoille Laboratorio on Merentutkimuslaitoksen kanssa kehittänyt menetelmiä, joilla Suomenlahden ja Pohjanlahden alueesta pystytään laatimaan entistä tarkempia jääkarttoja merenkulkijoiden avuksi. Karttoja julkaistaan muutaman kerran viikossa ja niihin pyritään keräämään tuoretta ja luotettavaa tietoa jään paksuudesta ja tyypista sekä erityisesti siitä, missä on laivojen kulkua vaikeuttavia jäävalleja ja ahtaumia.

Viimeiset asetukset mittauslaiteistoon juuri ennen lennolle lähtöä.

Karttoja on julkaistu jo pidemmän aikaa, mutta ne ovat aiemmin perustuneet lähinnä näköhavaintoihin. Sittemmin karttoja on laadittu jonkin verran myös optisen satelliittidatan pohjalta, mutta ongelmana on ollut erityisesti se, että tietoa ei saada pilvisellä säällä – ja Suomessa on talvella enimmäkseen pilvistä. Viime aikoina karttoja on koeluonteisesti laadittu myös tutkasatelliitin datasta. Sitä on tarjolla miltei säällä kuin säällä – jos ei sada.

Ennusteita sulavasta lumesta voimalaitoksille Suomen ympäristökeskus tekee voimalaitosten ja muunkin yhteiskunnan käyttöön ennusteita ja karttoja maan lumitilanteesta ja erityisesti siitä, kuinka paljon sulavasta lumesta kertyy vettä vesistöihin ja patoaltaisiin. Tarkoituksena on, että voimalaitoksia voidaan säätää niin, että vesivarat hyödynnetään optimaalisesti. Laboratoriossa on kehitetty tähän liittyen erilaisia menetelmiä, jotka ennustavat lumen vesiarvon mahdollisimman hyvin. Kohtuullisen hyviä tuloksia on saatu esimerkiksi mittaamalla lumen vesiarvoa lentokoneesta radiometrillä. Menetelmässä on kuitenkin se ongelma, että radiometri pystyy mittaamaan vesiarvon vain kuivalle lumelle – ja sulamiskaudellahan lumi on märkää. Viime aikoina on kehitetty menetelmä, jossa lumipeitettä kartoitetaan katsomalla tutkalla, missä on vielä lunta ja missä ei. Tilannetta voitaisiin tietenkin seurata myös optisilla laitteilla, mutta tutkan etuna tässäkin sovelluksessa on se, että seuranta onnistuu myös pilvisellä säällä. Suomen ympäristökeskus on parhaillaan siirtymässä ennusteiden laadinnassa satelliittipohjaiseen tietoon.

Parhaillaan laboratoriossa kehitetään niin sanottua synteettiseen apertuuriin perustuvaa interferometristä radiometriä. Projektia seurataan maailmalla suurella mielenkiinnolla, koska tämä tekniikka parantaa olennaisesti matalilla taajuuksilla toimivien radiometrien erotuskykyä ja tuo kaukokartoituksen piiriin uusia ja hyvin mielenkiintoisia sovelluksia. Tekniikka mahdollistaa esimerkiksi meriveden suolaisuuden ja maanpinnan kosteuden mittaamisen luotettavasti ja nopeasti hyvin laajoilta alueilta satelliitista käsin. Merenpinnan suolaisuus ja erityisesti sen muutokset kiinnostavat kovasti säätieteilijöitä, koska se vaikuttaa lämmön heijastumiseen ja ilmavirtauksiin. Tuore ja luotettava tieto auttaa laatimaan entistä tarkempia sääennusteita. Meriveden suolapitoisuus on tärkeä tieto myös ilmastomuutosten ja muiden klimatologisten ilmiöiden seurannassa. Veden suolaisuus kertoo hyvin paljon esimerkisi merivirroista ja niistä ’pumpuista’, jotka pitävät niitä liikkeessä – samoin kuin esimerkiksi siitä, miten paljon makeaa vettä syntyy mannerjäätiköiden sulaessa. On varsin hauska yhteensattuma, että sama laite, interferometrinen radiometri, jolla voi mitata merenpinnan suolaisuutta, sopii aivan mainiosti myös maanpinnan kosteuden mittaamiseen. Ja maaperän kosteudesta saatavalla tiedollahan on todella valtavasti käyttöä. Esimeriksi Keski-Euroopassa, jossa vesivarat ovat hyvin rajalliset, ollaan hyvin kiinnostuneita tästä sovelluksesta, jota voitaisiin käyttää vaikkapa oliivipuiden kastelun ja muiden kastelujärjestelmien ohjaamiseen. Niinikään maanperän kosteutta tarkkailemalla voidaan seurata esimerkiksi aavikoiden leviämistä ja aavikoitumista.

15


Rakennettavien laitteiden testaamista ja menetelmäkehitystä varten laboratoriolla on oma lentokone, jolla tehdään myös kaupallisia kaukokartoituslentoja. Avaruustekniikan laboratorio hankki vuonna 1994 käytetyn SHORT SC7 Skyvan -lentokoneen, joka kunnostettiin perusteellisesti ja modifioitiin tutkimus- ja kaukokartoitustyöhön sopivaksi. Tänään tähän kaukokartoituslentokoneen on asennettavissa seuraavat mittausinstrumentit: • profiloiva radiometrijärjestelmä • kuvaava radiometri • polaarinen radiometri eli polarimetri • kuvantava spektrometri eli AISA (Metsäntutkimuslaitoksen laite) • sivukulmatutka eli SLAR ja • lämpökamera. Mittaustulosten tulkintaa ja kohdentamista helpottavina rinnakkaisjärjestelminä on käytettävissä myös: • kamera ja • videokamera.

AISA, kuvantava lentokonespekrometri AISA (Airborne Imaging Spectrometer for Applications) on ns. kuvantava lentokonespektrometri. Se muodostaa spektristä kuvaa, joka on nähtävissä tutkijoiden apuna myös lennon aikana. Spektrometri toimii hieman kuin värivideokamera, mutta kolmen päävärin, eli vihreän, punaisen ja sinisen asemesta laitteella voidaan kerätä dataa maksimissaan noin 280 eri värikanavalla, jotka ulottuvat infrapunaalueelle asti. Näillä kapeilla aallonpituuskanavilla kohteen ominaisuuksia voidaan määrittää hyvin tarkasti, jolloin spektristä saadaan näkyviin sellaisiakin aallopituuspiikkejä, jotka jollakin laajakaistaisella instrumentilla hukkuisivat.

Laboratoriolla oma lentokone Laite on perinteinen pulssitutka, jossa lähetettävä lyhyt pulssi ja kaiut eri kohteista erotetaan kulkuajan perusteella. Useampien lähetyspulssien vastaavat kaiut keskiarvoistetaan häiriöiden eliminoimiseksi. Erotuskyky maastossa on 75 metriä. Pienempikin kohde näkyy kuvassa kun sen heijastuskerroin on muuta maastoa suurempi, mutta paikkaa ei voida esittää erotuskykyä tarkemmin. Kohteet, joiden heijastuskerroin on suuri, näkyvät tutkan tuottamassa harmaasävykuvassa kirkkaampina (vaaleampina). Sivukulmatutkaa voidaan käyttää muun muassa jääolosuhteiden kartoitukseen, öljylauttojen havaitsemiseen ja metsätuhoalueiden kartoitukseen.

Tarkkaa navigointia Sivukulmatutka eli SLAR

16

Sivukulmatutka eli SLAR (Side-Looking Airborne Radar) on helikopterissa, lentokoneessa tai satelliitissa käytettävä tutka, jossa antenni on kiinteässä asennossa kuljetusalustaan nähden. Antennin keila on leveä pystysuunnassa ja kapea lentosuunnassa. Tutka muodostaa tietokoneen muistiin yhden lentosuuntaa vastaan kohtisuoran juovan kerrallaan ja kuva muodostuu kulkuneuvon edetessä kuvattavan maaston yli.

dGPS-järjestelmällä Lentokoneessa on tarkka differentiaalinen GPS-paikannusjärjestelmä (Global Positioning System), jonka avulla sen paikka vaakasuunnassa tunnetaan joka hetki noin kahden metrin tarkkuudella ja korkeus noin neljän metrin tarkkuudella. Koneen tarkka navigointi on turvattu tehtävään erityisesti suunnitellulla käyttäjäliitynnällä sekä haluttuun lentolinjaan nähden suhteellista asentoa osoittavalla näytöllä. GPS-satelliitteja käytetään hyväksi myös

koneen asentoa mittaavassa järjestelmässä. Koneen asennon tarkalla tuntemisella on suuri merkitys mittauslennoilla, koska koneen kulkuasento riippuu suuresti esimerkiksi sen ilmanopeudesta sekä sivutuulen voimakkuudesta. Näinollen vaikka kone lentäisikin tarkalleen suunniteltua reittiä ja oikealla korkeudella, mittauslaitteiden keila saattaakin pyyhkiä jossakin aivan muualla kuin oli suunniteltu.

Lentomittauksilla kehitetään myös satelliittimenetelmiä Laboratorion oma laiterakennus on tuottanut tuloksia kahdellakin eri tavalla; ensinnäkin rakennetut lentokonekäyttöiset tutkat ja radiometrit ovat itsessään valmiita mittauslaitteita, joilla tehdään mitä moninaisimpia kaukokartoitusmittauksia, mutta toisaalta ne palvelevat myös satelliittikäyttöisten laitteiden suunnittelua. Onhan uusien menetelmien kehittäminen ja testaus paljon helpompaa, nopeampaa ja halvempaa, kun laitteet viedään taivaalle lentokoneella eikä satelliitilla. Samanaikaisesti maastomittausten kanssa tehtävät lentomittaukset on käytännöllinen ja edullinen tapa koota satelliittialgoritmien kehittämiseen tarvittavaa dataa – ja lennoilla voidaan myös varmistaa se, että menetelmä ylipäätänsä toimii ennenkuin kallis satelliitti lähetetään taivaalle.


Rakenteilla oleva interferometrinen radiometri, jota tullaan käyttämään mm. ESA:n vastaavan satelliittilaitteen kalibrointijärjestelmien testaukseen.

Myös satelliittilaitteiden teknisiä ominaisuuksia ja mittausparametrejä – kuten aallonpituutta, polarisaatiota ja mittauskulmaa – voidaan optimoida tekemällä lentomittauksia vastaavilla laitteilla eri olosuhteissa. Niinikään lentomittauksilla voidaan varmistaa se, että dataa saadaan haluttuna ajankohtana ja halutusta paikasta. Satelliiteilla on tässä suhteessa omia huomattavia rajoituksiaan. Kokeelliset mittaukset ovat tärkeitä myös siksi, että sähkömagneettisten aaltojen vuorovaikutus kohteen kanssa on teoreettisesti monimutkaista. Tulkintamenetelmien kehittäminen esimerkiksi merijään eri tyyppien erottamiseen toisistaan olisi pelkän teorian pohjalta käytännössä mahdotonta.

todellisista olosuhteista maastossa. Maastoporukoita käytetään yleisesti varmistamaan lentokonemittausten laatua. Esimerkiksi lumimittauksissa he ottavat ottavat näytteitä lumesta ja mittaavat muun muassa sen kosteutta, lämpötilaa, tiheyttä ja rakeisuutta.

Mukana ESA:n avaruuslaiteprojektissa

Kalibrointia, kalibrointia, kalibrointia Koska radiometrit ovat erittäin herkkiä mikroaaltovastaanottimia, niiden vahvistukset ja muut ominaisuudet pyrkivät laitteiden erittäin hyvästä lämpötilastabiloinnistakin huolimatta ryömimään aika paljon päivien mittaan. Siksi mittaustulosten laatu varmistetaan kalibroimalla radiometrit juuri ennen mittauslennolle lähtöä – ja vastaavasti myös heti kun kone on palannut taas kentälle. Kaikkein herkimmät laitteet, ns. kokonaistehoradiometrit, kalibroidaan automaattisesti aina juuri ennen mittausjakson alkua – siis itse lennon aikana. Laitteisiin on rakennettu kalibroinnin ajaksi antennin eteen kääntyvä kalibrointipinta. AISA-mittauksissa kalibrointiin käytetään valkoisesta ja mustasta muovista tehtyjä ”signaalipintoja ”, joiden yli kone lentää mittauslennollaan. Muovit vie paikoilleen maastoporukka, joka on mittauspaikalla tekemässä havaintoja

Radiometrit kalibroidaan välittömästi ennen ja jälkeen mittauslentoa mittaamalla antennien eteen asetettavissa kalibrointipadoissa olevien mikroaaltoabsorbaattoripintojen kirkkauslämpötilat. Toinen vertailulämpötila saadaan viemällä antennin eteen absorbaattoripinta, joka on jäähdytetty nestemäisellä typellä 77 Kelvin-asteeseen eli (-197 Celsius-asteeseen). Toinen vertailulämpötila saadaan mittaamalla vallitsevassa ilman lämpötilassa oleva kalibrointipinta.

Avaruustekniikan laboratorion interferometrisen radiometrin kehitystä seurataan maailman tiedepiireissä erittäin suurella mielenkiinnolla myös siksi, että laite on ensimmäinen laatuaan Euroopassa – ja Yhdysvalloissakin on menossa vain yksi NASA-vetoinen vastaava laitekehitysprojekti. Yksi Otaniemeen kovia paineita kasaava seikka on se, että Euroopan Avaruusjärjestö on jo hyväksynyt satelliittiohjelman, jossa tällainen interferometrinen radiometri tullaan lähettämään satelliittiversiona avaruuteen. Tekesin ja TKK:n rahoittama interferometriprojekti on avannut Avaruustekniikan laboratoriolle ja Ylinen Oy:lle ovet myös ESA:n vastaavaan satelliittiohjelmaan osallistumiselle. Satelliitti on määrä laukaista vuonna 2005.

17


Menestystä tieteellisissä seuroissa

18

Professori Hallikainen pitää erittäin tärkeänä sitä, että suomalaiset ovat tiiviisti mukana alan kansainvälisissä järjestöissä. ”Siellä tutustuu alan ihmisiin. Ja siitä taas on paljon hyötyä tieteellisessä projektityössäkin”, Hallikainen perustelee. ”Isoja kansainvälisiä projekteja muodostettaessa on yleensä aina hirvittävä kiire. Siinä on silloin kynnys ruveta ottamaan mukaan uusia kumppaneita ja tutkimusryhmiä, joita ei tunneta ennestään.” Hallikainen on itse osallistunut paljon esimerkiksi IEEE:n kaukokartoitusseuran toimintaan – ja toimi jopa sen presidenttinä vuosina 1996–97. ”Se oli suuri kunnia. Itse pidän sitä suurimpana saavutuksenani kansainvälisissä tieteellisissä järjestöissä. Olin ensimmäinen PohjoisAmerikan ulkopuolelta valittu presidentti”, Hallikainen kertoo. Viime vuonna IEEE muisti häntä Distinguished Achievement Award -palkinnolla. Se on urapalkinto, jota ei jaeta mistään erityisestä yksittäisestä saavutuksesta, vaan pikemminkin siitä, että on jo pitkähkön ajan saanut aikaan merkittäviä tieteellisiä tuloksia. Hallikainen on myös ESA:n Earth Science Advisory Committeen (ESAC) jäsen. Se on Euroopan Avaruusjärjestön korkein neuvoaantava asiantuntijaelin kaukokartoitusalan tiede- ja tutkimusasioissa.

Kaukokartoituksesta iso bisnes? Luvassa hurjaa kasvua Satelliittitietoon perustuvan liiketoiminnan odotetaan lähtevän lähivuosina hurjaan kasvuun.

Pian ”oikeitakin” karttoja satelliittitiedolla ”Kaukokartoitusalalla eletään nyt hyvin mielenkiintoisia aikoja, sillä satelliiteista saatavan tiedon määrä moninkertaistuu lähivuosina”, Hallikainen sanoo. Viime vuonna laukaistiin ensimmäinen ns. korkearesoluutiosatelliitti, joka pystyy tuottamaan mittaustietoa jo noin metrin erotuskyvyllä, eli yksi mittaustieto kattaa aina noin 1 x 1 metrin alueen maanpintaa. ”Tämä on erittäin merkittävä askel satelliittitekniikan hyödyntämisessä. Tarkkuus riittää

hyvin jo kartoitukseenkin, eli karttojen uusimiseen ja uusien laatimiseen. Jos uusi satelliitti ei suorastaan mullista kartoitusmarkkinoita, niin ainakin se muuttaa hyvin paljon niiden luonnetta. Buumi ei kuitenkaan ala heti kun dataa on saatavilla, vaan menee varmasti pari vuotta ennen kuin sitä pystytään hyödyntämään tehokkaasti”, Hallikainen arvioi. ”Asian tekee erittäin mielenkiintoiseksi se, että myös tutkan käyttöön perustua ns. SARinterferometria on kehittynyt hyvin nopeasti. Tällä tekniikalla satelliitti voi mitata maanpinnan korkeutta erittäin tarkasti, lähinnä jo senttimetriasteikolla”, hän jatkaa. Hallikainen ennustaa korkeustiedon markkinoiden kasvavan hyvin reippaasti. Suomalaisten näkökulmasta katsoen yksi tärkeä sovellus on luonnollisestikin maaston korkeustiedon hyödyntäminen matkapuhelinverkkojen tukiasemien paikkojen optimoinnissa, mutta tarkalle ja nopeasti saatavalle korkeustiedolle on luonnollisesti paljon muitakin käyttökohteita.


Bussillinen mittauslaitteita taivaalle Satelliittitekniikan hyödyntämissä otetaan lähiaikoina kolmaskin iso harppaus, joka lisää merkittävästi satelliittidatan tarjontaa: ESA laukaisee ensi vuonna avaruuteen suuren, noin linja-auton kokoisen Envisat-satelliitin, jossa on peräti 10 erilaista mittauslaitetta. Perinteisesti yhdessä satelliitissa on ollut vain yhdestä kolmeen mittauslaitetta. ”Laitteet ovat myös hyvin monipuolisia. Jos laukaisu onnistuu ja kaikki laitteet toimivat hyvin, niin silloin ruvetaan saamaan todella huomattavia määriä erilaista tietoa – samalta alustalta samaan aikaan mitattua”, Hallikainen myhäilee. ”Hyvin merkittävää asiassa on se, että tietoa mitataan samanaikaisesti sekä mikroaalloilla että optisilla laitteilla. Nämä eri tietotyypit täydentävät toisiaan erittäin hyvin. Kun tiedot yhdistetään, niin kohteesta saadaan paljon tarkempaa tietoa kuin vain jommalla kummalla tavalla erikseen.” ”Tämänkin satelliitti on merkittävä edistysaskel, joskin sen luoma liiketoiminta ei ole aluksi kovin laajaa, koska tiedon hyödyntämistä edeltää kohtuullisen pitkä tutkimusvaihe”, Hallikainen arvioi.

Satelliittidata pian aivan kohtuuhintaista? Aivan lähiaikoina – muutaman kuukauden ja muutaman vuoden kuluessa – tapahtuu siis paljon sellaista, joka parantaa olennaisesti edellytyksiä alan liiketoiminnan syntymiseen. Tällöin avainkysymykseksi nousee Hallikaisen mukaan datan hinta: ”Sateelliittidatan hinnasta keskustellaan nyt paljon. Yksi olennainen kysymys on se, pitääkö hinnassa ottaa jollakin tavalla huomioon se, kuinka paljon rahaa on laitettu kiinni satelliittiin, vai pitääkö nämä asiat pitää irrallaan toisistaan.” ”Nyt viime aikoina on näyttänyt siltä, että kehitys menee sellaiseen ilahduttavaan suuntaan, että satelliittidatasta tulee kohtuuhintaista. Ja sehän on ehdoton edellytys sille, että dataa ruvetaan käyttämään kaupallisesti – muuten tuotteista tulee niin kalliita, ettei niitä osta kukaan.” ”Tähän asti satelliittidatan käyttäjät ovat olleet enimmäkseen tutkimuslaitoksia, valtion laitoksia ja muita näiden tyyppisiä, yritysten käyttö ei ole ollut kovin suurta”, Hallikainen toteaa. ❚

Tarvitsetko Sinä lentokonetta?

Konetta myös vuokrataan Avaruustekniikan laboratorion lentokonetta vuokrataan myös ulkopuoliseen käyttöön. Erinomaiset paikantamisjärjestelmät, hyvät hidaslento-ominaisuudet, taitavat ohjaajat sekä hyvät ja monipuoliset mittauslaitteistot tekevät koneesta oivan välineen vaativiin ja suurta tarkkuutta vaativiin mittaus- ja kartoitustehtäviin. Lisäksi kone sopii hyvin laskuvarjohyppytoimintaan sekä rahdin ja pienehköjen matkustajamäärien kuljettamiseen. Koneessa on valtava ja täysin suorakulmainen 2x2 x5 metrin rahtitila, joka on helposti muuteltavissa mitä erilaisimpiin käyttötarkoituksiin. Konetyyppiä suunniteltaessa oli lähdetty siitä, että koneelle riittää hyvin lyhyt kiitotie ja lastina voi olla vaikkapa Land Rover. Konetyyppiä on käytetty paljon myös lyhyiden matkojen 19-paikkaisena syöttöliikennekoneena. Kone sopii erinomaisen hyvin laskuvarjohyppykäyttöön, koska siinä on hyppäämiseen sopiva peräportti ja potkuriturbiinikoneena se nousee nopeasti korkealle. Kone on rakennettu Englannissa 1973. Se kunnostettiin perusteellisesti vuonna 1994,

jolloin se myös maalattiin ja siihen vaihdettiin moottorit. Samalla konetta alettiin varustaa mittauslentokäyttöön soveltuvaksi. Ominaisuuksia: Tyyppi: Matkanopeus: Toimintamatka: Toiminta-aika: Hyötykuorma: Moottorit:

Short SC7 Skyvan 160 solmua (296 km/t) 1.100 km 4,5 tuntia 1800 kg (2345 kg) Kaksi Garrett TPE331 -potkuriturbiinia, á 715 akselihevosvoimaa Polttoainemäärä: 1290 litraa Miehistö: 2 Matkustajia: 8 Hyppääjiä: 16 Rahtia: 1200 kg Lisätietoja:

Internet:

Juha Salminen puh: (09)451 2376 salminen@avanet.hut.fi www.space.hut.fi

19


Osaston uudet opiskelijat kahteen eri koulutusohjelmaan

20

Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osaston uudet opiskelijat valitaan tästä keväästä alkaen suoraan kahteen eri koulutusohjelmaan, jotka ovat Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma sekä Tietoliikennetekniikan koulutusohjelma. Osastolle hyväksytyille lähetetään taas heti valintojen vahvistamisen jälkeen rautaisannos tietoa osastolla opiskelusta. Viime vuonna liki viisisataa valittua sai talkoina pakatun pahvilaatikon, jossa oli muun muassa: • osastonjohtajan tervetuliaiskirje • Sähköinsinöörikillan fuksiopas • Sisäpiirin tuorein numero • kiltalehti Sössön tuorein numero • osaston esittelyvideo. ❚


Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio

Signaalinkäsittely on tämän päivän perustekniikkaa Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio perustettiin vuonna 1988, kun haluttiin turvata, että Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto saisi säilytettyä digitaalisen laitteistotekniikan osaamisensa. Osastolla oli aiemmin ollut professori Leo Ojalan luotsaama Digitaalitekniikan laboratorio, mutta sen toiminta oli vähitellen suuntautunut yhä enemmän tietojenkäsittelyn teorioiden tutkimukseen. Lopulta laboratorio siirtyi Tietotekniikan osastolle, jolloin digitaalitekniikan opetukselle ja tutkimukselle ei ollut enää omaa laboratoriota. Tänään Signaalinkäsittelytekniikan laboratiossa on jo neljä professoria: Iiro Hartimo, Teletekniikan laboratoriosta juuri siirtynyt Timo Laakso, Jorma Skyttä sekä syksyllä TTKK:sta

Digitaalinen signaalinkäsittely on tämän päivän perussähkötekniikkaa. Siinä missä ennen tinailtiin kolvilla, rustaillaan nyt algoritmejä, jolla haluttu toiminto hoituu. Signaalinkäsittelyä tutkitaan ja opetetaan jo monessa muussakin laboratoriossa, mutta varsinaista perustutkimusta tehdään vain Signaalinkäsittelytekniikan laboratoriossa.

Otaniemeen tullut Visa Koivunen, jonka tutkimusryhmä keskittyy signaalinkäsittelyn algoritmeihin. Hänen mukaantulonsa myötä laboratorion tutkimuksen painopiste siirtyi yhä enemmän ’puhtaaseen menetelmäavaruuteen’.

Perustutkimusta ja käytännön laiterakennusta Laboratoriossa harjoitetaan sekä perus- että soveltavaa tutkimusta – ja aivan käytännön laitteiden suunnitteluakin. Toiminnan painopisteinä ovat toisaalta digitaalisten laitteiden rakentaminen ja toisaalta signaalinkäsittelyn teoriat ja algoritmit. Ja vaikka algoritmien tutkimus on luonteeltaan puhdasta perustutkimus-

21


Iiro Hartimo ta, silläkin saralla tehdään aika lailla myös soveltavaa tutkimusta, varsinkin tietoliikennetekniikan alueella. ”Menetelmän hyvyys mitataan aina lopultakin sen soveltuvuudessa käytännön laitteisiin”, laboratorion esimies, professori Iiro Hartimo muistuttaa. Joskus tosin menetelmien kehittäjät saavat kiitokset työstään melkoisella viiveellä. Alan teoreettinen tutkimus on ollut usein melkoisesti aikaansa edellä, jopa 20–40 vuotta. Sovelletaanpa tänään sellaisiakin menetelmiä, jotka keksittiin jo 40 ja 50 -luvuilla. Silloin tosin kuviteltiin, että niillä ei olisi koskaan mitään käytännön arvoa, koska ne vaativat aivan valtaisia laskentatehoja. Silloisen näkemyksen mukaan tarvittavat tietokoneet olisivat olleet kai lähinnä kerrostalojen kokoisia. Mutta nyt riittävä ”supertietokone” kulkee jo mukavasti jokaisen taskussa.

Sulautettuja sovelluksia kaikkialla

22

Digitaalisesta signaalinkäsittelystä on jo tullut varsinaista perussähkötekniikkaa. Siinä missä ennen otettiin kolvi käteen, ryhdytään nyt rustaamaan algoritmejä, joilla haluttu toiminto toteutetaan. Digitaalisella signaalinkäsittelyllä on hyvin keskeinen rooli esimerkiksi cd-soittimissa, datnauhureissa, matkapuhelimissa, modeemeissa, digitaalisissa kameroissa, sääluotaimissa sekä teollisuuden mittaus- ja ohjausjärjestel-

missä. Lähitulevaisuudessa valtavia sovelluskohteita ovat digitaaliset radio- ja televisiojärjestelmät. Koska digitaalisella signaalinkäsittelyllä voidaan helposti analysoida ja koodata mittaussignaaleja sekä suodattaa niistä häiriöitä, sille on käyttöä kaikkialla, missä mitataan fysikaalisia ilmiöitä. Sovellusalueina ovat olleet muun muassa sään, pörssikurssien ja maanjäristysten ennustaminen sekä öljynetsintä. Potentiaalisia sovelluskohteita on valtavasti ja usein käy niin, että johonkin tarkoitukseen kehitetty malli tai menetelmä on varsin helposti sovellettavissa aivan muillekin alueille, kunhan ilmiöt vain ovat matemaattisesti mallinnettuina sopivan analogisia. Monissa aivan arkisissakin laitteissa on jo paljon signaalinkäsittelyä, mutta yleensä se on sulautettu niin, että se ei näy suoraan käyttäjälle. Esimerkiksi mikroaaltouuneissa sitä on sovellettu niin, että uuni mittaa ensin muutamalla pulssilla, millainen lämmitettävä tai sulatettava kohde on – ja valitsee sitten optimaalisen kuumennussekvenssin.

Potilaiden diagnostointia ja liikennevirtojen ohjausta Joissakin sovelluksissa on suorastaan kriittisen tärkeää, että signaalinkäsittely hallitaan erittäin hyvin; näin on esimerkiksi autojen turvatyynyjen laukaisumekanismeissa. ”Ei auta, että auton ohjauspyörässä lukee airbag”, professori Skyttä toteaa. ”On aika

Professori Iiro Hartimon tutkimusalana ovat yleiset signaalinkäsittelymenetelmät ja niiden käytännön toteutukset. Hän toimii myös lukuisissa tieteellisissä luottamustehtävissä esimerkiksi IEEE:n piirissä ja maamme suurimman graduate schoolin GETA:n (The Graduate School in Electronics, Telecommunications and Automation) johtajana. GETA:ssa ovat mukana myös TTKK, OY ja TY. Palkallisia tutkijankoulupaikkoja on jo lähes sata ja mukana on lisäksi parisataa muuta jatko-opiskelijaa.

olennaista, miten hyvä on se algoritmi, joka kiihtyvyysantureiden signaalien perusteella mossauttaa tyynyn auki. Kolaritilanteessa se vaikuttaa ratkaisevasti siihen, onko tyynystä tarvittava hyöty vai ei.” Ja juuri autoissahan signaalinkäsittelylle riittää työmaata. Signaalinkäsittelyllä ohjatut moottorin toiminnot, lukkiutumattomat jarrut ja luistonestojärjestelmät alkavat olla jo lähes jokaisen auton vakiovarusteita – ja navigointijärjestelmät, tietokoneohjatut aktiivijousitukset sekä ajovakauden hallintajärjestelmät yleistyvät ylellisissä malleissa nopeasti. Samalla myös liikenteen ja liikennevirtojen ohjaus kehittyy nopeasti siten, että opasteet ja liikennemerkit vaihtuvat dynaamisesti liikennemäärien ja tiellä vallitsevien tilanteiden mukaan. Hyvin merkittävä ja nopeasti kasvava sovellusalue on lääketiede. Signaalinkäsittelyä hyödynnetään jo esimerkiksi sairaaloiden ja ambulanssien potilasvalvontalaitteissa, tomo-


Jorma Skyttä

Visa Koivunen

Timo Laakso

Professori Jorma Skytän tukimusalat ovat digitaaliseen signaalinkäsittelyyn soveltuvat laskenta-arkkitehtuurit ja laskennan toteutettavuuskysymykset. Professori Skyttä ja hänen tutkimusryhmänsä ovat viime aikoina keskittyneet ohjelmallisesti konfiguroitavaan laskentaan (FPGA) ja sen prototypointiin. Sovellusalueet ovat laajentuneet osin digitaalisen signaalinkäsittelyn ulkopuolisillekin alueille, erityisesti tietoliikenneverkkojen reititykseen ja vuonohjaukseen.

Professori Visa Koivusen tutkimusalana on tilastollinen signaalinkäsittely ja sen sovellukset tietoliikenteessä, anturiryhmien signaalinkäsittelyssä, digitaalisessa kuvan- ja videonkäsittelyssä sekä data-analyysissä. Professori Koivunen siirtyi signaalinkäsittelyn professoriksi Teknilliseen Korkeakouluun Tampereen teknillisestä korkeakoulusta elokuussa 1999. Hänen tutkimusryhmässään työskentelee tällä hetkellä neljä jatko-opiskelijaa ja kaksi Post-Doc -tutkijaa.

Professori Timo Laakson tutkimusala on tietoliikenteen signaalinkäsittely, mihin kuuluu keskeisesti tietoliikennevastaanottimien ja -lähettimien signaalinkäsittelyalgoritmien suunnittelu ja toteutus eri sovelluksiin. Hän on tutkinut myös digitaalisten suotimien suunnittelua. Professori Timo Laakso siirtyi Teletekniikan laboratoriosta (laboratorio esiteltiin Sisäpiirilehden numerossa 1/99) signaalinkäsittelytekniikan professoriksi vuoden 2000 alusta lähtien.

grafia- ja magneettikuvauslaitteistoissa sekä sydänäänien analysoinnissa. Jatkossa yhä keskeisemmäksi nousevat lääkäreitä auttavat diagnostointisovellukset.

littää. Virkoja kyllä olisi, mutta niitä ei voida täyttää. Opetuskin hoidetaan pitkälle tutkijavoimin ja tuntimääräyksillä, mikä on äärimmäisen edullista koululle.” ”Tätä ei ehkä pitäisi edes sanoa ääneen, mutta kyllä TKK:n opetus hoidetaan jo aika pitkälle projektirahoilla, siis tavallaan esimerkiksi Tekesin tuella. Tosiasiassa tämä mylly ei enää mitenkään pyörisi pelkillä opetusministeriön rahoilla”, Hartimo toteaa.

”Joudumme tavallaan vuosi kerrallaan päättämään, miten toimintaa jatketaan ensi vuonna ja mihin milloinkin satsataan. Tämä hermostuttaa erityisesti nuoremman polven tutkijoita, jotka hakeutuvat sitten helposti turvallisemppaan ympäristöön yrityksiin”, Skyttä harmittelee. Hiljattain laboratoriosta valmistui Suomen kaikkien aikojen nuorin tekniikan tohtori. 23vuotiaana väitellyt Taneli Harju taisi samalla olla myös maamme nopeimmin valmistunut diplomi-insinööri. Tutkinto valmistui kahdessa ja puolessa vuodessa – ja siinä sivussa tuli suoritetuksi varusmiespalveluskin, tosin siviilipalvelusmiehenä. ”Ei hänkään tainnut harkita tänne jäämistä, vaan siirtyi heti parin viikon kuluttua amerikkalaiseen yritykseen yritysanalyytikoksi”, Hartimo toteaa ja painottaa, että laboratoriosta saatu tutkijakoulutus on oiva pohja vaikka tällaisellekin uralle. ❚

Koko TKK:n tehokkain laboratorio? Kun Teknillinen korkeakoulu jonkin aikaa sitten kartoitti käytössään olevia resursseja ja niillä saatuja tuloksia sekä pani laboratoriot tehokkuuden mukaiseen paremmuusjärjestykseen, niin Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio sijoittui oivasti kolmeen parhaan joukkoon – ollen itse asiassa kaikkien laboratorioiden ylivoimainen ykkönen. Syynä oli laboratorion äärimmäisen säästeliäs budjettirahojen käyttö. ”Laboratoriossa työskentee reilut parikymmentä henkeä, mutta vain professorit ja sihteeri on palkattu budjettirahoilla”, Hartimo se-

Suomen nuorin tekniikan tohtori ”Se, että meillä on käytössä niin kovin vähän budjettirahaa suhteessa tuotokseemme, tekee olon vähän huteroksi”, Skyttäkin tunnustaa. ”Akatemian raha on kolmivuotista ja Tekesin vain yksivuotista – ja monesti rahojen saanti riippuu aika paljon päivän budjettipolitiikasta ja jopa siitä, mikä ala on muodissa.”

23


Esittelyssä

Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio

Akustiikka

tiedettä tekniikan ja taiteen rajamailla ”Yritämme kattaa alueen, joka maailmalla tyypillisesti jaetaan usean eri laboratorion kesken.”

”P

Matti Karjalainen

24

eriaatteessa laboratoriomme on kiinnostunut kaikesta, mikä liittyy ääneen ja ääniteknologiaan”, sanoo Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorion esimies, professori Matti Karjalainen. ”Alueitamme ovat muun muassa akustiikka, audiotekniikka, puhe ja puheenkäsittely sekä äänisignaalien käsittely. Ja yhdessä nämä kaikki muodostavatkin yllättävän laajan poikkitieteellisen alueen.” ”Koska laboratoriomme on ainoa yliopistotason yksikkö Suomessa, jossa äänitekniikkaan ja ääneen on laajasti paneuduttu, me yritämme kattaa alueen, joka maailmalla tyypillisesti jaetaan usean laboratorion kesken”, Karjalainen perustelee. ”Jo pelkän akustiikankin alueeseen kuuluu oikeastaan kaikki, mikä liittyy kuuluvaan ääneen.”

Taikasanana digitaalinen signaalinkäsittely ”Moderni sähkötekniikka ja tietoliikennetekniikka ovat hyvin suuressa määrin signaalinkäsittelyä”, Karjalainen toteaa. ”Ja meidän näkökulmamme on äänisignaalin käsittely. Kun me toteutamme audio- ja puheteknologioita, taikasana on digitaalinen signaalinkäsittely eli DSP (digital signal processing). Sillä asiat tapahtuvat.” ”Siinä missä ennen otettiin kolvi käteen ja juotettiin komponentteja kasaan, niin tänään ohjelmoidaan prosessoreja”, hän vertaa. Laboratorio onkin ollut hyvin mukana digitaalisen signaalinkäsittelyn hyödyntämisessä heti alusta alkaen ja se hankki aikanaan ensimmäisenä Suomessa yhdelle piisirulle integroituja DSP-prosessoreja. ”Meillä oli akustiikassa ja audiosignaalien käsittelyssä huutava tarve päästä täsmälliseen ja kohinattomaan signaalinkäsittelyyn, jota DSP tarjoaa”, dosentti Unto K. Laine kertoo. ”DSP on ollut meille hyvin tärkeä alue tutkimuspuolellakin. Siellä on kehitetty algoritmeja ja metodeja useillakin audiosignaalin käsittelyn sektorilla – niin musiikkipuolella kuin monella muullakin rintamalla. Tehdäänpä tutkimusta


Paavo Alku

Unto K. Laine

Vesa Välimäki

Professori Paavo Alkun tutkimuskohteita ovat puheenkoodaus, puheanalyysi sekä erityisesti puheentuottamisen mallintaminen ja sen soveltaminen esimerkiksi lääketieteellisessä tutkimuksessa. Yhtenä tutkimusaiheena on puheen prosessoinnin kartoitus ihmisen aivoissa, jota tehdään tiiviissä yhteistyössä aivotutkijoiden kanssa.

Dosentti Unto K. Laine: ”Olen audioalan pitkän linjan monitoimimies. Aloittelin jo 70-luvulla puhesynteesin parissa, kiinnostuin sitten psykoakustiikasta, erilaisilla aikataajuus-resoluutioilla tehtävästä signaalianalyysistä ja mallinnuksesta sekä audiokoodauksesta. Juuri nyt kuvaan ovat astumassa puheentunnistus ja revontuliin liittyviät selittömättömiät akustiset ilmiöt.”

Dosentti Vesa Välimäen tutkimuskohteita ovat soitinmalleihin perustuva äänisynteesi, aktiivinen meluntorjunta sekä digitaalisuodattimet. Keväällä 2001 hän alkaa luennoida uutta englanninkielistä ”Audio Signal Processing” -kurssia, jossa paneudutaan erityisesti digitaalisen äänenkäsittelyn sovelluksiin ja menetelmiin.

sitten akustiikan, musiikin, puheen tai audion alueella, niin DSP on perustyökalu, joka on ehdottomasti hallittava.”

ääniset on helppo asentaa ilmastointiputkiin – ja putkissa menetelmän hallinta on olennaisesti helpompaa kuin kolmiulotteisissa tiloissa. ”Ilmastointijärjestelmissä on monesti varsin äänekkäitä moottoreita sekä kovaa putkea, joka johtaa hyvin ääntä. Pahimmillaan niistä

kuluu todella häiritsevää meteliä”, dosentti Vesa Välimäki toteaa. ”Vaihtoehtoinen vaimennustapa olisi vuorata ilmanvaihtoputkia jollakin pehmeällä vaimennusaineella. Mutta tämä lisäisi putkien virtausvastusta ja alentaisi järjestelmien hyötysuhdetta.” jatkuu…

Aktiivista meluntorjuntaa Digitaalinen signaalinkäsittely sopii mainiosti myös moderniin, elektroniikalla toteutettuun meluntorjuntaan, jossa esimerkiksi autojen, lentokoneiden taikka ilmastointijärjestelmien melua vaimennetaan ns. vastamelun avulla. Tavoitteena on, että melu ja DSP-prosessorilla tuotettu vastamelu ’syövät’ toisensa – ja tilassa on lähes täysin hiljaista. Aktiivista meluntorjuntaa käytetään menestyksellisesti muun muassa parantamassa Saab 2000 -potkuriturbiinilentokoneiden matkustusmukavuutta. Ja lentokoneen melua voi torjua myös aivan omatoimisestikin; Karjalainen kertoo itse käyttävänsä aina lentomatkoilla aktiivisesti melua vaimentavia kuulokkeita: ”Niitä saa kaupoista – myös monilta lentoasemilta – eivätkä ne ole edes kalliita.” Otaniemessa aktiivista meluntorjuntaa on sovellettu ensisijaisesti ilmastointijärjestelmiin, joihin se sopiikin erityisen hyvin: melua kuuntelevat mikrofonit ja vastamelua tuottavat kova-

Akustiikan ja äänenkästtelytekniikan laboratorion kuunteluhuone.

25


Kaikuhuone

”Järjestelmät toimivat varsin hyvin”, Välimäki kehuu. ”Tosin urakoitsijat pitävät niitä vielä hieman kalliina, joten ne eivät ole levinneet vielä kovin laajalle.”

äänentoisto – vaikka kuulokkeiden rakenne olikin hyvin omintakeinen. Lisähyötynä saatiin se, että korvakäytäviin johtavat letkut estivät samalla tutkimushuoneen melua pääsemästä koehenkilön korviin.

Letkukuulokkeita aivotutkijoille

26

Kun sekä akustiikka että digitaalinen signaalinkäsittely hallitaan tosi hyvin, voidaan tehdä mikä kummallisimpia vimpaimia, esimerkiksi korkealaatuisia ääniärsykkeen syöttöjärjestelmiä MEG-mittauksia varten – eli kansanomaisesti: hifi-luokan letkukuulokkeita aivotutkijoille. Aivotutkijoiden ongelmana oli, että he halusivat syöttää magneettisesti suojatussa huoneessa istuvan koehenkilön korvaan hyvälaatuista audiosignaalia ilman, että huoneeseen joudutaan viemään herkkiä instrumentteja häiritsevää metallia. ”Ratkaisuksi ideoitiin letkukuulokkeet, joihin ääni syötetään huoneen ulkopuolella olevilla kovaäänisillä. Mutta koska useita metrejä pitkissä letkuissa heijasteleva ja vaimeneva ääni vääristyy erittäin voimakkaasti, oli letkuihin syötettäviä signaaleja osattava vääristää ’toiseen suuntaan’ siten, että koehenkilö kuuleekin alkuperäisen signaalin lähes vääristymättömänä”, professori Paavo Alku kertoo. Kun letkujen akustiset siirtovasteet mitattiin ja tarvittavat korjaukset tehtiin DSP-prosessorilla, niin lopputuloksena oli erittäin hyvälaatuinen

Menestystä tilaäänentoiston alalla Yksi laboratorion menestyksekkäimpiä tutkimusteemoja 90-luvulla oli tilaäänentoisto, jossa tutkittiin erityisesti niin sanotun 3D-äänen tuottamista ja havaitsemista. Aihe on audiokoodauksen ohella yksi audiotekniikan kuumimpia ja muodikkaimpia teemoja tänään – ja on myös suosittu syventymiskohde opiskelijoiden keskuudessa. Vuosi sitten keväällä pidettiin Rovaniemellä laboratorion järjestämä tilaäänentoiston kansainvälinen konferenssi, joka onnistui niin erinomaisesti, että laboratorion edustajat kävivät sittemmin New Yorkissa pokkaamassa siitä kunniamainintoja ja muita palkintoja. Tilaäänentoistossa tavoitellaan luonnollisen oloista kolmiulotteista äänivaikutelmaa, jossa äänet tuntuvat kuuluvan eri suunnista, vaikka ne toistettaisiinkin vain kahdella kaiuttimella tai kuulokkeilla. Kun eri kaiuttimien äänen voimakkuutta ja vaihetta vääristellään tahallisesti, voi kuuntelija aistia äänen tulevan esimerkiksi takaa tai yläpuolelta, vaikka siellä ei mitään äänilähdettä olisikaan.

Digitaalisella signaalinkäsittelyllä toteutettua tilaäänentoistoa on hyödynnetty erityisesti tietokonepeleissä ja elokuvateattereissa, mutta myös esimerkiksi tilojen akustiikan suunnittelussa ns. virtuaaliakustiikan muodossa. Menetelmää on käytetty esimerkiksi tutkittaessa erään konserttisaliksi muunnettavan saksalaisen rauniokirkon tulevia akustisia ominaisuuksia. Tietokoneanimaation avulla suunnittelijat saattoivat vaeltaa ympäri kirkkoa ja kuunnella, miltä esimerkiksi pianonsoitto kuulostaisi eri puolilla valmista konserttisalia – vaikka kirkko olikin yhä aivan raunioina.

Musiikkitaloon sähköinen harjoitussali Helsingin Töölönlahden rantaan suunnitellaan uutta upeaa musiikkitaloa, johon tehdään joka tapauksessa ainakin yksi iso hyvä konserttisali – puhtaan akustisesti. Mutta koska taloa tulee käyttämään ainakin kolme eri orkesteria, niillä pitäisi olla mahdollisuus harjoitteluun myös silloin, kun jokin musiikkiesitys on juuri menossa. Koska täysimittaisen harjoitussalin rakentaminen tulisi erittäin kalliiksi, on herännyt idea, että taloon tehtäisiinkin sähköisesti akustoitu harjoitussali, joka olisi käytännöllisesti katsoen vain konserttilavan kokoinen. Itse salin antama akustinen vaste korvattaisiin elektroniikalla ja digitaalisella signaalinkäsittelyllä.


Harjoittelevien muusikoiden edessä olisi salin sijasta vain hyvin vaimennettu seinä, johon on upotettu suuri määrä kovaäänisiä. ”Maailmalla on jo useita tällä periaattella toteutettuja pieniä harjoitussaleja, mutta täysimittaista sähköistä harjoitussalia ei ole vielä missään”, Karjalainen toteaa. ”Tällaisen salin toteuttaminen on tietenkin äärimmäisen epäkiitollinen tehtävä, koska muusikot ovat paitsi individualisteja niin myös erittäin ennakkoluuloisia.” ”Tämä on kuitenkin huima haaste – ja myös kerta kaikkiaan hieno sovellus, jos se saadaan toimimaan kunnolla”, Välimäki lisää. ”Siinä säästyy kyllä suuret summat rahaa.”

Ihmisen suuntakuulon yksilöllisiä ominaisuuksia mitataan istuttamalla koehenkilö kaiuttomassa huoneessa pyörivään tuoliin. Kun kaiuttimista

kuuluu erilaisia ääniä, voidaan korvakäytävissä olevilla mikrofoneilla mitata, millaisena hän ’kuulee’ eri suunnista tulevat äänet.

Synteettisiä kitaroita ja kanteleita Hyvin menestyksellinen tutkimusalue on ollut myös soitinmallinnus, jossa pyritään tekemään aivan aidolta kuulostavia soitinten ääniä siten, että tietokone synnyttää äänet matkimalla suoraan soittimen toimintaperiaatetta. Tapa poikkeaa olennaisesti siitä, miten soitinten ääniä on tehty perinteisillä syntetisaattoreilla, jotka pyrkivät jäljittelemään suoraan soitinten ääniä. ”Kun tietokone tekee äänen aivan samalla periaatteella kuin itse soitinkin, niin on aivan luonnollista, että saadaan täysin sama ääni”, jatkuu… Välimäki perustelee.

27


”En mä voi sanoa soittavani, mutta sen verran olen rämpytellyt ja käsitellyt kitaraa, että tiedän mikä soittamisessa on olennaista. Siitä on ollut valtavasti hyötyä, kun olemme tehneet synteettistä kitaraa ja muuta soitinmallinnusta”, professori Matti Karjalainen kertoo.

Idea kuulostaa hyvin suoraviivaiselta; yksinkertaista kuin kivennosto! Mutta miten homma sujuu käytännössä? Karjalainen ja Välimäki myöntävät, että esimerkiksi perinteiseen suomalaiseen musiikkikulttuuriin olennaisesti kuuluvan kanteleen ääntä saatiin kummastella toinenkin tovi ennen kuin sen omaperäisen soinnin sisin olemus aukesi tutkijoille.

”Killeri” Stradivariukselle?

Mutta entä se kitara? Sehän ei ole niin pyhä soitin kuin viulu. Ihmiset ovat jo tottuneet siihen, että kitaran ääntä tehdään hyvinkin sähköisesti. ”Kitaran äänen me hallitsemme jo niin hyvin, että kun me teemme huolellisesti täysin synteettisen kitarabiisiin, niin ihmiset eivät huomaa siinä mitään ihmeellistä”, Karjalainen vakuuttaa ja soittaa sanojensa tueksi sylimikrollaan täysin synteettisen flamenco-biisin, jossa varsinaisen kitaransoiton lisäksi myös läpytellään soittimen koppaa kämmenellä. Soitanta vaikuttaa todellakin hämmentävän aidolta! ”Tämä kuulostaa vielä konemaisen kuivakkaalta”, Karjalainen vähättelee. ”Ei ihminen soita näin täsmällisen tarkasti. Mutta eipä soitolle ole vielä tehtykään musiikillisesti mitään sen kummempaa; kone vain soittaa nuotit peräkkäin, kaikki yhtä voimakkaina.” Välimäki lupaa, että paljon parempaa on pian luvassa, sillä synteettistä kitaramusiikkia tekee myös eräs Sibelius-Akatemian tutkija, joka on itse diplomikitaristi ja kitaransoiton opettaja. Tavoitteena on tehdä synteettistä kitaramusiikkia aivan samoilla periaatteilla kuin kitaraa oikeastikin soitetaan. ”Pian myös nyanssit, rytminvaihdokset ja muut vastaavat asiat ovat varmasti kunnossa. Silloin kuullaan, kuulostaako soitto todellakin aivan aidolta“, Välimäki pohtii.

Levysoittimesta

28

Mutta osaisivatko laboratorion insinöörit tehdä sellaisen signaaliprosessorin, joka muuttaisi aivan keskinkertaisenkin viulun äänen niin jumalaiseksi, että Antonio Stradivariuksen (1644–1737) huippuviulut löytäisivät vihdoin voittajansa? ”Jonakin päivänä kyllä, mutta se hetki ei ole vielä lähelläkään”, Karjalainen arvioi. ”Hyvin samantapaisia asioita on täällä kyllä jo tehtykin. Esimerkiksi kitaran ääni hallitaan jo aika hyvin, mutta viulu on paha, se on hämmästyttävän vaikea!” Niin, ja mitenkähän yleisö mahtaisi ottaa vastaan synteettisen stradivariuksen? ”Laajemmin ajatellen kyse on kokonaisesta musiikkikulttuurista”, Laine huomauttaa. ”Jos me vaikka tekisimmikin aivan bitin päälle soivan ’Stradivariuksen’ ja joku menisi sen kanssa konserttilavalle, niin taitaisivat kriitikoiden otsat olla vähän kurtussa!”

”oikea” soitin? Mutta mikä saa aikuiset insinöörit leikkimään musiikki-instrumenttien äänillä? Kuka kumma tällaista toimintaa rahoittaa? Laboratorion väen mukaan tällaisia kysymyksiä heitellään varsin usein. ”Soitinrakennus on aina ollut oman aikansa huipputekniikkaa”, Karjalainen muistuttaa. On siis täysin luonnollista, että pätevät tohtoritkin tutkivat ja mallintavat soittimia. Ja tietenkin perustutkimus avaa tälläkin tieteen saralla aivan uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden käytännön sovelluksille, esimerkiksi musiikin tallentamiseen. Kun soitinten äänenmuodostus hallitaan riittävän hyvin, voidaan itse soiton sijasta haluttaessa tallettaakin vain tietoa siitä, miten soittimia soitettiin. – Ja sitten musiikkia toistettaessa se itse asiassa ’soitetaankin’ kokonaan uudelleen.

”Multimedia ja langaton viestintä on muuttamassa kaiken”, Karjalainen ennustaa. ”Tulevaisuudessa meillä voi olla kännykän sijasta esimerkiksi audiovisuaalinen multimediaterminaali, jota voi käyttää myös audioäänilähteenä – tai vaikka soittimena.” ”Aikaisemmin on koettu, että musiikki olisi jotenkin irrallaan tekniikasta. Näinhän asia ei kuitenkaan ole, soitinrakennus on aina ollut akustisen tekniikan eturintamassa.”

Stukturoituun audioon? Kun nykyisille cd-levyille äänitetään musiikkia, kaikille kanaville tallennetaan kaiken aikaa digitaalilukuja 44 kilohertsin näytteenottotaajuudella – jopa silloinkin, kuin soitossa on täysin hiljainen kohta. ”Tarvitseeko meidän todellakin tallentaa koko tämä informaatiovirta? Tarvitsemmeko me oikeasti jatkuvaa informaatiota esimerkiksi siitä, että jokin sointu jäi soimaan”, Välimäki arvuuttaa. ”No, emmehän me aivan oikeasti tarvitse!” ”Jos esimerkiksi kitaralla soitetaan jokin sointu, niin riittää että ’katsotaan’ mikä oli vasemman käden ote ja miten sointu soitettiin. Sen jälkeen sointu voi jäädä soimaan vaikkapa useiksi sekunneiksi ilman, että tarvitaan mitään uutta informaatiota – kunnes tullaan siihen hetkeen, jolloin soittaja tekee jotakin muuta, esimerkiksi vaimentaa kielet.” Äkkiä ajatellen tuntuu, että tällaisella idealla tallennetusta musiikista jää varmaankin pois kaikki inhimillinen vivahteikkuus – ja sen täytyy siis olla aika tylsää. Mutta asia riippuu tietenkin siitä, kuinka tarkaksi ja yksityiskohtaiseksi mallinnus tehdään. Ja varmasti suunnattoman tehokkaasti pakatulle ja helposti muunneltavalle tallenneaineistolle löytyy vielä hyvinkin paljon käyttöä, varsinkin viihdesovelluksissa. Tällaisen äänitystekniikan mahdollistava ns. strukturoitu audio on jo aika pitkälle määritelty MPEG-4 -standardissa, joten jo muutaman vuoden päästä musiikkia voitaisiin tarjota tähänkin tapaan tallennettuna – ainakin tekniikan puolesta. Tällainen äänentallennus vastaisi tavallaan sitä, että soitosta tallennettaisiin vain nuotit – juuri sellaisina kuin ne todella soitettiin. Tekniikka mahdollistaisi senkin, että kuuntelija voisi itse muuttaa musiikkia mieleisekseen, vaikkapa vaihtamalla soittimia tai muuntelemalla melodiaa. Ja sooloistakin voitaisiin tallentaa vaihtoehtoisia versioita, jotta kuulija voisi kulloinkin valita mieleisensä. ”Ei Charlie Parkerkaan soittanut koskaan sooloa aivan samanlaisena kahteen kertaan”, Välimäki tietää. ”Jazz-levylle voisi tallentaa improvisoiduista sooloista useita eri versioita,


ja sitten jokin tietokoneohjelma voisi valita niistä aina jonkun, jolloin levy olisi todellakin aina erilainen.” Soitinten mallinnukseen ja audiokoodaukseen liittyvässä tutkimuksessa on ollut yhteistyötä myös alan amerikkalaisten yliopistojen kanssa. Laboratoriolla on varsin lämpimät suhteet erityisesti Stanfordin, Berkeleyn ja MIT:n yliopistoihin.

Kännykkä keskellä tonttia Puhesignaalin tutkimuksessa laboratoriolla on joitakin tutkimusaiheita, jotka liittyvät läheisesti tietoliikennetekniikkaan, erityisesti matkapuhelintekniikkaan. ”Kännykkä on laite, joka tekee monia selvästi meidän tontillamme olevia asioita, esimerkiksi kompressoi puhetta”, Alku toteaa. ”Esimeriksi mikrofoni- ja kuuloketekniikka ovat akustiikkaa. Ja soittoäänien syntetisointi ja niitä soittava pieni kaiutin ovat äänentoistotekniikkaa”, Välimäki jatkaa. ”Kännykkä on todella aika akustinen laite, mutta se on myös hyvä esimerkki todella rajusta DSP-vimpaimesta”, Karjalainen lisää.

Psykoakustista puheen pakkausta Mutta juuri täällä Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratoriossa lähestytään ääneen, äänentoistoon ja kännyköihinkin liittyviä asioita myös paljolti muistakin kuin puhtaasti teknisistä lähtökohdista. ”Voidaan sanoa, että tämä on paljon ihmisläheisempi tekniikan haara kuin monet muut osaston tutkimusalueista, Karjalainen sanoo. ”Äänikommunikaatiossa ihmisten välillä sekä koneiden ja ihmisten välillä lähtökohdaksi on otettava Human Factors!” ”Niin, perimmältään äänen laatu on psykoakustinen kysymys – lopultahan sen päättää aina ihminen”, dosentti Laine huomauttaa. ”Olennaisinta on se, miten ihminen aistii ääniä – ja siksi psykoakustinen lähestymistapa poikkeaakin selkeästi puhtaan teknisestä ajattelusta, jossa äänen laatua mitataan esimerkiksi signaali-kohinasuhteella”, hän jatkaa. Laboratorion psykoakustiikan tutkimuksessa on selvitetty muun muassa sitä, miten eri tekijät vaikuttavat ihmisen laatuarvioon: missä määrin häiriöt ovat kiusallisia, häiritseviä – tai ylipäätään edes kuultavissa. ”Vaikka korva onkin nerokas instrumentti, se ei kuitenkaan havaitse kaikkea sitä, mikä voidaan mitata teknisillä välineillä. Siksi osa häiriöistä jää kuulolta täysin piiloon”, Laine sanoo.

Hyvä esimerkki puheen kompressiota hyödyntävästä laitteesta on GSM-puhelin. Kun lankaverkossa on käytety puheen siirrossa 64 kilobitin kaistaa, GSM-puhelimien puhekaista on vain 13 kilobittiä. Nyt tavoitteena on, että samaan laatuun päästään jo parin kilobitin siirtokaistalla. Toinen esimerkki samasta asiasta on äänen tallennukseen kehitetyt häviölliset pakkaustekniikat, joita labotoriossa on tutkittu jo pitkään. Yhtenä tutkimuksen kohteena on ollut MPEG1 layer 3 -koodaus, jonka Internet sittemmin teki hyvin suosituksi – suuri yleisö tuntee sen nyt paremmin nimellä MP3. ”Kun äänestä jätetään kylmän rauhallisesti pois kaikki se, mitä ihminen ei kuitenkaan havaitsisi – ja tehdään joitakin muitakin teknisiä temppuja – niin samaan laatuun pääsemiseksi informaatiota tarvitsee siirtää tai tallentaa enää vain noin kymmenesosa aikaisempaan verrattuna”, professori Alku arvioi. Aiheeseen liittyy läheisesti myös matkapuhelimiin kehitetyt puheensiistaustekniikat, joilla lähetettävästä puhesignaalista pyritään poistamaan taustamelua, esimerkiksi autoa ajettaessa kuuluvaa kohinaa. Näin puheen ymmärettävyys paranee olennaisesti.

Professori Karjalaisen mielestä kurssi voisi aivan mainiosti olla pakollinen vaikka kaikille osaston opiskelijoille, koska siinä opitaan esimerkiksi juuri ne asiat, jotka jokaisen insinöörin pitäisi tietää melusta ja meluntorjunnasta.

Minikonferensseissa

Muusikoita ja hifistejä Perinteisesti valtaosa akustiikan opiskelijoista on ollut innokkaita musiikin harrastajia, joko soittajia tai hyvästä äänentoistosta kiinnostuneita hifistejä, ’hifi-hulluja’. Tilanne on kuitenkin pikkuhiljaa muuttunut muun muassa siksi, että akustiikan perusteita on alettu syöttää pakkopullana kaikille tietoliikennetekniikan opiskelijoille.

Luennoilla väkeä Sibiksestäkin Laboratorion suosituinta kurssia, Akustiikan perusteita, kuuntelee jo lähes 200 opiskelijaa. Akustiikkaan ja tietoliikennetekniikkaan syventyvien lisäksi mukana on opiskelijoita myös muilta TKK:n osastoilta sekä esimerkiksi foneetikkoja ja musiikkitieteilijöitä muista korkeakouluista. Yhden suurehkon vähemmistön muodostavat Sibelius-Akatemian uuden musiikkiteknologian koulutusohjelman opiskelijat. Kivana pidetyn kurssin suosiota on lisännyt osaltaan myös se, että sitä on kevennetty mukavasti musiikkiakustiikalla ja luennoilla puhutaan aika paljon myös soittimista ja niiden rakenteesta. Kurssia luennoiva dosentti Välimäki kertoo, että kun hän itse opiskeli, juuri tämä kurssi oli hänelle kaikkein mieluisin.

opitaan ja viihdytään Todella hyväksi ideaksi laboratorion opetuksessa on koettu muutaman päivän mittaiset seminaarit, minikonferenssit, joita pidetään esimerkiksi TKK:n omassa kurssikeskuksessa Sjökullassa. Laboratorion lukukausi jakaantuu siten, että aluksi on johdattelevia luentoja ja sitten kukin opiskelija valitsee aiheen, josta hän valmistelee esitelmän lukukauden lopussa pidettävään seminaariin – aivan kuin hän olisi menossa ’oikeaan’ kansainväliseen konferenssiin. Seminaari valmentaa työelämään ja antaa arvokasta esiintymiskokemusta. Mukana on niin perus- kuin jatko-opiskelijoitakin, ja he pitävät esitelmänsä aihepiireittäin peräkkäin samassa seminaarissa. Koska kielenä on englanti, seminaari sopii hyvin myös ulkomaalaisille opiskelijoille. Ja tietenkin esitelmistä kootaan osallistujille jaettava seminaarijulkaisu, aivan kuin oikeissakin konferensseissa. ”Tämä on osoittautunut todella hyvin toimivaksi konseptiksi. Oppilaat ovat tykänneet kovasti”, Välimäki kertoo. ”Asioista voidaan keskustella kaikessa rauhassa myös esimerkiksi kahvitauoilla, lounailla tai vaikkapa saunassa. Ja me opettajatkin tutustumme oppilaisiin täysin toisella tavalla kuin käymällä kerran viikossa salin edessä pitämässä luennon. Oppilaille seminaari on piristävää vaihtelua, aivan toista kuin puuduttavat luennot.” ❚

29


Muista Alumni-WeekEnd taas 28.10.2000

30


Kurssia S-49

Kurssia S-59

Kurssia S-69

Kurssia S-69

31


Korjatkaa osoitetietoni! (Laita vanha osoitelipuke mukaan!)

Kopioi ja faksaa numeroon (09) 460 224 tai leikkaa kortti irti ja pane postiin. Vastaanottaja maksaa postimaksun.

02153 ESPOO Sopimus 02150-69 VASTAUSLÄHETYS Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto 1 Business Class

lähetä postimaksutta

Sisäpiiri

P a l v e l u k o r t t i

❑ ❑ ❑ ❑

L iittäkää minut Sisäpiirin postituslistalle! Liityn Sähköklubin jäseneksi (Täytä ainakin kotiosoitetiedot!)

Ottakaa minuun yhteyttä, haluan antaa palautetta lehdestänne! • Voit tilata lehden kotiin tai työpaikalle. • Jos haluat liittyä Sähköklubin jäseneksi, niin täytä ainakin kotiosoitetiedot.

nimi tehtävä/oppiarvo/jos olet opiskellut TKK:n Sähköosastolla, niin opintojen aloitusvuosi,esim. S-69 yhteystietoni työpaikalle: yritys/laitos osasto/ryhmä lähiosoite (työ) postinumero (työ)

postitoimipaikka (työ)

puhelin (työ)

telefax (työ)

maa

yhteystietoni kotiin: lähiosoite (koti) postinumero (koti)

postitoimipaikka (koti)

puhelin (koti)

telefax (koti)

maa

sähköposti ja matkapuhelin: sähköposti matkapuhelin

Liity Sklubin jäseneksi! Sähköklubi – eli tuttavallisemmin Sklubi – on Teknillisen korkeakoulun Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osastolta valmistuneiden sekä osastolla opiskelevien teekkareiden yhdistys, jossa kaikilla on kivaa. Sklubi lähentää opiskelijoita ja valmistuneita sekä korkeakoulua ja yritysmaailmaa. Samalla se kehittää jäsentensä sähköalan tietämystä sekä harrastus- ja ajanvietemahdollisuuksia. Sklubi järjestää esimerkiksi sauna- ja teatteri-iltoja, excursioita, golf-kursseja sekä kevätristeilyjä ja talvisia hiihtomatkoja. Jäseneksi voivat liittyä kaikki Sklubin riennoista kiinnostuneet.

32

Alumni-Weekend’iä vietetään Otaniemessä 28.10.2000. Luvassa on muun muassa kiinnostavia laboratorioesittelyjä, mielenkiintoisia luentoja sekä ikimuistoinen iltajuhla.

Tervetuloa mukaan Sklubin toimintaan!

Sklubin toiminnan ehdoton vuosittainen kohokohta on Alumni-Weekend -tapahtuma, jossa on sekä päivä- että iltatilaisuuksia.

Sähköklubi ry TKK Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto PL 3000, 02015 TKK sähköpostiosoite: sklubi@otax.tky.hut.fi pankkitili: Merita Otaniemi 129930–72233

Sisapiiri2000_1  

Aalto-yliopiston alumnilehti vuodelta 2001

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you