Analog zu Digital

Während vor 20 oder 25 Jahren die Digitaltechnik in unseren Haushalten noch weitgehend auf den Taschenrechner beschränkt war, hat nun diese Technologie bereits viele Bereiche unseres alltäglichen Lebens erobert. Denken Sie z.B. an Computer, CD-Player, Handy oder Fotoapparat.

Viele von Ihnen werden sich noch an einen echten Schallplattenspieler erinnern. Hier werden Schallwellen in einem Mikrofon in Stromwellen umgesetzt und verstärkt. Diese bewegen in einem Tonkopf eine Schneidnadel, die eine Wellenrille in eine rotierende Kunststoffplatte ritzt. 

Das Abtasten dieser Wellenrille mit einer Nadel an einem Tonkopf erzeugt wieder Stromwellen, die verstärkt und einem Lautsprecher zugeführt werden. Diese rein analoge Aufzeichnungstechnik wurde von Thomas Alva Edison 1878 in Form einer Tonwalze (Phonographen) erfunden.

Emil Berliner machte 1887 daraus die Schallplatte und das Grammophon. Mit zwölf Zentimetern Durchmesser hatte Emil Berliners erste Schallplatte übrigens die gleiche Größe wie die moderne Compact-Disc (CD).

Alles analog!

Bei der Fotografie hingegen hatten wir es zunächst auch mit einer "analogen" Technik zu tun. Licht trifft durch ein simples Loch oder durch eine Linse auf eine Glasplatte, Filmband oder Papier mit aufgetragenen lichtempfindlichen Silbersalzen.

Einer der Erfinder der Photographie - William Henry Fox Talbot - entwickelte ab 1834 das erste photographische Negativ-Positiv-Verfahren (Talbotypie), das die Vervielfältigung photographischer Bilder erlaubte.

In elektronischen Kameras erfassen hingegen lichtempfindliche Sensoren anstelle des Filmes die abgebildete Umwelt. 

Das Grundprinzip ist recht einfach. Auch elektronische Kameras haben eine Optik (Linsen). Diese projizieren das Bild jedoch nicht auf einen photographischen Film sondern auf ein Feld von CCDs (= charged coupled devices). Ein CCD ist ein elektronisches Bauteil, das bei Lichteinfall eine Spannung abgibt.

CCDs können nur unterschiedliche Helligkeitswerte erfassen. Für Farbaufnahmen werden Farbfilter davor geschaltet. Ein CCD ist wie eine Matrix in einzelnen Bildpunkten (Pixel) unterteilt. Ein CCD-Pixel ist im Prinzip nichts anderes als ein Silicium-Halbleiter. Eine 10-Bit-Consumer-Kamera hat z.B. eine Pixelgröße von etwa 4 Mikrometer.

Jedes Mal, wenn ein Lichtteilchen (Photon) auf so ein Pixel fällt, werden Stromteilchen (Elektronen) aus der Grenzschicht geschlagen.

Die eigentlich schwere Aufgabe ist es nun, die Elektronen der einzelnen Pixel in einen messbaren Strom zu verwandeln. 

Wir wollen das an dieser Stelle nicht weiter vertiefen, doch sollten Sie wissen, dass der Strom der Helligkeit proportional ist. Der kleinste noch messbare Strom ist also der dunkelste Wert.

Nachdem der Strom entsprechend verstärkt wurde, wird er in einem Analog/Digitalwandler in eine digitale Information umgewandelt.

Analog kommt übrigens aus dem Griechischen und heißt "entsprechend, ähnlich, gleichartig". Analoge Signale können zu jedem Zeitpunkt beliebige Werte annehmen.

Digital kommt hingegen aus dem Lateinischen, heißt "mit dem Finger" (manche von uns zählen heute noch so), bzw. "ziffernmäßig", und damit meint man ganze Zahlen.

Digital bedeutet also mit Ziffern arbeiten - oder in ein Ziffern-Raster bringen. Ein digitales Signal ist dementsprechend eine Folge von Zahlen.

Um analoge Signale als Ziffern zu verarbeiten, müssen diese erst gewandelt (codiert) werden. Das erledigen die A/D-Wandler (englisch: A/D-Converter).

"A" steht für analog und "D" folglich für digital. Die andere Richtung geht über einen D/A-Wandler.

Schauen wir uns einmal eine typische analoge Kurvendarstellung an:

Die "digitale" Darstellung sieht dabei so aus:

Beide Darstellungen sind Aussagen über denselben Zustand. Sie sind aber grundsätzlich verschieden.

Die bildhafte Darstellung ist leicht und schnell übersehbar, der Trend erkennbar. Will man jedoch einen genauen Wert ermitteln, so muss man beim Ablesen von Einzelwerten erst die Zwischenwerte bestimmen - man muss interpolieren.

Ganz anders die digitale Darstellung (also die Darstellung mit Ziffern). Hier fehlt die Übersicht. Die Einzelwerte sind jedoch exakt zu übernehmen.

Sie kennen beide Darstellungen aus Ihrer Praxis. Nehmen Sie z.B. eine Uhr. Die mit den Zeigern ist "analog" und auch hier müssen Sie interpolieren um die genaue Zeit zu ermitteln. Anders bei einer Digitaluhr. Da haben Sie die genaue Zeit auf einen Blick. 

Wenn wir nun ein analoges Signal in ein digitales wandeln, so machen wir das in zwei Schritten tun:

Zunächst wird das am A/D-Wandler anliegende Analogsignal in immer gleichen Zeitabschnitten abgetastet.

Wir sprechen dabei von der sogenannten Abtast-Geschwindigkeit oder auch Sampling-Frequenz. Eine Sampling-Frequenz von 44.100 Hz (wie z.B. bei einer Audio-CD) bedeutet, dass das analoge Signal 44.100 Mal pro Sekunde abgetastet wird.

Es werden also 44.100 Proben (englisch: samples) erfasst. Jedes Sample gibt über die zum Entnahmezeitpunkt anliegende Amplitude des Analogsignals Auskunft. 

Im ersten Schritt haben wir nun ein "Zeit-digitales" Signal. Es ist aber noch ein "Amplituden-analoges", also ein halbdigitales Signal. 

Im nächsten Schritt werden die Samples noch in ein Werte-Raster "gepresst", d.h. es wird geprüft, welcher Wert aus einem vorgegebenen Raster dem Sample am nächsten kommt. 

Das am einfachsten zu begreifende Verfahren für die Analog-Digital-Wandlung ist das Direktverfahren. Hierbei wird eine Referenzspannung durch eine Teilerkette in Spannungswerte mit jeweils gleich großem Abstand (Raster) gewandelt. Nachgeschaltete Komparatoren (Vergleicher) vergleichen nun die Eingangsspannung einfach mit den Referenzwerten. Entspricht die Eingangsspannung dem Referenzwert bzw. befindet er sich zwischen dem "Ein- und Ausschaltpunkt" des jeweiligen Komperators, so setzt dieser seinen Ausgang wie ein Schalter von "Null" auf "Eins".

Die Anzahl der Raster-Werte - ich habe hier einmal 12 Werte (von a bis k) genommen - wird auch als Auflösung bezeichnet. Die Auflösung wird meist als Anzahl von Bits angegeben. 8 Bit Auflösung bedeutet ein Raster mit 256 Stufen, 16 Bit unterteilen in 65.536 mögliche Werte. 

Es gilt: Je größer die verwendete Auflösung bei der Digitalisierung, desto genauer ist die digitale Entsprechung des Analog-Signals.

Vergl.: http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/PhysikalischeElektronik/Phys_Elektr/node129.html

Mit Hilfe eines Digitalrechners (auch Computer genannt) können die so gewonnenen digitalen Zeichen verarbeitet werden. Hier werden Informationen in Form von Schaltzuständen abgebildet.

Das oben bereits benutzte Wort "Bit" steht für die Kurzform von Binary Digit; übersetzt = Binärziffer.

1 Bit ist die kleinste Darstellungseinheit im Dualsystem. Der Wert eines Bits kann "0" oder "1" sein.

In der Elektronik kann man dies z.B. durch "Spannung" oder "keine Spannung" oder einfacher durch "Schalter auf" und "Schalter zu" darstellen.

So - nun haben wir die analoge Information schon computergerecht als Folge von Nullen und Einsen vorliegen.

Der Vorteil einer solchen Verarbeitung liegt besonders beim Kopieren. Denn bei einem Kopiervorgang der digitalen Zahlen oder des digitalen Codes gibt es praktisch keine Verluste - während Experten bei der analogen Kopie von Qualitätsverlusten in der Größenordnung von 10 bis 25% sprechen.

Auch das Lagern der Information führt nicht zu einer Veränderung. 

Denken Sie hingegen einmal an Ihre 30 Jahre alten Dias. Sie sind heute nicht mehr so strahlend wie damals. 

Selbst ein Tonband, das Sie vor 20 oder 30 Jahren aufgenommen haben, wird durch die Lagerung schlechter. Es leiert aus und verliert einfach gewisse Frequenzbereiche.

Oder Ihre alten Schallplatten: Sie knistern immer mehr oder die Rillen leiern durch das Abspielen immer mehr aus. Der Frequenzumfang ist schlicht nicht mehr so wie er mal war.

Der Kopiervorgang analoger Werte ist also immer mit Übertragungsverlusten verbunden, die Qualität sinkt, eine Kopie wird immer schlechter als das Original sein. Auch treten über die Zeit Lagerverluste ein (Farben bleichen aus, Magnetschichteinprägung wird schwächer und vieles andere mehr).

Die digitale Information hingegen verändert sich nicht - glauben wir zumindest.

Es kann jedoch sein, dass sie einfach kpl. weg ist, weil irgendwo einfach ein Bit "gekippt" ist. Oder die gespeicherten Daten werden unlesbar weil die Systemwechsel so schnell sind. Oder können Sie heute noch Disketten im Format 5 ¼ Zoll lesen?

Zusammenfassend muss man noch erwähnen, dass die digitale Aufzeichnung zwar keine Kopierverluste nach sich zieht, aber im Gegensatz zur analogen Speicherung wesentlich mehr Speicherplatz benötigt.