Digitalsignal
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Ein Digitalsignal (von lat. digitus = Finger; mit Fingern wird gezählt) überträgt eine Information, zum Beispiel eine Zahlenkolonne, die die Information mathematisch beschreibt, in Form einer physikalischen Größe. Im Gegensatz dazu wird bei einem Analogsignal eine physikalische Größe entweder direkt (also ohne Codierung durch Zahlen) übertragen oder gemäß einem Messprinzip in kontinuierlicher Zuordnung durch eine andere physikalische Größe abgebildet.
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[Bearbeiten] Quantisierung und Diskretheit
Zur Umsetzung in ein Digitalsignal muss das analoge Quellsignal zunächst zeitlich quantisiert, das heißt in festen Zeitintervallen abgetastet werden. Beispiel: Bei der Aufnahme einer Audio-CD wird jeder Kanal (links/rechts) des Quellsignals 44.100-mal pro Sekunde abgetastet. Diese Frequenz von 44,1 kHz bezeichnet man als Samplingfrequenz, Abtastfrequenz oder Abtastrate. Details des Quellsignals, Änderungen zwischen den Abtastpunkten können nicht erfasst werden. Das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem beschreibt dieses Problem: Ein Signal, welches der sog. Nyquistbedingung entspricht, das also nur Frequenzanteile unterhalb der halben Abtastfrequenz enthält, beinhaltet keine derartigen nicht erfassbaren Details – kann also ohne Detailverlust quantisiert werden.
Die so gewonnenen einzelnen Abtastwerte („Samples”) sind noch in ihrer Größe kontinuierlich, das heißt, sie können jeden beliebigen Wert besitzen. Um diese Werte in Zahlenform darstellen zu können, müssen sie zunächst durch Rundung in ein festes Werte-Raster eingepasst werden, da nicht Platz für beliebig viele Stellen zur Verfügung steht. Die Wortbreite oder Auflösung des Digitalsignals ergibt sich aus der Codierung der gewonnenen Werte als Binärzahlen: Auf der Audio-CD stehen für jeden Wert 16 Binärstellen (Bits) zur Verfügung, was 216=65.536 mögliche Werte ergibt. Details des Ausgangssignals, feine Änderungen zwischen den Werteraster-Stufen, werden nicht erfasst oder erzeugen eine Änderung um eine volle Stufe.
Jeder dieser Stufen wird eine Zahl zugeordnet, die durch eine Ziffernfolge dargestellt wird. Das Digitalsignal schließlich besteht aus der Darstellung der so gewonnenen Zahlenfolge im zeitlichen Verlauf.
Beispiel: In der TTL-Technik wird (bei „positiver Logik“) die Binärziffer 0 durch die Spannung 0 … 0,4 V dargestellt, die 1 durch 2,4 … 5,0 V.
Allerdings ergibt sich durch die Digitalisierung ein weiteres Problem: Die erhöhte Latenz, die bei der Digitalisierung und bei der Rückwandlung z.B. bei der Ton oder Bildausgabe anfallen.
[Bearbeiten] Anwendung
[Bearbeiten] Übertragung in der analogen Welt
Das Digitalsignal (die besagte Zahlenkolonne) wird bei der Übertragung seinerseits von einem Analogsignal (zum Beispiel zwei verschiedenen Spannungen für die zwei Binärziffern 0 und 1) dargestellt, welches die digitalen Daten physikalisch repräsentiert. Nur als solches kann es übertragen werden, da die digital übermittelte Information allein auf logischer Ebene existiert.
Solange die Ziffernfolgen des Digitalsignals beim Zielsystem überhaupt lesbar ist, ist die Übertragung vollkommen verlustfrei und störsicher, da eine Störung bis zu einem gewissen Grad korrigiert wird, als „Nicht-Zahlenwert” aussortiert werden kann oder überhaupt nicht erst erfasst wird.
Beispiel: In der TTL-Technik werden Spannungen 0 … 0,8 V und 2,0 … 5,0 V korrekt als Binärziffern erkannt, so dass Übertragungsfehler bis 0,4 V toleriert werden.
Die Übertragung eines Digitalsignals stellt an das Übertragungssystem (zum Beispiel ein Kabel) daher wesentlich geringere Anforderungen als eine vergleichbar gute Übertragung eines Analogsignals.
Ist das Digitalsignal allerdings am Ziel infolge zu starker Störungen nicht lesbar, ist keine Wiedergabe, auch keine ungefähre, mehr möglich.
[Bearbeiten] Bearbeitung
Eine Bearbeitung eines Digitalsignals ist in jedem Fall nichts weiter als ein Rechenvorgang, da ja nicht mit kontinuierlich veränderbaren physikalischen Werten, sondern mit deren diskreter Bewertung als Zahlen gearbeitet wird. Die Möglichkeiten dieser Techniken werden nur durch die verfügbare Rechenleistung begrenzt.
Digitalinformationen können nach Belieben auf digitalen Datenträgern gespeichert und ausgetauscht werden. Kopien sind verlustfrei möglich.
Am Ende der Informationsverarbeitungskette ist zur Mitteilung an den Menschen in der Regel wieder eine Umsetzung in ein Analogsignal erforderlich, z. B. von Audio-CD in elektrische Spannung und Schalldruck.
[Bearbeiten] Bedeutung
Aufgrund der sog. digitalen Revolution hat die Nutzung digitaler Signale drastisch zugenommen. Mittlerweile basieren die meisten Haushaltsgeräte entweder vollständig oder zumindest in großen Teilen auf Digitalsignalen. Moderne Kommunikationssysteme wie das Internet und die Mobiltelefonie basieren auf einem digitalen Signalnetz. Die Vorteile gegenüber analoger Technik sind vielseitigere Bearbeitungsmöglichkeiten in Computern und die fehlerfreie Speicherfähigkeit über lange Zeit, beispielsweise auf CD-ROMs.
Hierbei werden die digitalen Werte üblicherweise als Binärzahlen repräsentiert, so dass ihre Quantisierung in Bits angegeben wird.
[Bearbeiten] Missbrauch des Begriffs
Es scheint einen gewissen Hang zur Benutzung des Begriffs „digital“ zu geben, auch wenn es sich bei den behandelten Signalen, bei Lichte betrachtet, um analoge Signale handelt. Häufig betroffen davon sind Signale, die so moduliert sind, dass das Signal mit zwei Spannungsebenen dargestellt wird, wie etwa ein pulsweitenmoduliertes (PWM-Signal) oder ein pulsfrequenzmoduliertes (PFM-)Signal. PWM-Signale bestehen aus einem Rechtecksignal fester Frequenz, aber variablen Tastgrades. Die Information steckt im Tastgrad, dieser ist eine kontinuierliche analoge Größe. Die beiden Spannungsebenen des Rechtecksignals entsprechen zwar zwei Logikpegeln, und können mithin mit 0 und 1 bezeichnet werden, diese stellen aber keine Ziffern einer Zahl dar.
Dies führt zum Beispiel zur häufig zu beobachteten Bezeichnung „Digitalverstärker“ für einen Klasse-D-Verstärker, auch wenn dieser vollkommen analog arbeitet.[1] Ein anderes Beispiel findet sich im Datenblatt eines Temperatursensors, welcher ein analoges PWM-Signal ausgibt.[2] Zwar kann dieser mit der Auswerteschaltung (typischerweise ein Mikrocontroller) über einen TTL-kompatiblen Eingang verbunden werden, zur Auswertung jedoch muss der Mikrocontroller den Tastgrad des Signals messen, wodurch erst dieser (und nicht schon der Sensor) die Umsetzung in eine Zahl vornimmt.
Ein weiteres Beispiel für missbräuchliche Verwendung des Begriffs „digital“ ist ein Rechtecksignal, dessen Information in der Frequenz oder Häufigkeit steckt, beispielsweise in der Impulsfolge bei der Messung einer Drehzahl mittels Lichtschranke. Die Information über die Drehzahl ist nicht in den beiden Spannungsebenen des Rechtecksignals 0 und 1 enthalten, sondern in der beliebig fein veränderbaren Frequenz. Erst wenn die Impulsfolge über eine feste Dauer gezählt wird, entsteht im Zählerstand eine digitale Information.
[Bearbeiten] Siehe auch
Digital-Analog-Umsetzer, Analog-Digital-Umsetzer, Digitale Messtechnik
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ Comparison of feedback implementations for digital audio amplifiers Artikel auf Audio DesignLine
- ↑ SMT16030 Digital Temperature Sensor, Version 7/2005
