"1.1.1 Analoge und digitale Daten (S. 4-6)

1.1.1.1 Analoge Daten

Wir leben in einer analogen Welt: Musik, Sprache, Farben, Formen, Helligkeiten, Kontraste. Zur Verarbeitung werden diese Informationen mit Hilfe von elektrischen Geräten gemessen. So wird beispielsweise bei einem Scanner eine Zeile mit lichtempfindlichen elektronischen Bauelementen über die beleuchtete Vorlage bewegt und die reflektierte Lichtmenge gemessen. Bei einem Mikrofon werden die Luftdruckschwankungen in elektrische Spannungen umgesetzt und bei einer Digitalkamera messen lichtempfindliche CCD-Elemente die einfallende Lichtmenge. Alle Messungen ergeben kontinuierliche Signale. Dies bedeutet, dass zu jeder beliebigen Zeit ein elektrischer Messwert vorhanden ist (siehe Abbildung a). Gemeinsames Merkmal analoger Signale ist also, dass es sich um zeitlich und elektrisch kontinuierliche Signale handelt. Computer können mit diesen Signalen nichts anfangen, da sie beliebig (unendlich) viele Informationen enthalten.

1.1.1.2 Analog-Digital-Wandlung

Computer verarbeiten ausschließlich Zahlen – genauer gesagt Nullen und Einsen. Daraus folgt, dass alle analogen Signale zur Verarbeitung durch einen Computer umgewandelt werden müssen. Dieser Vorgang wird als Analog- Digital-Wandlung bezeichnet. Er findet stets in folgenden zwei Schritten statt: Abtastung (Sampling) Die Messung eines Analogsignals zu festen Zeiten wird als Abtastung bezeichnet. Hierdurch wird erreicht, dass eine unendlich große Zahl von Messwerten auf eine abzählbare, „diskrete"" Anzahl reduziert wird. Bis zur nächsten Messung wird der gemessene Wert zwischengespeichert, so dass sich die in der Abbildung b dargestellte Treppenfunktion ergibt.

Der Kennwert einer Abtastung ist die Anzahl an Messwerten, die pro Sekunde gemessen werden. Physikalisch betrachtet handelt es sich um eine Frequenz, genauer um die Abtastfrequenz. Frequenzen werden in Hertz (Hz) gemessen. Eine Abtastfrequenz von 20 kHz bedeutet, dass 20.000 Messungen pro Sekunde vorgenommen werden. Beachten Sie, dass ein Abtastsignal immer noch analog ist, da die Messwerte beliebige (kontinuierliche) Werte annehmen können. Eine Verarbeitung durch einen Computer ist zu diesem Zeitpunkt also nicht möglich. Digitalisierung Im zweiten Schritt einer Analog-Digital- Wandlung muss eine Reduktion der Messwerte auf eine abzählbare Anzahl erfolgen.

Dieser Vorgang wird als Digitalisierung bezeichnet (siehe Abbildung c). Nach der Festlegung der digitalen Stufenzahl, kann jeder Messwert der Stufe zugeordnet werden, der er am nächsten ist. Dies ist zwangsläufig mit einer geringfügigen Verfälschung des Signals verbunden. Damit sich dieser Qualitätsverlust nicht negativ auf die weitere Verarbeitung der Daten auswirkt, muss die Anzahl der Stufen ausreichend hoch gewählt werden.

Da die Anzahl an digitalen Stufen maßgeblichen Einfluss auf die Datenmenge hat, ist es sinnvoll, die Stufenanzahl als Vielfaches der Speichereinheit „Bit"" anzugeben. Hierbei besteht folgender rechnerischer Zusammenhang: Ein Speicherplatz von n Bit ergibt 2n mögliche Stufen. So wird beispielsweise bei der Bildverarbeitung üblicherweise mit 24 Bit gearbeitet, so dass sich 224 Stufen und damit 16,78 Millionen Farbmöglichkeiten ergeben. Bei Sounds genügen für CD-Qualität bereits 16 Bit, das entspricht 65.536 Stufen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass einige Ausgabegeräte wie beispielsweise ältere Monitore oder Lautsprecher wiederum analoge Signale benötigen, so dass die Grafik- bzw. Soundkarte eine Digital-Analog- Wandlung vornehmen muss.

1.1.1.3 Binäre Daten

Nach Abschluss der Analog-Digital- Wandlung liegen alle Informationen in Form von Zahlen vor, mit denen ein Computer allerdings noch immer nichts anfangen kann. Der Grund hierfür ist, dass der Mikroprozessor eines Computers aus einer sehr großen Anzahl von elektronischen Schaltern (Transistoren) besteht. Diese können – wie alle Schalter – nur die beiden Zustände Ein und Aus annehmen. "