Digital kommt vom lateinischen Digit (Finger) und bedeutet soviel wie zählend. Offenkundig wird die Bedeutung bei einer Uhr mit Digitalanzeige. Wir sehen keine Zeiger mehr über das Zifferblatt schleichen, sondern bekommen die aktuelle Zeit in Ziffern angeboten. Solche Uhren zählen die Sekunden⁽¹⁾ und summieren sie zu Minuten und Stunden. Kein Zeiger zieht seine gleichmäßigen Runden, sondern die Anzeige springt von Zahl zu Zahl. Im Gegensatz zur häppchenweise digitalen Abbildung eines Vorgangs - in unserem Beispiel des Zeitverlaufs -‚ nennt man seine gleichmäßig fließende Darstellung analog.

Auch bei den elektrischen Signalen als Transporteur von Sprache, Musik, sogar von Fernsehbildern unterscheidet man analoge und digitale. Unsere klassische Schallschwingung ist ein analoges Signal: Gleichmäßig verläuft der Kurvenzug, alle Zwischenwerte von Null bis zu jeweils einem positiven und einem negativen Höchstwert der Schwingung werden durchlaufen. Die dabei möglichen Schwingungszahlen je Sekunde sind bekannt. Unser Ohr hört zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz.

Man kann aus einem Tonsignal, dem Abbild der Schallschwingung im elektrischen Bereich, auch ein digitales Signal gewinnen, das quasi nur noch aus (zählbaren) Impulsen bestimmter Größe besteht, aber dafür aus sehr, sehr vielen. Interessant ist dabei eine bestimmte Anordnung der Impulse, die man Pulskodemodulation (PCM) nennt. Wir wollen uns von diesem schwierigen Wort nicht erschrecken lassen und werden versuchen, die Sache vereinfacht, Schritt für Schritt zu erklären.

Um zu verstehen, wie ein digitales PCM-Signal aus dem analogen Tonsignal entsteht und welche Vorteile und Probleme es mit sich bringt, vollziehen wir gedanklich das nach, was auch das Umwandlungsgerät, - der A/D-Umsetzer - in Blitzesschnelle praktisch tut.

Man ordnet dem Kurvenzug des analogen Tonsignals eine größere Zahl streifenförmiger Bezirke zu, die sogenannten Quantisierungsschritte (Bild 15.6).

Alle Kurvenabschnitte des Signals, die innerhalb eines bestimmten Streifens verlaufen, werden als gleichwertig behandelt. Wir können aus unserer ursprünglichen Schwingung also eine Art Treppe herstellen, eine Folge von Spannungssprüngen ohne Zwischenwerte. Merken Sie etwas? Es ist leicht einzusehen, dass Feinheiten des originalen Kurvenzugs um so besser mit dem Treppensignal angenähert werden, je mehr Streifen man vorgibt, je niedriger man die Treppenstufen also macht. In der Praxis wählt man für Fernsprechsignale 256 Stufen, für hochwertige Musikübertragung bis zu 65.536 Stufen. Allerdings sind wir noch lange nicht am Ziel, denn dieses Treppensignal bringt uns kaum einen Vorteil. Unsere Absicht ist es ja gerade, eine große Zahl von Spannungszuständen zu vermeiden und mit nur 2 Möglichkeiten auszukommen: Spannung da/ Spannung weg!

Bevor wir unsere Treppe weiter umwandeln, müssen wir uns an die Binärzahlen erinnern und wie man mit ihnen zählen kann. Sie sind für unseren Zweck bestens geeignet, denn jede Stelle einer Binärzahl kennt nur die Werte 1 (Spannung da) oder 0 (Spannung weg).

Den Zusammenhang mit unseren gebräuchlichen Dezimalzahlen sehen Sie am besten auf unserem Bild. Sie erkennen, dass wir mit einer 4stelligen Binärzahl 16 Ziffern im Dezimalsystem darstellen können, nämlich 0 bis 15. Jede weitere Binärstelle verdoppelt die Anzahl der darstellbaren Dezimalziffern.

Allgemein gilt: 2 ^{Anzahl der Binärstellen} = Anzahl der Dezimalziffern.

Wollen wir also die erwähnten 65.536 Treppenstufen für ein hochwertiges Musiksignal unterscheiden, so brauchen wir dafür Binärzahlen mit 16 Stellen (2 ¹⁶ = 65.536), gewissermaßen Impulsgruppen mit 16 Einzelimpulsen. Jede Binärstelle in der Impulsgruppe bezeichnet man auch als Bit, die gesamte Impulsgruppe auch als Daten- oder Kodewort.

Wir haben es demnach mit 16-Bit-Kodeworten zu tun (im Beispiel nach Bild 15.6 arbeiten wir dagegen nur mit 4-Bit-Kodeworten, das ist übersichtlicher.).

Nun entsteht sofort die Frage, wie oft sich überhaupt in jeder Sekunde der Signalwert in unserem Treppensignal ändern kann? Diese Änderungen werden sicher bei den Tonsignalanteilen mit den höchsten Frequenzen - wir beschränken uns auf 16 kHz - am schnellsten aufeinanderfolgen. Es hat sich jedoch praktisch gezeigt, dass der Kurvenzug ausreichend genau übertragen werden kann, wenn man bei der höchsten Tonsignalfrequenz noch mit zwei Änderungen bei jedem vollständigen Schwingungszug rechnet.

Bis zu 2 x 16.000 = 32.000 Änderungen der Treppenhöhe sind demnach je Sekunde zu übertragen, 32.000 verschiedene Kodeworte je 16 Bit, welche unseren ursprünglichen Signalverlauf in jeder Sekunde beschreiben.

Damit sind wir beim Problem der Pulskodemodulation angelangt: 32.000 Kodeworte je Sekunde multipliziert mit 16 Bit je Kodewort bedeuten 512.000 Bit je Sekunde, 512.000 Spannungsimpulse, ein gewaltiger Datenstrom! Nicht mehr zu vergleichen mit den höchstmöglichen 16 kHz des analogen Originalsignals.

Herkömmliche Übertragungskabel, Tonbandgeräte oder Plattenspieler können da nicht mehr mithalten. Aber Lichtwellenleiterkabel haben sich schon bei der Übertragung von digitalen PCM-Signalen bewährt.

Vorteile: ausgezeichnete Tonqualität, und es ist kein getrennter Tonübertragungskanal notwendig.

Wo aber stecken nun eigentlich die Vorzüge dieser sehr aufwendigen Puiskodemodulation? Sie finden sich bei der wesentlich geringeren Signalbeeinflussung bei Übertragung und Speicherung. Weder Störgeräusche noch Klangverzerrungen beeinträchtigen den Ton, das gefürchtete Jaulen bei Tonband oder Schallplatte gehören ebenso der Vergangenheit an wie Störungen, wenn fremde Signale ins Nutzsignal gelangen.

Die Qualität lässt sich wahrhaftig sprunghaft steigern. Digitale Übertragung funktioniert normalerweise immer optimal in der verfahrensbedingten Qualität, oder sie funktioniert überhaupt nicht. Dazwischen ist nicht viel Spielraum.

Eine Menge von Problemen war zu lösen, bevor digitale Übertragung und Speicherung überhaupt möglich wurden. So mussten günstige Verschachtelungen der Impulsgruppen gefunden werden, um sie den vorhandenen Übertragungskanälen oder Informationsträgern optimal anzupassen. So kann man zum Beispiel auf herkömmlichen Tonbändern durchaus digital speichern, auf normalen Schallplatten geht das aber schon nicht mehr.

Wenn bei der PCM-Übertragung oder -speicherung unterwegs einige Impulsserien verlorengehen - wir denken an ein "Loch" in der Magnetschicht eines Tonbands -‚ dann setzt bei PCM nicht einfach der Ton kurz aus wie bei einem analogen Signal, sondern die ganze Übertragung kommt zeitweilig durcheinander, weil sich der Empfänger am anderen Ende zwangsläufig "verzählen" muss.

Spezielle raffinierte Impulsverschachtelungen, Kontrollimpulsserien und Fehlerkorrekturschaltungen vermeiden solche Pannen.

Die Übertragung mit Impulsen hat noch andere Vorteile: Die Impulse können von mehreren Signalen gewonnen und ineinander "verkämmt" werden. Dann braucht man nur einen Kanal für mehrere Signale, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen. So etwas wird zum Beispiel mit den beiden Stereosignalen gemacht oder beim Fernsprechen mit einer größeren Anzahl von Telefongesprächen, die über einen einzigen Lichtwellenleiterstrang geführt werden.

Auf diese Weise lassen sich auch interessante Zusatzinformationen ins PCM-Signal einschachteln. Auf einer Digitalschallplatte kann ein mit den Musikstücken mitlaufender Kode enthalten sein, der Informationen zu den einzelnen aufgespielten Titeln oder zur Zeit enthält, die die Platte bis zu diesem Zeitpunkt vom Anfang an gelaufen ist. Das hilft beispielsweise bei der Titelsuche. Titel und Laufzeit können aber auch ständig am Abspielgerät angezeigt werden.

Digitale Signale haben in ihrer Form mit den ursprünglichen analogen Signalen nichts mehr gemeinsam. Daher können sie auch nicht direkt über Lautsprecher wiedergegeben werden.

Am Ende der Übertragung oder nach der Speicherung müssen sie erst mit Hilfe eines D/A-Umsetzers in analoge Signale zurückverwandelt werden.

Allerdings, die Entwicklung schreitet schnell voran, ganz genau stimmt auch das nicht mehr. Immerhin ist es schon gelungen, einen Kopfhörer zu entwickeln, dem digitale Signale (also Impulsserien) direkt zugeführt werden und der trotzdem daraus saubere Klänge formt.

⁽¹⁾Korrekterweise muss man sagen, sie zählen die mehreren 10.000 Schwingungen, die ein eingebauter Schwingquarz je Sekunde ausführt.