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Was bedeutet "digital" im Zusammenhang mit der Tonaufzeichnung und TonĂŒbertragung?

Digital kommt vom lateinischen Digit (Finger) und bedeutet soviel wie zĂ€hlend. Offenkundig wird die Bedeutung bei einer Uhr mit Digitalanzeige. Wir sehen keine Zeiger mehr ĂŒber das Zifferblatt schleichen, sondern bekommen die aktuelle Zeit in Ziffern angeboten. Solche Uhren zĂ€hlen die Sekunden(1) und summieren sie zu Minuten und Stunden. Kein Zeiger zieht seine gleichmĂ€ĂŸigen Runden, sondern die Anzeige springt von Zahl zu Zahl. Im Gegensatz zur hĂ€ppchenweise digitalen Abbildung eines Vorgangs - in unserem Beispiel des Zeitverlaufs -‚ nennt man seine gleichmĂ€ĂŸig 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: GleichmĂ€ĂŸig verlĂ€uft 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 (zĂ€hlbaren) Impulsen bestimmter GrĂ¶ĂŸe besteht, aber dafĂŒr 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 fĂŒr Schritt zu erklĂ€ren.

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 UmwandlungsgerÀt, - der A/D-Umsetzer - in Blitzesschnelle praktisch tut.

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

Bild 15.6 Digitalisierung eines analogen Signals am Beispiel von 16 Stufen. Nach jedem periodischen Abtastvorgang wird das zu der Treppenstufe gehörige Kodewort ausgelöst und ĂŒbertragen, in der sich im Abtastmoment das Analogsignal befindet.

Alle Kurvenabschnitte des Signals, die innerhalb eines bestimmten Streifens verlaufen, werden als gleichwertig behandelt. Wir können aus unserer ursprĂŒnglichen Schwingung also eine Art Treppe herstellen, eine Folge von SpannungssprĂŒngen ohne Zwischenwerte. Merken Sie etwas? Es ist leicht einzusehen, dass Feinheiten des originalen Kurvenzugs um so besser mit dem Treppensignal angenĂ€hert werden, je mehr Streifen man vorgibt, je niedriger man die Treppenstufen also macht. In der Praxis wĂ€hlt man fĂŒr Fernsprechsignale 256 Stufen, fĂŒr hochwertige MusikĂŒbertragung 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 SpannungszustĂ€nden zu vermeiden und mit nur 2 Möglichkeiten auszukommen: Spannung da/ Spannung weg!

Bevor wir unsere Treppe weiter umwandeln, mĂŒssen wir uns an die BinĂ€rzahlen erinnern und wie man mit ihnen zĂ€hlen kann. Sie sind fĂŒr unseren Zweck bestens geeignet, denn jede Stelle einer BinĂ€rzahl kennt nur die Werte 1 (Spannung da) oder 0 (Spannung weg).

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

Allgemein gilt: 2 Anzahl der BinÀrstellen = Anzahl der Dezimalziffern.

Wollen wir also die erwĂ€hnten 65.536 Treppenstufen fĂŒr ein hochwertiges Musiksignal unterscheiden, so brauchen wir dafĂŒr BinĂ€rzahlen mit 16 Stellen (2 16 = 65.536), gewissermaßen Impulsgruppen mit 16 Einzelimpulsen. Jede BinĂ€rstelle 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 ĂŒbersichtlicher.).

Nun entsteht sofort die Frage, wie oft sich ĂŒberhaupt in jeder Sekunde der Signalwert in unserem Treppensignal Ă€ndern kann? Diese Änderungen werden sicher bei den Tonsignalanteilen mit den höchsten Frequenzen - wir beschrĂ€nken uns auf 16 kHz - am schnellsten aufeinanderfolgen. Es hat sich jedoch praktisch gezeigt, dass der Kurvenzug ausreichend genau ĂŒbertragen werden kann, wenn man bei der höchsten Tonsignalfrequenz noch mit zwei Änderungen bei jedem vollstĂ€ndigen Schwingungszug rechnet.

Bis zu 2 x 16.000 = 32.000 Änderungen der Treppenhöhe sind demnach je Sekunde zu ĂŒbertragen, 32.000 verschiedene Kodeworte je 16 Bit, welche unseren ursprĂŒnglichen 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, TonbandgerĂ€te oder Plattenspieler können da nicht mehr mithalten. Aber Lichtwellenleiterkabel haben sich schon bei der Übertragung von digitalen PCM-Signalen bewĂ€hrt.

Vorteile: ausgezeichnete TonqualitĂ€t, und es ist kein getrennter TonĂŒbertragungskanal notwendig.

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

Die QualitĂ€t lĂ€sst sich wahrhaftig sprunghaft steigern. Digitale Übertragung funktioniert normalerweise immer optimal in der verfahrensbedingten QualitĂ€t, oder sie funktioniert ĂŒberhaupt nicht. Dazwischen ist nicht viel Spielraum.

Eine Menge von Problemen war zu lösen, bevor digitale Übertragung und Speicherung ĂŒberhaupt möglich wurden. So mussten gĂŒnstige Verschachtelungen der Impulsgruppen gefunden werden, um sie den vorhandenen ÜbertragungskanĂ€len oder InformationstrĂ€gern optimal anzupassen. So kann man zum Beispiel auf herkömmlichen TonbĂ€ndern 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 EmpfĂ€nger am anderen Ende zwangslĂ€ufig "verzĂ€hlen" 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 "verkĂ€mmt" werden. Dann braucht man nur einen Kanal fĂŒr mehrere Signale, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen. So etwas wird zum Beispiel mit den beiden Stereosignalen gemacht oder beim Fernsprechen mit einer grĂ¶ĂŸeren Anzahl von TelefongesprĂ€chen, die ĂŒber einen einzigen Lichtwellenleiterstrang gefĂŒhrt werden.

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

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

Am Ende der Übertragung oder nach der Speicherung mĂŒssen sie erst mit Hilfe eines D/A-Umsetzers in analoge Signale zurĂŒckverwandelt 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 zugefĂŒhrt werden und der trotzdem daraus saubere KlĂ€nge formt.


(1)Korrekterweise muss man sagen, sie zĂ€hlen die mehreren 10.000 Schwingungen, die ein eingebauter Schwingquarz je Sekunde ausfĂŒhrt.


© infos-sachsen / letzte Änderung: - 05.06.2023 - 09:17