{"id":24200,"date":"2017-10-02T07:00:26","date_gmt":"2017-10-02T05:00:26","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/02\/digital-vs-analog-ein-einblick-in-die-nachrichtentechnik\/"},"modified":"2025-05-14T16:35:54","modified_gmt":"2025-05-14T14:35:54","slug":"digital-vs-analog-ein-einblick-in-die-nachrichtentechnik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/02\/digital-vs-analog-ein-einblick-in-die-nachrichtentechnik\/","title":{"rendered":"Digital vs Analog: ein Einblick in die Nachrichtentechnik"},"content":{"rendered":"

\"sb-wettbewerb_klein\"<\/a>Dieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017<\/a>. Informationen zum Ablauf gibt es hier<\/a>. Leserinnen und Leser k\u00f6nnen die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier<\/a>. Eine \u00dcbersicht \u00fcber alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier<\/a>. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den jeweiligen Texten.<\/i>
\n——————————————————————————————————————<\/p>\n

Digital vs Analog ein Einblick in die Nachrichtentechnik<\/b><\/p>\n

von Christian Berger<\/p>\n

Ich habe Elektrotechnik\/Nachrichtentechnik aus Leidenschaft studiert, und
\nprobiere jetzt hier mich mal an einem Blogartikel.<\/p>\n

Fragen wir doch mal den Duden. Zu „analog“ steht da „\u00e4hnlich, vergleichbar,
\ngleichartig; entsprechend“. Zu „digital“ steht da „mithilfe des Fingers
\nerfolgend“, „in Stufen erfolgend“ und „in Ziffern darstellend\/dargestellt“.
\nBesonders das letzte ist sehr spannend, besonders da im Franz\u00f6sischen hier das
\nWort num\u00e9rique also „nummerisch“ verwendet wird. All diese Bedeutungen zielen
\nauf den Kern der Sache.<\/p>\n

Fangen wir doch mal mit einem einfachen analogen System an, dem Dosen- oder
\nSchnurtelefon. Das sind einfach 2 Dose (geht einfacher mit Plastikbecher)
\nzwischen denen eine Schnur gespannt ist. Spricht man in die eine Dose hinein,
\nso kann man das an der anderen Dose h\u00f6ren.
\nWas passiert da eigentlich? Spricht man in eine Dose, so vibriert der Boden.
\nEr bewegt sich ein kleines St\u00fcck hin und her. Diese Bewegung schiebt nun die
\ngespannte Schnur hin und her, so dass sich der entfernte Dosenboden ebenfalls
\nbewegt. Dieser bewegt dann die Luft, was man als Schall wahrnehmen kann.<\/p>\n

Was ist daran jetzt analog? Nun, wenn man lauter spricht, so bewegen sich die
\nB\u00f6den und die Schnur st\u00e4rker als wenn man leise spricht. Die Schnur folgt
\nentsprechend den \u00c4nderungen des Luftdrucks am Dosenboden. Hier m\u00f6chte ich auf die
\nSynonyme am Anfang verweisen. Alles in dem System folgt dem selben Rhythmus,
\nalles bewegt sich entsprechend den anderen Teilen. Im Prinzip bewegt sich das
\nalles gleich.<\/p>\n

\u00c4hnlich ist das bei einem (alten) Telefon. Dort wurden sogenannte
\nKohlemikrofone verwendet. Diese bestehen aus einer Membran die Kohlegranulat
\nmehr oder weniger dicht zusammen dr\u00fcckt. \u00dcben die Schallwellen an ihr eine
\nKraft auf, so wird diese auf die Kohlek\u00f6rner \u00fcbertragen. Je mehr desto st\u00e4rker
\nwerden die K\u00f6rner komprimiert. Dadurch vergr\u00f6\u00dfern sich die Kontaktfl\u00e4chen der
\nK\u00f6rner und Strom kann besser durch dieses Granulat flie\u00dfen. Diese
\nStromschwankungen kann man nun \u00fcber lange Kabel zu Lautsprechern f\u00fchren, wo
\nsie in Spulen Magnetfelder erzeugen die eine Membran bewegen. Mit
\nentsprechenden Kabeln geht das durchaus 100 Kilometer weit, dann wird das
\nSignal aber schon recht schwach und somit leise.<\/p>\n

Was ist allerdings, wenn man jetzt weiter telefonieren m\u00f6chte? Dann muss man
\ndas Signal verst\u00e4rken, und da f\u00e4ngt auch das Problem an. Auch wenn man seit
\nder Erfindung der Elektronenr\u00f6hre praktisch fast perfekte Verst\u00e4rker bauen kann, so
\nk\u00f6nnen die nur das verst\u00e4rken was am Eingang ankommt. Auch wenn das Nutzsignal
\nleise ist, so gibt es jede Menge St\u00f6rungen, von irgendwelchen Leckstr\u00f6men,
\n\u00fcber Einkopplungen von Stromleitungen bis hin zu St\u00f6rungen durch die
\nErdathmosph\u00e4re selbst. So ein internationales Ferngespr\u00e4ch war fr\u00fcher eine recht unsch\u00f6ne Angelegenheit, alle kleinen Probleme in den vielen Komponenten die an der
\nVerbindung beteiligt waren summierten sich auf. Wer so was mal selbst h\u00f6ren
\nwill, der kann sich die Radiosendung „Voice of Long Island“ vom 2. Februar
\n1981 anh\u00f6ren, welche hier<\/a> als Download mverf\u00fcgbar ist. <\/p>\n

Was bedeutet denn jetzt „digital“? Wie oben angedeutet, geht es hier nicht
\nmehr um die entsprechende Darstellung von Signalen, sondern um Symbole. Man
\ndr\u00fcckt die Nachricht als Kette von diskreten Symbolen aus. Ein typisches
\ndigitales System ist ein Buch. <\/p>\n

\"Eine<\/a>
Eine selbst fotographierte Seite aus einem Buch. Man sieht
hier sehr sch\u00f6n die diskreten Symbole.<\/figcaption><\/figure>\n

Auf dem Foto sieht man sehr sch\u00f6n wie einzelne Symbole in Reih und Glied die
\nNachricht bilden. Jedes Symbol ist eindeutig zuordnenbar und ergibt in
\nKombination mit den umgebenden Symbolen eine Bedeutung, wenn man den Code, in
\ndiesem Falle Japanisch, kann.<\/p>\n

Die Vorteile liegen auf der Hand. Da man hier einzelne Symbole hat, kann man
\ndiese beliebig oft vervielf\u00e4ltigen, zumindest so lange man die Symbole noch
\neindeutig entziffern kann, oder man aus den umgebenden Symbolen das unlesbare
\nSymbol herleiten kann.<\/p>\n

Die Menge an m\u00f6glichen Symbolen nennt man auch ein Alphabet. Unterschiedliche
\nAlphabete lassen sich prinzipiell umwandeln. So kann man die Buchstaben A bis
\nZ in die Zahlen 1 bis 26 umwandeln. Zahlen kann man nicht nur im Zehnersystem
\ndarstellen, sondern in Zahlensystemen beliebiger Basis. Aus technischen
\nGr\u00fcnden mag man es, wenn man in einem Zweiersystem arbeitet. Strom in die eine
\nRichtung bedeutet dann 0, Strom in die andere 1. Das kann man auch noch
\nerkennen, wenn weniger Strom ankommt als erwartet und man leichte St\u00f6rungen
\nhat. Ein Verst\u00e4rker muss hier nur die Entscheidung 0 oder 1 trefen, und kann
\ndann ein neues unverzerrtes Signal auf den Weg schicken.<\/p>\n

Da das so unheimlich praktisch ist, hat man auch schon fr\u00fch damit begonnen
\nTelegraphie und sp\u00e4ter Fernschreibnetze aufzubauen. \u00dcber diese
\nFernschreibnetze konnte man relativ preiswert und zuverl\u00e4ssig schriftliche
\nNachrichten \u00fcbertragen, auch \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen hinweg. Dazu werden sie
\nin den Fernschreiber, einer Art elektrischer Schreibmaschine eingegeben und
\nentweder erstmal auf einen Lochstreifen gelocht, oder gleich \u00fcber die Leitung
\ngeschickt. Am anderen Ende wurde der Text dann entweder direkt auf Papier
\ngedruckt, oder auch auf Lochstreifen gestanzt. Die Lochstreifen hatten den
\nVorteil, dass man sie bequem weiterschicken konnte.<\/p>\n

Vielleicht haben manche von eucht schon mal von einer Lichtschallplatte, oder
\nCompact Disk geh\u00f6rt. Das sind kleine, ca 12 cm gro\u00dfe silberne Scheiben, welche
\nTon digital speichern sollen. Wie geht das denn? Luftdruckschwankungen sind ja
\njetzt keine Symbole, und auch wenn man Musik als Symbole, sprich Noten
\nniederschreiben kann, so wird das hier nicht gemacht.<\/p>\n

Der Trick liegt in etwas, was man Pulsecodemodulation nennt, abgek\u00fcrzt PCM.
\nMan misst einfach das Signal in regelm\u00e4\u00dfigen Zeitabst\u00e4nden und schreibt den
\nmomentanen Wert in Symbolen nieder. Im Prinzip kann man sich das so wie die
\nArbeit von Wetterstationen vorstellen. Da geht zum Beispiel regelm\u00e4\u00dfig jemand
\nan ein Thermometer, lie\u00dft den Wert ab, und schreibt ihn nieder. Wird das
\nh\u00e4ufig genug und genau genug gemacht, so bekommt man ein gutes Bild vom
\nTemperaturverlauf, auch wenn man eigentlich nur bestimmte Punkte kennt. <\/p>\n

\"Die<\/a>
Die violette Linie wird, unter bestimmten Randbedingungen,
vollst\u00e4ndig durch die gr\u00fcnen Kreise beschrieben. (selbst gemachtes Bild)<\/figcaption><\/figure>\n

Das Signal in dem Bild oben kann man zum Beispiel durch die Zahlensequenz 2;
\n3; 4; 1; 8; 5; 6; 7 beschreiben. Hmm, pl\u00f6tzlich haben wir Zahlen. Diese Zahlen
\nkann man beliebig umrechen. Wir haben somit aus einem analogen Signal eine
\ndigitale Nachricht gemacht.<\/p>\n

Wenn jetzt also digitale Nachrichten so viel praktischer sind als analoge
\nSignale sind, und wenn man die umwandeln kann: Warum hat man das denn nicht
\nschon von Anfang an gemacht?
\nNun ja, die Wandler daf\u00fcr waren Anfangs relativ aufw\u00e4ndig, aber das h\u00e4ttem man
\nnoch hin bekommen. Das gro\u00dfe Problem war, dass wenn man digitale Daten bin\u00e4r
\ndurch Wechsel der Stromrichtung \u00fcbertr\u00e4gt, man pl\u00f6tzlich viel mehr Wechsel
\nbraucht als f\u00fcr die entsprechenden analogen Signale. F\u00fcr Telefonie braucht man
\n64000 Bits pro Sekunde, was man schon fr\u00fch hinbekommen hat. F\u00fcr Ton in
\nHIFI-Qualit\u00e4t braucht man hingegen etwa 1,4 Millionen Bits pro Sekunde. Das
\nkonnte man erst in den 1970gern vern\u00fcnftig und kosteng\u00fcnstig aufzeichnen.<\/p>\n

Bei Fernsehbildern hingegen ben\u00f6tigt man so jedoch ca 142 Millionen Bits pro
\nSekunde. Das ist auch heute noch eine gro\u00dfe Datenrate und man hat in den
\n1980gern sogar schon Videorekorder gebaut die so etwas aufzeichnen konnten.
\nSehr teure Videorekorder. So wirklich praktikabel war das nicht.<\/p>\n

Dann kam jedoch eine unerwartete Wendung, die Mikroelektronik. In den 1970ger
\nJahren begann man Microchips mit immer mehr Bauteilen zu bauen. Das Prinzip
\nist einfach, w\u00e4hrend man vorher einzelne Bauelemente zu einer gro\u00dfen Schaltung
\nzusammenf\u00fcgte, konnte man jetzt ein St\u00fcck Silizium nehmen, und es \u00fcber
\nphotochemische Verfahren dazu bringen, bestimmte Bauteile an bestimmten
\nStellen zu sein. Zum Beispiel besteht eine Diode aus einem positiv dotierten
\nund einem negativ dotierten St\u00fcck Silizium. Diese Dotierung ist nichts anderes
\nals eine leichte Verunreinigung mit anderen Stoffen.<\/p>\n

In Microchips verwendet man Silizium das schon leicht vordotiert ist.
\nJetzt tr\u00e4gt man eine Schicht Photolack auf und belichtet ihn.
\nNach der Entwicklung kann man ihn an einigen Stellen abl\u00f6sen, w\u00e4hrend er auf anderen Stellen bleibt.
\nMan hat somit L\u00f6cher im Lack, genau nach dem Muster das man belichtet hat.
\nDurch diese L\u00f6cher kann man nun eine zus\u00e4tzliche Dotierung in die andere Richtung durchf\u00fchren.
\nSomit kann man einen Teil des Siliziums positiv dotiert haben, w\u00e4hrend das St\u00fcck daneben
\nnegativ dotiert ist. Den Lack kann man dann mit anderen Substanzen abwaschen und eine neue Schicht auftragen.<\/p>\n

Am Ende tr\u00e4gt man mit diesem Verfahren gut leitende Strukturen, zum
\nBeispiel aus Aluminium oder Kupfer auf. Diese Verbinden die einzelnen
\nBauteilstrukturen und verbinden diese zu einer fertigen Schaltung.<\/p>\n

Besonders gut kann man so Transistoren und Dioden aufbauen. Kondensatoren und
\nSpulen sind zwar m\u00f6glich, jedoch relativ aufw\u00e4ndig. Sie brauchen zu viel
\nPlatz. Platz ist ein Problem, da jedes Staubkorn die Schaltung unbrauchbar
\nmacht. Je gr\u00f6\u00dfer der Chip, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Staubkorn
\nbei der Herstellung darauf gelandet ist. Das ist ein Grund warum man versucht
\ndie Gr\u00f6\u00dfe der Strukturen auf dem Chip immer kleiner zu machen. Dadurch bekommt
\nman bei gleicher Gr\u00f6\u00dfe, und somit gleichen Kosten, immer mehr Bauteile unter.
\nDas f\u00fchrte dazu, dass sehr schnelle digitale Computer f\u00fcr wenig Geld
\nherstellbar waren.<\/p>\n

Schnelle Computer bedeuten jetzt, dass diese mit den gro\u00dfen Datenmengen von
\nVideos umgehen k\u00f6nnen, und darauf sogar recht komplexe Rechenoperationen
\nausf\u00fchren k\u00f6nnen. Dadurch kann die Datenmenge f\u00fcr Videosignale deutlich
\nreduziert werden, so weit, dass man sie praktikabel \u00fcbertragen kann.<\/p>\n

Solche Verfahren laufen, vereinfacht gesagt, immer nach dem gleichen Prinzip
\nab. Man versucht aus den schon \u00fcbertragenen Bildinformationen neue
\nBildinformationen zu raten, und \u00fcbertr\u00e4gt dann nur noch den Fehler. Bei einer
\nNachrichtensendung ver\u00e4ndern sich zum Beispiel die Bildpunkte des Hintergrunds
\nnicht, oder nur sehr wenig. Somit muss man sie nicht mehr vollst\u00e4ndig
\n\u00fcbertragen. Gleichzeitig f\u00fchrt man eine Bewertung des Sch\u00e4tzfehlers durch. Wie
\nwichtig ist die Information die Information, dass der Bildpunkt #542523 um einen
\nSchritt heller geworden ist? Wie wichtig sind die \u00c4nderungen der Bildpunkte um
\nden Mund der Sprecherin? Mit ausgekl\u00fcgelten Verfahren kann man dadurch nur
\nnoch die wichtigen Informationen \u00fcbertragen.<\/p>\n

Inzwischen ist die analoge Nachrichtentechnik fast vollst\u00e4ndig an die R\u00e4nder
\nder Signalkette verdr\u00e4ngt. Allerdings gibt es noch einige Nischen in denen sie
\nsich noch h\u00e4lt. Fernmeldesatelliten sind so ein Beispiel. Die empfangen ein
\nSignal auf einer Frequenz und geben es, verst\u00e4rkt auf einer anderen Frequenz
\nwieder. Was da genau \u00fcbertragen wird ist egal. Dadurch ist es m\u00f6glich auch
\nneue \u00dcbertragungsverfahren \u00fcber sie zu nutzen. Satelliten die 1987 hoch
\ngeschossen wurden, konnten zum Beispiel in den sp\u00e4ten 1990gern digitales Fern
\nsehen \u00fcbertragen. Und das ohne das da ein Servicetechniker dort oben eine
\nUmr\u00fcstung durchf\u00fchren m\u00fcsste. Die Anfahrt von fast 39000km w\u00e4re auch wohl zu
\nteuer.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Dieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017. Informationen zum Ablauf gibt es hier. Leserinnen und Leser k\u00f6nnen die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier. Eine \u00dcbersicht \u00fcber alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":24109,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[733,11],"tags":[2666],"class_list":["post-24200","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-blog-schreibwettbewerb","category-naturwissenschaften","tag-blog-schreibwettbewerb"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24200","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=24200"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24200\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":24203,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/24200\/revisions\/24203"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/24109"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=24200"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=24200"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=24200"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}