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Informationen aus "natürlichen" Quellen liegen grundsätzlich analog vor, sie sind also weder zeitlich noch im Wert diskret. Ersteres bedeutet, dass sie sich zu beliebigen Zeitpunkten ändern können. Letzteres hat zur Folge, dass es weder einen definierten Bereich für die Werte gibt, noch dass innerhalb dieses Bereichs nur bestimmte Werte möglich sind. Beides zusammen hat zur Folge, dass der Informationsgehalt einer analogen Information unendlich groß ist.

Die Kunst der Digitalisierung besteht nun darin, die Ausgangsinformation zeitlich und wertmäßig zu diskretisieren und dabei einerseits nicht zu viele Daten zu produzieren (da diese ja gespeichert oder übertragen werden müssen) und andererseits eine möglichst gute Reproduktion der ursprünglichen Information zu ermöglichen.

Eine besondere Form der Digitalisierung nehmen Sie bereits vor, wenn Sie etwas aufschreiben ‑ die analogen Ausgangsdaten befinden sich dabei zunächst in Ihrem Kopf Ihre Gedanken werden nun zu Buchstaben, Worten, Sätzen. Es wird Ihnen aber in den seltensten Fällen gelingen, Ihre Gedanken so niederzulegen, dass beim Leser im Kopf exakt das gleiche Bild entsteht. Durch eine präzisere Schilderung kann der Leser Ihre Gedanken zwar besser nachvollziehen, Sie verbrauchen dafür aber auch mehr Worte.

Auf den folgenden Seiten wird es um automatisierbare Formen der Digitalisierung gehen nämlich die von Audio‑ und Videoinformationen. Abschließend wird beschrieben, wie die Wandlung von Analog‑ in Digitalwerte (und umgekehrt) technisch funktioniert.

Digitalisierung von Audiosignalen:

Wenn Musik, Sprache oder Geräusche mit einem Mikrofon aufgenommen werden, liegt als Ergebnis zunächst ein Analogsignal vor, d.h. eine sich im zeitlichen Verlauf verändernde elektrische Spannung.

Um daraus eine Folge von Zahlen zu machen, die dann digital übertragen werden kann, wird das analoge Signal in regelmäßigen Abständen abgetastet.

Die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden über einen Analog–Digital-Wandler in einen Zahlenwert umgewandelt. Dabei wird auf ganze Zahlen gerundet.

Digitalisieren:

-          diskrete Werte (Zahlen)

-          Formatierung der Daten (kodieren)

-          Aufteilung in Pakete

-          Suchen eines Weges zum Empfänger

-          Umsetzung der Information in elektrische bzw. optische Impulse

-          Übertragung der Signale über ein Medium

Technik der Digitalisierung von Audiosignalen:

Ein Audiosignal wird zunächst mit einem Tiefpass gefiltert, d.h. alle Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastfrequenz werden entfernt. Erst jetzt erzeugt ein Analog-Digital-Wandler eine Folge von Digitalwerten, und zwar gesteuert durch einen externen zugeführten Takt.

Der umgekehrte Weg sieht ähnlich aus. Die digitalen Werte werden einem Digital-Analog-Wandler zugeführt, der daraus einen stufigen Spannungsverlauf erzeugt. Durch einen nachgeschalteten Tiefpassfilter werden alle Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastfrequenz gefiltert. Das Signal wird dadurch geglättet.

Digitalisierung von Audiosignalen:

-          Ein abgetastetes Signal darf keine Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastfrequenz besitzen. ISDN: 8000 Hz x Abtasten pro Sekunde= 4000 Hz Abtastfrequenz.

-          Durch die Rundung entsteht bei jeder Abtastung ein Fehler von Max +/- ½ Schritten. Das macht sich durch Rauschen bemerkbar. Um so kleiner die Schritte (um so höher die Abtastrate) desto geringer das Rauschen.

Digitalisierung von Bildern:

-          Abtasten von Papiervorlagen (Scanner)

-          Aufzeichnen eines Objekts mit Video- oder Digitalkamera

In beiden Fällen ist das bildaufzeichnende Bauteil ein so´genannter CCD ‑ Chip (Charge Coupied Device). Diesen kann man sich als Matrix kleiner Töpfchen für elektrische Ladungen vorstellen. Zuerst werden alle Töpfchen gleichmäßig gefüllt. Anschließend entleeren sie sich umso schneller, je mehr Licht auf sie fällt (Photoeffekt). Am Ende der Belichtungszeit wird nachgesehen, wie viel Ladung in jedem Töpfchen vorhanden ist. Daraus wird dann ein digitales Abbild erzeugt.

Die Bildauflösung wird beim CCD ‑ Chip von der Größe und Anordnung der Ladungstöpfchen bestimmt. Die Töpfchen sind abwechselnd mit roten, grünen und blauen Farbfiltem versehen, so dass ein Farbbild aufgezeichnet werden kann. Dazu wird jeweils am Schnittpunkt von vier Töpfchen der Rot‑, Grün‑ und Blauwert der angrenzenden Zellen ermittelt. Da damit ein einziges Ladungstöpfchen immer vier Bildpunkte beeinflusst, ist die Auflösung des Farbbildes geringer als die physikalische Auflösung des CCD ‑ Chips.

Beim Auslesen des CCD ‑ Chips werden die Ladungswerte digitalisiert, woraus ein Quantisierungsfehler entsteht. Dieser ist aber normalerweise vernachlässigbar, weil erstens eine Auflösung von 8 Bit pro Farbanteil meist ausreicht und weil zweitens CCD ‑ Chips bereits ein relativ großes Grundrauschen verursachen, in dem das Quantisierungsrauschen untergeht. Das gilt insbesondere bei langen Belichtungszeiten und hohen Umgebungstemperaturen.

Kodierung:

-          Vereinbarung zwischen Sender und Empfänger, wie die Daten zu interpretieren sind (z.B. durch Protokolle).

o        Abtastrate

o        Wie viele Bits bilden einen Abtastwert

o        Wurde komprimier? Wie stark? Mit welchem Format?

-          Datenverschlüsselung (Transport von Daten)                    Datenschutz

-          Prüfziffern, Prüfbits                                                      Datensicherung

Digitale Signalisierung:

Die Methoden der Benutzung elektrischer Energie zur Kommunikation werden Signalisierung genannt. Der Prozess der Umwandlung eines Signals zur Darstellung von Daten wird häufig Modulation oder Verschlüsseln genannt. In Computernetzwerken wird die digitale Signalisierung durch Impulse aus Licht oder elektrische Spannungen verwirklicht.

Aktueller Status (current state):
Beim aktuellen Status wird das Vorhanden oder Nichtvorhanden sein ein Status oder Signaleigenschaft gemessen. In Glasfasernetzwerken werden Daten bspw. Durch Ein oder Ausschalten von Licht dargestellt. Die Netzwerkgeräte überwachen das Medium und messen periodisch den Zustand.

Statusübergang (state transition):
Der Übergang von einem Status in den nächsten kann ebenfalls dazu benutzt werden Daten auf einen digitalen Signal zu verschlüsseln. Z. B. können an Stelle der absoluten Spannung auch der Übergang zwischen zwei Spannungen in einem Kabel gemessen werden.

Vorteile:
- die Ausrüstung ist normalerweise einfacher und preiswerter
- normalerweise weniger Fehler durch Rauschen und Interferenzen

Nachteile:
- mehr Dämpfung als bei analogen Signalen über vergleichbare Entfernung 

Analoge Signalisierungsmethoden:
Analoge Signale beruhen auf der periodischen Änderung von Wellen. Elektromagnetische Wellen, wie sie in analogen Signalen benutzt werden, werden häufig (s. Abb) in Sinuswellen dargestellt.

AM (Amplitudenmodulation): Die Amplitude einer Welle gibt die Signalstärke im Vergleich zu einem Referenzwert an. Analoge Signale beruhen auf der Amplitudenänderung, die sich fortlaufend vom positiven zu negativen Werten ändert. Die Amplitude wird häufig in Volt angegeben, wenn die elektrische Spannung (u) gemessen wird, in Ampere, wenn dir elektrische Strom (I) gemessen wird, in Watt, wenn die elektrische Leistung (P) gemessen wird, und in Dezibel, wenn der Unterschied der Leistung zwischen zwei Signalen gemessen wird

FM (Frequenzmodulation): Die Frequenz einer Welle ist der Zeitraum den sie für die Vollendung einer Schwingung benötigt. Mit anderen Worten: Benötigt ein Signal eine Sekunde für den Übergang von der hohen zur niedrigen und zurück zur hohen Amplitude, dann ist die Frequenz (f) der Welle eine Sekunde bzw. ein Hertz (Hz)

PM (Phasenmodulation): Die Phase eines Signals bezieht sich auf den relativen Stand eines Signals zu Beginn der Zeitmessung. Die Phase eines Signals wird in Grad (°) gemessen.

Aktueller Status (current state) in der analogen Signalisierung Die am häufigsten eingesetzten Methoden zur Messung des aktuellen Status verwenden unterschiedliche Signalamplituden – oder Frequenzen um Daten darzustellen. Analoge Signalverschlüsselungsmethoden sind: · Amplitudenverschiebung (ASK- Amplitude Shift Keying) siehe Abb.ASK · Frequenzverschiebung (FSK- Frequency Shift Keying) siehe Abb.FSK Netzwerkgeräte, die analoge Signalisierung benutzen, messen periodisch die Amplitude oder die Frequenz des Signals oder beides gleichzeitig.

Vor / Nachteile der analogen Signalisierung

Vorteile:
Weniger Dämpfung bei Digitalen Signalen über vergleichbare Entfernung
Ermöglicht Multiplexen, was die Ausnutzung des Mediums maximiert

Nachteile:
Mehr Fehler durch Rauschen und Interferenzen als bei digitaler Signalisierung