Warum eigentlich digital? Über den Unterschied zwischen analogen und digitalen Systemen

Gewöhnlicherweise wird analoge und digitale Technik als etwas Grundverschiedenes wahrgenommen. Aber die beiden technischen Ansätze sind nicht unvergleichbar. Sie sind nämlich beide einem Phänomen unterworfen, das wir als Informationwesen nicht brauchen können: dem Rauschen. Ihr Unterschied besteht in der Art und Weise, wie sie damit umgehen.

Wir haben im Verlauf der Evolution verschiedene Apparate erfunden, die Informationen weitergeben: Telefone, Radios, Fernseher, Computer etc. Diese kann man einfach als Nachrichtenkanäle ansehen mit einem Ein- und einem Ausgang. Ihre Aufgabe ist, die Eingangsinformation möglichst ohne Einflüsse anderer Signalquellen, seien sie extern oder intern, auf eine möglichst vorhersehbare Weise zu verarbeiten und zum Ausgang weiterzureichen.

Einige Jahrzehnte lang war Signalverarbeitung weitgehend analog. Radio und Fernsehen war analog. Der Rechenstab war analog. Die Analogtechnik hat ein sehr hohes Niveau erreicht. Ich denke zum Beispiel an Analogrechner zur Lösung von Differentialgleichungen, im Militär dann auch Feuerleitrechner für Geschosse aller Art.

Aber das digitale Prinzip ist in der menschlichen Kultur immer bereits vorhanden gewesen. Sprache ist ihrem Wesen nach digital. Ein Brief ist eine digitale Nachricht! Dementsprechend waren Textübermittlungssysteme bereits früh digital – z.B. der Telegraph.

Wenn wir kontinuierliche Signale digital weiterverarbeiten wollen bezahlen wir an mehreren Stellen eine Preis:

  • Bei der Digitalisierung kann man ein Eingangssignal nicht genauer als ein vorgegebenes Intervall umwandeln, man baut also von vornherein einen Unsicherheitsbereich ein.
  • Bei der Verarbeitung muss die Spannung sich erheblich schneller ändern als bei der analogen Abbildung der Eingangsinformation, stellt also höhere Anforderungen an die Geschwindigkeit der Elektronik.
  • Durch die Aufspaltung in viele Bits brauchen wir entsprechend viele aktive Elemente.

Wie wir wissen wurden diese Schwierigkeiten überwunden.

Nach der Digitalisierung, in der weiteren Verarbeitung, schlägt die Stärke des digitalen Prinzips voll durch: In der Analogtechnik verbleibt jeder Fehlereinfluss im Signal. Jede Teiloperation fügt etwas zum Fehler hinzu. So ist es sehr aufwändig, komplexe Operationen mit großer Genauigkeit durchzuführen. Die Digitaltechnik hat jedoch zwei eingebaute Mechanismen zur Fehlerbeseitigung:

  1. Ein Eingangswert, der innerhalb eines Intervalls um den Idealwert liegt, wird durch den Schaltkreis auf diesen zurückgeführt. Gebe ich in ein logisches Gatter statt 5V nur 3,5V Eingangsspannung hinein, kommen trotzdem richtig glatte 5V oder glatte 0V heraus.
  2. Dennoch können Bits kippen, wenn die Störungen größer sind als dieses Attraktionsintervall. Deshalb gibt es Fehlerkorrektursysteme, die Gruppen von Bits wiederherstellen können, solange diese sich innerhalb eines “digitalen Attraktionsintervalls” befinden, d.h. solange nicht mehr als eine bestimmte Anzahl von Bits der Gruppe gekippt sind.

Das Grundprinzip des Digitalen ist die Wiederstellung eines Idealzustandes, solange das System sich innerhalb eines “Attraktionsbereiches” um diesen Zustand bewegt.

Die von Außen in den Signalweg hereinkommende Entropie kann (fast) immer wieder herausgeschaufelt werden, natürlich unter entsprechender Vergrößerung der Entropie außerhalb.

Diese Stabilisierung wird erkauft – beziehungsweise ist äquivalent – mit der Reduktion des Systemraums auf eine endliche Anzahl von Teilzuständen.

Interessanterweise hat die biologische Evolution dasselbe Prinzip in unseren Zellkernen verwirklicht, nämlich in der Speicherung, Replikation und Reparatur der Information in der DNA. Durch die Verdopplung der Helix und gewisse Regeln können Reparaturmoleküle Fehler erkennen und beseitigen. Stabiles Leben wäre ohne fehlerarme Replikation nicht denkbar. Diese ist ein Urbedürfnis, wenn nicht das Urbedürfnis überhaupt des Lebens.

In gewissem Sinne ist also die Entwicklung der Digitaltechnik der Entwicklung des Lebens aus der Ursuppe analog.

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