Digitalisierung

Zusammenfassung

In der Informationsgesellschaft unserer Tage spielt die Möglichkeit Nachrichten in digitaler Form zu verarbeiten eine wichtige Rolle. Die Digitalisierung beruht auf der Technik analoge Signale in digitale umzuwandeln. Es werden dazu sogenannte Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) eingesetzt. Mit Hilfe von Sensoren werden physikalische Größen in elektrische Signale umgewandelt, die dann durch den A/D-Wandler in digitale (konkrete elektrische) Signale konvertiert werden. So stehen sie der weiteren Verarbeitung z.B. mit Einsatz von Computern zur Verfügung.
Durch die heutzutage relativ einfache Realisierung der Digitalisierung von Informationen und die weite Verbreitung des Computers, ist die elektronische Verarbeitung von Daten weit in unser gesellschaftliches Leben vorgedrungen und nicht mehr aus unserer Gegenwart wegzudenken. Die Konsequenzen die sich aus dieser Entwicklung ergeben und die Richtung in die sie sich fortsetzt, kann noch nicht überblickt werden. Das diese Entwicklung hin zu einer technisch orientierten Gesellschaft ein enormes Potential hinsichtlich neuer Kommunikationsarten und moderner Arbeitstechniken darstellt, aber auch im selben Masse Schattenseiten mit sich bringen kann, muß uns allen bewußt sein, wenn wir in das nächste Jahrtausend blicken.

1 Einleitung

Die Digitalisierung spielt in unseren heutigen Leben eine immer größere Rolle. Ohne die Möglichkeit Informationen Digital zu speichern könnte eine Gesellschaft wie die unsrige heute nicht mehr existieren. Zu viele Bereiche des modernen Lebens sind nicht mehr denkbar ohne die Hilfe von Systemen die Daten digital verarbeiten. Stellen Sie sich z.B. eine Bank vor, die ihre gesamten Geschäfte mit Karteien und der 'gelben' Post abwickeln müßte. Ein anderes Beispiel ist die Datenerfassung bei komplexen Abläufen die überwacht werden müssen. Wie diese Umwandlung von analogen Größen in digitale stattfindet, welche Verfahren und Komponenten dazu notwendig sind werden im Folgenden beschrieben. Des weiteren wird die Auswirkung der steigenden Anwendung digitaler Mittel auf die Gesellschaft untersucht.

2 Technik der Digitalisierung

Die Welt wie sie um uns herum existiert, besteht aus kontinuierlich verlaufenden Ereignissen. Soll diese Welt der 'fließenden' Objekte mit der Hilfe von technischen Mitteln abgebildet werden, damit die gewonnenen Daten weiterverarbeitet werden können, müssen sogenannte Digitalisierer eingesetzt werden.
Digitalisierung ist die Umwandlung von analogen Größen in digitale Größen.

2.1 Erfassung

In der Steuer- und Regeltechnik ist es z.B. wichtig die physikalischen Größen Temperatur oder Helligkeit zu erfassen, auszuwerten und je nach Bedarf darauf zu reagieren. Anderswo kann es wichtig sein akustische oder visuelle Wahrnehmungen dauerhaft zu speichern, um sie mit geeigneten Mitteln weiterzuverarbeiten.
Alle diese analogen Größen wie Temperatur, Helligkeit, Ton oder Bild, mögen sie noch so unterschiedlich sein, werden immer mit der gleichen Methode digitalisiert.
Die physikalische Größe wird mit geeigneten Sensoren in eine Spannungsänderung umgewandelt. Sensoren sind Meßfühler, die in der Lage sind physikalische Größen in ein elektrischen Signal umzusetzen. Man spricht auch von Meßaufnehmern, Meßumformern, Meßwertgebern oder Transducern. Die eigentliche Digitalisierung geschieht erst jetzt, mit sogenannten Analog/Digital-Wandlern (A/D-Wandler), die die vom Sensor gelieferten Spannungen digitalisieren, also in Bitmuster umsetzen, so daß diese von Rechnern zur Weiterverarbeitung aufgenommen werden können.
Je nach der physikalischen Größe, die digitalisiert werden soll, wird ein entsprechender Sensor benötigt. Einige Beispiele:

physikalische Größe                   Sensor 
Temperatur               --          Teperaturfühler 
Helligkeit               --          Fotowiderstand
Ton                      --          Mikrofon
Bild                     --          Tototransistoren (ähnlich wie bei Helligkeit)

Ist die zu digitalisierende Größe durch einen Sensor in eine Spannungsänderung Umgewandelt, so ist die folgende Prozedur der Digitalisierung immer die selbe.

2.2 Umwandlung analog - digital

Die von Sensoren gelieferte Spannung, wird nun dem A/D Wandler zugeführt. Anhand eines Musikdigitalisierers, wir sie jetzt in den meisten PCs (Soundkarte) vorzufinden sind, möchte ich die Umwandlung des analog Signals in das digitale Signal beschreiben. Die Musik die letztlich aus Frequenzen (Spannungsänderungen) besteht, wird dem Digitalisierer zugeführt, und mit einer bestimmten 'Rasterung ' abgetastet. Die Rasterung ist die Schrittweite der Stützstellen der Abtastung (siehe Abb. 1). Sie wird bei Musik auch Samplerate genannt und ist nichts anderes als eine Feste Frequenz, bei der in genau diesen Zeitpunkten die am A/D Wandler-Eingang anligende Spannungswerte in ein Bitmuster umgewandelt werden. Je geringer der Abstand der Rasterung ist (je höher die Abtastfrequenz) desto genauer wird das analoge Eingangssignal abgetastet und kann somit auch genauer Reproduziert werden. Die Rasterung muß aber nicht wie bei Musik von einer Abtastfrquenz abhängig (zeitliche Abhängigkeit) sein. Bei Bilddigitalisierern ist die Rasterung von dem zurückgelegten Weg des Scannerkopfes abhängig (räumliche Abhängigkeit), so daß z.B. alle 1/10 mm einmal der analoge Farbwert umgewandelt wird.

Die Rasterung ist aber nur ein Kriterium der Umwandlung. Für die Digitalisierung benötigt man noch die sogenannte Quantelung. Die Quantelung wird auch als Auflösung bezeichnet, mit wie vielen Bits das analoge Signal umgewandelt wird. Durch die Quantisierung wird der kontinuierliche Wertebereich des analogen Signals in eine endliche Anzahl, meist gleicher Teilbereiche, die Quanten, unterteilt. Einem bestimmten Signalwert entspricht immer eine bestimmte Anzahl dieser Quanten. Diese Zahl der Quanten die einem Signalwert zu einem bestimmten Zeitpunkt (zurückgelegter Strecke) entsprechen, ist dann der digitale Wert des analogen Signals.
Um Digitalisierungen in einer Qualität zu erzeugen, damit das analoge Signal wieder rekonstruiert werden kann, ist es notwendig, das Signal mit einer Rate abzutasten, die das doppelte seiner höchsten Frequenzkomponente beträgt. Bei einer CD beträgt die Rasterung 44 kHz und die Quantelung wird mit 16 Bits durchgeführt. Dies bedeutet, in einer Sekunde wird das Musiksignal 44000 mal abgetastet und jedes mal wird es in eine 16 Bit lange Zahl umgewandelt. Die Abtastrate von 44 kHz ergibt sich folglich daraus, daß der Mensch Töne bis etwas über 22 kHz wahrnehmen kann. Ein Signal, das mit solchen Abtastraten (ohne Komprimierungstechniken) drei Minute digitalisiert werden würde, benötigte einen Speicheraufwand von über 15 MByte !
Es wird bei solchen Zahlen schnell deutlich, daß bei der Digitalisierung enorme Datenmengen anfallen können, die auch in der entsprechenden Geschwindigkeit gespeichert oder weiterverarbeitet werden müssen. Deswegen hängt die Qualität heute noch von der Entwicklung schneller (und preisgünstiger) Rechner ab, die mit solchen Datenmengen umgehen können.

2.3 Fehler bei der Digitalisierung

Es treten durch die Wandlung von analogen zu digitalen Werten immer Fehler auf. Je nach Qualität des Digitalisierers machen sie sich mehr oder weniger bemerkbar.
Die erste Fehlerquelle liegt bei dem Sensor. Lineare Sensoren, die eine Spannungsänderung hervorrufen, die im selben Verhältnis steht, wie die zu messende Größe, sind meist teuer, da sie die erforderlichen Linearisierungselemente bereits enthalten. Nichtlineare Sensoren dagegen können vergleichsweise preisgünstig erstanden werden. Bei ihnen müssen die fehlerhaften Meßwerte mit Hilfe zusätzlicher elektronischer Schaltungen oder über die eingesetzte Software korrigiert werden.
Die Temperaturabhängigkeit aller verwendeten Bauteile trägt des weiteren dazu bei, daß die Ungenauigkeit der Umwandlung erhöht wird. Diese Fehler werden meist mit einer elektronischen Temperaturkompensation in gewissen Grenzen eingeschränkt.
Da der Wandler die unendliche Vielfalt (ein Kontinuum) von Eingangswerten, einer endlichen Anzahl von diskreten Ausgangswerten zuordnet, entsteht zwangsläufig ein Datenverlust der Quantisierungsfehler genannt wird. Dieser Fehler wird durch Verwendung eines Wandlers mit einer höheren Auflösung minimiert.
Ähnlich dem Quantisierungfehler ist der Fehler durch die Rasterung, da auch hier nur endlich viele Abtaststellen möglich sind, bei denen der Wert der analogen Größe in die digitalen Signale umgewandelt wird. Eine Verbesserung der Qualität erreicht man hier, durch eine Verringerung des Rasterabstandes.

Die Erhöhung der Anzahl der Bits bei der Quantelung und/oder die Verringerung der Rasterabstände bewirkt aber, daß die Datenmenge die ausgewertet werden muß, um ein vielfaches gegenüber dem Ursprünglichen ansteigt.

3 Eigenschaften digitaler Daten

Bisher wurde die technische Seite der Digitalisierung beschrieben. Nun betrachten wir einmal den Nutzen aber auch die Nachteile, die mit dem Umgang digitaler Informationen, wie sie auch häufig in der Arbeitswelt vorkommen, entstehen.

3.1 digitale Welt, heile Welt !

Sind Daten erst einmal digital gespeichert, dann liegt ihr erster Vorteil darin, daß sie ohne Beschränkungen mit nur einem geringen technischen Aufwand kopiert werden können. Des weiteren kommt hinzu, daß bei dem Kopiervorgang kein Qualitätsverlust stattfindet, wie es bei herkömmlichen Kopierverfahren geschieht. Wird Musik, Film, Dokumente usw. digital hergestellt, sind alle Duplikate identisch und könne beliebig oft vervielfältigt werden.
Da die Speicherungen in festgelegten Normen geschieht, können durch eine Vielfalt an Anwendungssoftware die Daten leicht weiterverarbeitet und nach eigenen Wünschen manipuliert werden. Somit ist eine Grundlage geschaffen worden, auf der viele Tätigkeiten auf einfache weise ausgeführt werden können.
Hinzu kommt der fortschreitende Ausbau von Datennetzen. Diese Datennetze, die einzelne Computer miteinander verbinden, so daß diese untereinander Informationen austauschen können, bilden einen Multiplikator der Vielfältigkeit, die ohnehin schon mit der digitalen Technik möglich ist. Dadurch entstehen einfachste Zugriffsmöglichkeiten auf Datenbestände, die ohne diese Mittel nicht oder nur schwer erreichbar gewesen sind. Die schnelle Verfügbarkeit von Daten, und auch die Möglichkeit Nachrichten schneller zu versenden als dies bisher der Fall war, ist in der Arbeitswelt bei eine Anzahl von Firmen nicht mehr wegzudenken.
Auch in privaten Haushalten steigt die Bereitschaft digitale Medien zu benützen, wie es z.B. an der steigenden Zahl von Homebankern oder auch die steig wachsende Gemeinde der Internet Benutzer zeigt.
Viele Vorteile erhalten wir durch den Umgang mit digitalisierten Informationen. Es darf dabei aber nicht übersehen werden, daß damit auch Einschränkungen und Nachteile verbunden sind.

3.2 digitale Welt heile Welt ?

Wenn wir uns die Entwicklung des Computers in den letzten 10 Jahren betrachten, stellen wir vor allem die enorme Leistungssteigerung bei den Geräte fest. Damals waren Leistungsdaten wie sie heute ein PC aufweisen kann, nur bei Großrechnern vorzufinden. Das gleiche gilt aber auch für die verwendeten Datenträgersysteme. Nachdem sich die Form der digitalen Datenspeicherung als effizientere Lösung anbot, als die herkömmliche Methode mit Akten und Dateien, stellten viele Archive auf das neue Medium um. Was aber nicht einkalkuliert wurde, war der rasante technische Fortschritt. So sahen (und sehen) sich viele Archive vor dem Problem, ihren gesamten Datenbestand auf veralteten Datenträgern gespeichert zu haben. Falls ein moderneres System angeschafft werden soll, müssen nun alle Daten erst auf die neuen Datenträger umkopiert werden. Dies bedeutet aber einen immensen Mehraufwand.
Ein viel allgemeineres Problem stellt die Tatsache da, daß wir um digital gespeicherte Informationen lesen zu können immer ein Elektronisches Gerät benötigen. Nehmen wir im Vergleich dazu ein Buch. Es kann schon hunderte Jahre alt sein, trotzdem können wir es noch lesen. Ein Buch kann man mitnehmen wohin man will. Wenn man es weitergibt, so können die Daten in dem Buch auch von seinem neuen Besitzer ohne 'Kompatibilitätsprobleme' gelesen werden. Ein Computer hingegen benötigt Strom. Des weiteren ist nicht sichergestellt, ob Daten die auf einem Computer erstellt worden sind, aufgrund anderer Systemeigenschaften, auch auf anderen Rechnern weiterverarbeitet werden können. Sind Computer mit verschiedenen Systemvoraussetzungen durch ein Computernetz verbunden, tritt dieses Problem besonders häufig auf.
Es gibt seit einiger Zeit einen Trend hin zur dezentralen Verarbeitung von Daten mit Hilfe solcher Netze. Komplexe Aufgaben werden durch ein Verbund von kleinen Rechnereinheiten erledigt. Wie oben erwähnt, kann so eine Möglichkeit geschaffen werden, auf einen enormen Datenschatz zugreifen zu können. Die Praxis zeigt uns andererseits auch welche Schwierigkeiten sich mit einer solchen Datenflut ergeben können. Schnell entsteht ein Datendschungel. Unsystematisches Speichern führt zum Verlust von vielen Informationen, da die Daten nicht mehr gefunden werden können. Das führt soweit, daß schon Leute beschäftigt werden, die nichts anderes tun, als durch Computernetze zu streifen und Informationen ausfindig zu machen.
Eine starke Seite von Computern ist das Sammeln, Sortieren und Bearbeiten von Daten. Wenn es sich bei den Daten um private Informationen handelt, stößt deren Verarbeitung schnell an die Privatsphäre des Einzelnen. Sie haben wahrscheinlich auch schon die Erfahrung gemacht, wenn Sie jemals etwas aus einem Katalog gekauft oder mit einem Coupon bestellt haben, bekommen Sie bald darauf nicht nur von dieser Firma weitere Werbung, sondern auch von anderen Firmen mit ähnlichen Angebot.
Bei Kreditkartenzahlungen, Versandhausbestellungen und Zeitschriftenabonnements fallen eine Menge Daten an, die sehr aufschlußreich über das Kundenverhalten sind. Es ist ein regelrechter Markt entstanden, der je nach Auftraggeber, geeignete Adressenlisten erstellt. So harmlos das bei Werbung noch für manche klingen mag, so gravierend wird der Aspekt des Datenmißbrauchs wenn man sich vorstellt, daß jede E-mail oder Bankaktion die mit Hilfe von T-Online (BTX) gemacht werden, in irgendwelchen Rechnern gespeichert werden und somit auch manipulierbar sind.
Das Für und Wider der fortschreitenden Digitalisierung in unserer Gesellschaft ist ein umfangreiches Themengebiet. Eine genauere Untersuchung würde weit über den Rahmen dieser Arbeit hinausgehen.

4 Blick auf eine neue Gesellschaft

Ob wir es nun wollen oder nicht, die digitale Welt ist die Welt von morgen. Immer öfter begegnet uns der Computer ob Zuhause, in der Arbeit oder bei der Interaktion und Kommunikation mit unserer Umwelt. Der jeweils heranwachsenden Generation wird immer umfassender den Weg in das Informationszeitalter beschreiten.
In jedem Haushalt wird es in Zukunft ein Gerät geben, daß an ein großes Datennetz angeschlossen ist. Damit wird es möglich sein sich jegliche Art von Information zu beschaffen, Einkäufe zu erledigen oder sich einfach mit jemanden zu unterhalten. Die strickte Trennung der heutigen Medien und Kommunikationsmittel wird immer mehr verschwinden. Heute schon hebt Hypertext die Grenzen der gedruckten Seite auf. Dadurch wird es möglich, nicht nur eine allgemeine Abhandlung oder einen speziellen Aspekt eines Themas zu ergründen, wie es bei einem Buch oder einer Zeitung der Fall ist. Es wird einem die Möglichkeit geboten beides gleichzeitig zu haben. Die Grenzen des Raumes werden damit überwunden. Es spielt keine Rolle mehr wo sich die Informationen befinden, da sie mit Lichtgeschwindigkeit von jedem beliebigen Ort, zu sich gerufen werden können.
In der Arbeitswelt wird sich diese Entwicklung auch weiter durchsetzen. Für jene Berufstätigen die sowieso den ganzen Tag vor dem Computer verbringen spielt es keine Rolle ob sie zu der Arbeit in die Firma fahren oder ob sie die Arbeit von Zuhause (oder einem anderen Ort) erledigen.
Die wichtigste Voraussetzung, um dies alles verwirklichen zu können ist eine weit bessere Verbindung der Computer untereinander und ein stetiger Ausbau der Computernetze.

Literaturverzeichnis

Borucki, Lorenz
Grundlagen der Digitaltechnik
B.G. Teubner Verlag Stuttgart
2. Auflage 1985

Eckl, Pütgens, Walter
A/D- und D/A-Wandler
Franzis Verlag
München 1988

Goodman, Danny
Mythos Information Highway
Midas Verlag
St. Gallen, Zürich 1995

Negroponte, Nicholas
Total Digital
C. Bertelsmann Verlag GmbH
2. Auflage, München 1995