ANALOG-DIGITAL CONVERSION

Derzeit schaut es so aus, als ob die Welt sich in zwei Teile spalten würde. In die alte, auch als „analog“ bezeichnete, und in die neue „digitale“ Welt. Letztere beschreibt Systeme, die sich durch zwei Zustände bestimmen lassen. Mit den binären Ausdrücken 0 und 1 lässt sich nahezu alles beschreiben, insbesondere durch einfache Logik. Auch wenn man heute von Information spricht, meint man fast ausschließlich digitale Information. Diese liegt dann sehr präzise vor. Man kann sie weiterverarbeiten, komplizierte Berechnungen anstellen und sehr gut speichern.

Der Begriff des Analogen wird verwendet, um ein System zu beschreiben das weich, warm und verlaufend ist. Das Wort selber wird missbräuchlich verwendet. Eine Analogie beschreibt eine Situation, die gleich oder sehr ähnlich einer bereits erfahrenen Situation verläuft. Wenn beispielsweise jemand bei seinen Entscheidungen weniger erfolgreich und trotzdem glücklich ist, wird gerne die Analogie von „Hans im Glück“ verwendet. Warum nun das Analoge als Gegenpol zum Digitalen gesehen wird, liegt an der Entwicklung von elektronischen Geräten. Erste Temperaturmesser wurden mittels temperaturabhängiger Widerstände konstruiert. Dabei hat sich der elektrische Widerstand analog zur Umgebungstemperatur verändert. Ähnliche Geräte wurden dann für Druck, Geschwindigkeit, Helligkeit, usw. entwickelt.

In all diesen Anwendungen gibt es Bauteile, die sich analog zur messenden Größe veränderten. Die zu messenden Größen haben alle eine gemeinsame Eigenschaft und das ist deren „Stetigkeit“. Temperaturen, Druck, Feuchtigkeit, usw. verändern sich ja nicht sprunghaft, sondern bewegen sich stetig einmal schneller, einmal langsamer, auf und ab.

Die Umweltgrößen sind demzufolge einem stetigen Wandel unterworfen.

Lebewesen, die einen evolutionären Prozess durchlaufen, müssen auf Umweltveränderungen so schnell als möglich reagieren. Dazu brauchen sie eine Sensorik mit der sie die jeweils aktuellen Zustände erfassen können. Wie schon angeführt, ist Temperatur eine überlebenswichtige Bedingung. Bei höher entwickelten Wesen kommt noch Hören und Sehen dazu. Beispielsweise hat der Mensch dafür eine Cochlea und eine Retina.

Aus physikalischer Sicht gibt es vier Kräfte die auf uns einwirken. Das sind: elektromagnetische Strahlung, Gravitation sowie starke und schwache Kernkraft. Manches Mal wird Kernkraft als Teil des Elektromagnetismus gesehen – dann bleiben nur zwei Urkräfte übrig. Wie man neuesten Forschungsberichten entnehmen konnte, breitet sich Gravitation auch wellenförmig aus. Damit reduziert sich alles auf Schwingungen, Frequenzen und Wellen. Wenn man es nicht genauer wüsste, würde man diese nun als analog bezeichnen. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine stetige Veränderung im Rhythmus und in der Amplitude einer Schwingung.

Wir kennen verschiedenste Arten von Schwingungen. Unter anderem gehört die Druckwelle, wie sie durch Erdbeben und durch Sprache erzeugt wird, genauso dazu wie die elektromagnetische Welle von der Wärmestrahlung bis zur Radioaktivität. Licht ist deshalb eine ganz besondere Form der elektromagnetischen Wellen, weil sie für Lebewesen sichtbar ist. Es gibt also eine Frequenz zwischen 400 und 700 nm Wellenlänge, welche die Sensoren der Retina stimuliert. Je nach Frequenz sehen wir zwischen Violett und Rot. Man könnte sich jetzt die Frage stellen, wie viele Rottöne gibt es denn eigentlich? Für diese Frage kann man zwei Antworten bekommen: 1. Es gibt unendlich viele; 2. Es gibt nur Abstufungen und diese sind begrenzt.

Ein Ausschnitt des roten Lichtes wäre dann beispielsweise von 720 und 721 nm. Wie viele Abstufungen gibt es nun zwischen diesen beiden Werten?

Nach mathematisch, logischer Überlegung gibt es zwischen 720 und 721 nm unendlich viele Zahlenwerte und somit unendlich viele Rottöne. Im generellen haben physikalische Größen mit stetigem Verlauf immer unendlich viele Ausprägungen.

Wenn wir nun „stetige Information“ in digitale umwandeln möchten, braucht es dazu ein zweistufiges Gerät. Als Erstes müssen die Messwerte analog dem physischen Verlauf aufgenommen werden und diese dann im zweiten Schritt auf digital konvertiert werden. Der analog-digital Konverter spielt dabei eine große Rolle. Beim Konvertierungsprozess an sich haben die Auflösung und die Abtastrate eine wichtige Rolle. Ob nun ein analoger Wert in 16, 32 oder 64 Bit aufgelöst wird, beschreibt die Amplitudengenauigkeit. Je höher die Frequenz, umso höher muss auch die Abtastrate sein, um eine möglichst naturgetreue digitale Auflösung zur gewährleisten. Eines ist damit klar, je höher die Auflösung und die Abtastrate, desto mehr binäre Information und damit verbundene Prozessorleistung, Speicherkapazität und Übertragungsraten sind notwendig.

Wenn man nun die Natur, so wie sie ist, zur Gänze digital nachbilden möchte, braucht man Energie wie sie das ganze Universum bereitstellt und die gesamte Materie als Speicher. Aus rein physikalischer Sicht muss man daher davon ausgehen, dass Digitalisierung sehr viel Energie und Materie verbrauchen wird. Der derzeitig geringe Digitalisierungsgrad täuscht darüber noch hinweg. Erste Anzeichen gibt es trotzdem schon, dass sind die Mining-Farms die zur Berechnung der Kryptowährung verwendet werden. Diese verbrauchen bereits äquivalent so viel Strom wie 120 Länder. Digitalisierung wird demzufolge auch eine Frage großer Energiemengen sein.