Digitale Daten - Digital data

Digitale Uhr . Die Zeit, die von den Ziffern auf dem Gesicht zu jedem Zeitpunkt angezeigt wird, ist digitale Daten. Die tatsächliche genaue Zeit sind analoge Daten.

Digitale Daten sind in der Informationstheorie und in Informationssystemen Informationen, die als eine Kette von diskreten Symbolen dargestellt werden, von denen jedes einen von nur einer endlichen Anzahl von Werten aus einem Alphabet annehmen kann , wie zum Beispiel Buchstaben oder Ziffern . Ein Beispiel ist ein Textdokument , das aus einer Folge alphanumerischer Zeichen besteht . Die gebräuchlichste Form digitaler Daten in modernen Informationssystemen sind Binärdaten , die durch eine Folge von Binärziffern (Bits) dargestellt werden, von denen jede einen von zwei Werten haben kann, entweder 0 oder 1.

Digitale Daten können analogen Daten gegenübergestellt werden , die durch einen Wert aus einem kontinuierlichen Bereich reeller Zahlen dargestellt werden . Analoge Daten werden durch ein analoges Signal übertragen , das nicht nur kontinuierliche Werte annimmt, sondern sich mit der Zeit kontinuierlich ändern kann, eine kontinuierliche reellwertige Funktion der Zeit. Ein Beispiel ist die Luftdruckänderung in einer Schallwelle .

Das Wort digital stammt aus derselben Quelle wie die Wörter digit und digitus (das lateinische Wort für Finger ), da Finger oft zum Zählen verwendet werden. Der Mathematiker George Stibitz von den Bell Telephone Laboratories verwendete das Wort digital in Bezug auf die schnellen elektrischen Impulse, die 1942 von einem Gerät ausgesandt wurden, das zum Zielen und Abfeuern von Flugabwehrgeschützen entwickelt wurde. Der Begriff wird am häufigsten in der Computer- und Elektronikbranche verwendet , insbesondere in der realen Welt Informationen werden in binäre numerische Form umgewandelt, wie bei digitalem Audio und digitaler Fotografie .

Symbol-zu-Digital-Umwandlung

Da Symbole (zum Beispiel alphanumerische Zeichen ) nicht fortlaufend sind, ist die digitale Darstellung von Symbolen eher einfacher als die Umwandlung von fortlaufenden oder analogen Informationen in digitale. Anstelle von Abtastung und Quantisierung wie bei der Analog-Digital-Wandlung werden Techniken wie Polling und Codierung verwendet.

Ein Symboleingabegerät besteht normalerweise aus einer Gruppe von Schaltern, die in regelmäßigen Abständen abgefragt werden, um zu sehen, welche Schalter geschaltet sind. Daten gehen verloren, wenn innerhalb eines einzigen Abfrageintervalls zwei Schalter gedrückt werden oder ein Schalter gedrückt, losgelassen und erneut gedrückt wird. Diese Abfrage kann von einem spezialisierten Prozessor im Gerät durchgeführt werden, um eine Belastung der Haupt- CPU zu vermeiden . Wenn ein neues Symbol eingegeben wurde, sendet das Gerät normalerweise einen Interrupt in einem speziellen Format, damit die CPU es lesen kann.

Bei Geräten mit nur wenigen Schaltern (wie den Tasten auf einem Joystick ) kann der Status jedes einzelnen als Bit (normalerweise 0 für losgelassen und 1 für gedrückt) in einem einzigen Wort codiert werden. Dies ist nützlich, wenn Tastenkombinationen sinnvoll sind, und wird manchmal verwendet, um den Status von Modifikatortasten auf einer Tastatur (wie Umschalt und Strg) zu übergeben. Es wird jedoch nicht skaliert, um mehr Schlüssel zu unterstützen als die Anzahl der Bits in einem einzelnen Byte oder Wort.

Geräte mit vielen Schaltern (wie eine Computertastatur ) ordnen diese Schalter üblicherweise in einer Scanmatrix an, wobei die einzelnen Schalter an den Schnittpunkten von x- und y-Linien liegen. Wenn ein Schalter gedrückt wird, verbindet er die entsprechenden x- und y-Leitungen miteinander. Das Abfragen (in diesem Fall oft als Abtasten bezeichnet) erfolgt, indem jede x-Zeile nacheinander aktiviert und erkannt wird, welche y-Zeilen dann ein Signal haben , also welche Tasten gedrückt werden. Wenn der Tastaturprozessor erkennt, dass eine Taste den Zustand geändert hat, sendet er ein Signal an die CPU, das den Abtastcode der Taste und ihren neuen Zustand anzeigt. Das Symbol wird dann basierend auf dem Status der Modifikatortasten und der gewünschten Zeichencodierung codiert oder in eine Zahl umgewandelt .

Eine benutzerdefinierte Codierung kann für eine bestimmte Anwendung ohne Datenverlust verwendet werden. Die Verwendung einer Standardcodierung wie ASCII ist jedoch problematisch, wenn ein Symbol wie 'ß' konvertiert werden muss, aber nicht im Standard enthalten ist.

Es wird geschätzt, dass 1986 weniger als 1 % der weltweiten technologischen Kapazität zur Speicherung von Informationen digital war, und 2007 waren es bereits 94 %. Das Jahr 2002 gilt als das Jahr, in dem die Menschheit mehr Informationen digital als analog speichern konnte (der „Anfang des digitalen Zeitalters “).

Zustände

Digitale Daten kommen in diesen drei Zuständen vor: ruhende Daten , übertragene Daten und verwendete Daten . Die Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit müssen während des gesamten Lebenszyklus von der „Geburt“ bis zur Vernichtung der Daten gewährleistet sein.

Eigenschaften digitaler Informationen

Alle digitalen Informationen besitzen gemeinsame Eigenschaften, die sie hinsichtlich der Kommunikation von analogen Daten unterscheiden:

• Synchronisation: Da digitale Informationen durch die Reihenfolge transportiert werden, in der Symbole geordnet sind, haben alle digitalen Schemata ein Verfahren zum Bestimmen des Beginns einer Sequenz. In geschriebenen oder gesprochenen menschlichen Sprachen wird die Synchronisation normalerweise durch Pausen (Leerzeichen), Groß- und Kleinschreibung und Satzzeichen bereitgestellt . Die Maschinenkommunikation verwendet normalerweise spezielle Synchronisationssequenzen .
• Sprache: Jede digitale Kommunikation erfordert eine formale Sprache , die in diesem Zusammenhang aus allen Informationen besteht, die Sender und Empfänger der digitalen Kommunikation im Voraus besitzen müssen, damit die Kommunikation erfolgreich ist. Sprachen sind im Allgemeinen willkürlich und spezifizieren die Bedeutung, die bestimmten Symbolfolgen zuzuordnen ist, den zulässigen Wertebereich, die zur Synchronisation zu verwendenden Methoden usw.
• Fehler: Störungen ( Rauschen ) in der analogen Kommunikation führen unweigerlich zu einigen, im Allgemeinen kleinen Abweichungen oder Fehlern zwischen der beabsichtigten und der tatsächlichen Kommunikation. Störungen in der digitalen Kommunikation führen nicht zu Fehlern, es sei denn, die Störung ist so groß, dass ein Symbol als ein anderes Symbol fehlinterpretiert wird oder die Folge von Symbolen stört. Daher ist im Allgemeinen eine völlig fehlerfreie digitale Kommunikation möglich. Ferner können Techniken wie Prüfcodes verwendet werden, um Fehler zu erkennen und fehlerfreie Kommunikationen durch Redundanz oder erneute Übertragung zu garantieren. Fehler bei der digitalen Kommunikation können die Form von Substitutionsfehlern annehmen , bei denen ein Symbol durch ein anderes Symbol ersetzt wird, oder Einfügungs-/Löschfehlern , bei denen ein zusätzliches falsches Symbol in eine digitale Nachricht eingefügt oder daraus gelöscht wird. Unkorrigierte Fehler in der digitalen Kommunikation haben einen unvorhersehbaren und im Allgemeinen großen Einfluss auf den Informationsgehalt der Kommunikation.
• Kopieren : Aufgrund des unvermeidlichen Vorhandenseins von Rauschen ist es unmöglich, viele aufeinanderfolgende Kopien einer analogen Kommunikation zu erstellen, da jede Generation das Rauschen erhöht. Da digitale Kommunikation im Allgemeinen fehlerfrei ist, können Kopien von Kopien auf unbestimmte Zeit erstellt werden.
• Granularität : Die digitale Darstellung eines kontinuierlich variablen Analogwerts beinhaltet typischerweise eine Auswahl der Anzahl von Symbolen, die diesem Wert zugewiesen werden. Die Anzahl der Symbole bestimmt die Genauigkeit oder Auflösung des resultierenden Datums. Die Differenz zwischen dem tatsächlichen Analogwert und der digitalen Darstellung wird als Quantisierungsfehler bezeichnet . Wenn die tatsächliche Temperatur beispielsweise 23,234456544453 Grad beträgt, diesem Parameter jedoch in einer bestimmten digitalen Darstellung nur zwei Ziffern (23) zugewiesen sind, beträgt der Quantisierungsfehler: 0,234456544453. Diese Eigenschaft der digitalen Kommunikation wird als Granularität bezeichnet .
• Komprimierbar : Laut Miller "sind unkomprimierte digitale Daten sehr groß, und in ihrer Rohform würden sie tatsächlich ein größeres Signal erzeugen (und daher schwieriger zu übertragen) als analoge Daten. Digitale Daten können jedoch komprimiert werden benötigte Bandbreite zum Senden von Informationen. Daten können komprimiert, gesendet und am Ort des Verbrauchs wieder dekomprimiert werden. Dies ermöglicht es, viel mehr Informationen zu senden und führt beispielsweise dazu, dass digitale Fernsehsignale mehr Platz im Funkspektrum bieten für mehr Fernsehsender."

Historische digitale Systeme

Obwohl digitale Signale im Allgemeinen mit den binären elektronischen digitalen Systemen verbunden sind, die in der modernen Elektronik und Computer verwendet werden, sind digitale Systeme tatsächlich uralt und müssen nicht binär oder elektronisch sein.

• Der genetische Code der DNA ist eine natürlich vorkommende Form der digitalen Datenspeicherung.
• Geschriebener Text (aufgrund des begrenzten Zeichensatzes und der Verwendung diskreter Symbole – in den meisten Fällen das Alphabet)
• Der Abakus wurde irgendwann zwischen 1000 v. Chr. und 500 v. Chr. erstellt, später wurde er zu einer Form der Berechnungsfrequenz. Heutzutage kann es als sehr fortschrittlicher, aber einfacher digitaler Taschenrechner verwendet werden, der Perlen in Reihen verwendet, um Zahlen darzustellen. Perlen haben nur in diskreten Auf- und Abwärtszuständen Bedeutung, nicht in analogen Zwischenzuständen.
• Ein Beacon ist vielleicht das einfachste nicht-elektronische digitale Signal mit nur zwei Zuständen (ein und aus). Insbesondere Rauchsignale sind eines der ältesten Beispiele für ein digitales Signal, bei dem ein analoger "Träger" (Rauch) mit einer Decke moduliert wird , um ein digitales Signal (Puffs) zu erzeugen, das Informationen übermittelt.
• Der Morsecode verwendet sechs digitale Zustände – Punkt, Bindestrich, Lücke zwischen den Zeichen (zwischen jedem Punkt oder Strich), kurze Lücke (zwischen jedem Buchstaben), mittlere Lücke (zwischen Wörtern) und lange Lücke (zwischen Sätzen) – um Nachrichten per . zu senden eine Vielzahl von potentiellen Trägern wie Elektrizität oder Licht, zum Beispiel mit einem elektrischen Telegrafen oder einem Blitzlicht.
• Die Braille verwendet einen Sechs-Bit-Code, der als Punktmuster gerendert wird.
• Der Flaggensemaphor verwendet Stangen oder Flaggen, die in bestimmten Positionen gehalten werden, um Nachrichten an den Empfänger zu senden, der sie in einiger Entfernung beobachtet.
• Internationale maritime Signalflaggen haben unverwechselbare Markierungen, die Buchstaben des Alphabets darstellen, damit Schiffe einander Nachrichten senden können.
• Vor kurzem erfunden, moduliert ein Modem ein analoges "Träger"-Signal (wie beispielsweise Ton), um binäre elektrische digitale Informationen als eine Reihe von binären digitalen Tonimpulsen zu kodieren. Eine etwas frühere, überraschend zuverlässige Version des gleichen Konzepts bestand darin, eine Sequenz von Audio-Digital-"Signal"- und "Kein Signal"-Informationen (dh "Ton" und "Ruhe") auf Magnetkassettenband für die Verwendung mit frühen Heimcomputern zu bündeln .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

• Tocci, R. 2006. Digitale Systeme: Prinzipien und Anwendungen (10. Auflage). Lehrlingssaal. ISBN  0-13-172579-3