C o m p u t e r - u n d N e t z w e r k t e c h n o l o g i e
Analog-Digital und Digital-Analog Wandlung
Analoges Signal
Analoge Signale bestehen aus sich kontinuierlich ändernden Spannungswerten, d.h. es existiert zu jeder Zeit ein zu messender Spannungswert und es gibt im Signalverlauf keine Unterbrechungen. Der gemessene Spannungswert kann beliebige Werte annehmen. Signale mit solchen Eigenschaften entsprechen der natürlichen menschlichen Wahrnehmung von Schall (Hören) und Licht (Sehen).
Digitales Signal
Bei einem digitalen Signal handelt es sich um einen begrenzten Vorrat von Zahlenwerten, welche in jeweils identischen Zeitabständen aus einem analogen Signal ermittelt werden.
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Die Anzahl der Bits für die Darstellung eines Werts ergibt die Anzahl der verfügbaren Abstufungen zur Abbildung eines analogen Werts (x=2n).
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Der zeitliche Abstand der Messungen (Abtastungen) wird ausgedrückt als Frequenz bzw. Samplerate, z.B. beim Audiosignal der Audio-CD als 44,1kHz. Bei Videos ist das die Bildwiederholfrequenz, z.B. 50 Bilder/s = 50 Hz.
Beispiel:
Ein Pixel auf dem Bildschirm wird dargestellt durch die Helligkeiten der Farben rot, grün und blau (RGB). Die Abstufungen der Helligkeiten ergeben sich aus den für jede Farbe zur Verfügung stehenden Bits (meistens 8Bit, d.h 256 Helligkeitswerte für jede Farbe).
Fazit:
Bei der Wandlung vom Analogen ins Digitale gibt es immer Verluste, welche u.U. nie wieder hergestellt werden können! Daher muss man bei einer Analog-Digital-Wandlung sehr vorsichtig vorgehen (gut aussteuern), möglichst viele Werte erfassen (hohe Abtastrate) und diese dann auch noch möglichst genau (viele Quantisierungsstufen)! Der Mensch selbst hat keine digitale Schnittstelle und es kann uns daher im Prinzip auch völlig egal sein, ob z.B. ein Fernseher digital oder analog arbeitet! Letztendlich versucht jedes digital arbeitende Gerät, das ursprüngliche analoge Signal für den Nutzer wieder bestmöglich herzustellen bzw. zu simulieren.
Ist Analog besser als Digital oder umgekehrt?
Einige Zeitgenossen habe sich darüber ausführliche Gedanken gemacht!
Ergänzend im Unterricht zur Verfügung gestellt:
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Informationstechnik (Kemal Erdem, Heinrich Hübscher, Klaus-Peter Scharke), Westermann
Kapitel zur Analog-/Digitalwandlung
Übungsaufgaben
Aufgabe 1: Arbeitsblatt Digitalisierung
Spielen Sie Analog-/Digitalwandler! Drucken Sie sich das nachfolgende Übungsblatt aus und versuchen Sie ihr Glück!
Hinweis: Sie können sich auch gerne erst einmal Aufgabe 2 ansehen, um abgebildete Fehler nicht zu machen.
Aufgabe 2: Digitalisierung / Falsch oder richtig?
Beurteilen Sie die abgebildeten Lösungsbeispiele zum obigen Übungsblatt!
Korrekt oder fehlerhaft? Worin besteht ggf. der Fehler?
Aufgabe 3: Verständnisfragen
Hinweis: Halten Sie sich mit der Recherche und dem Finden der richtigen Antworten nicht zu lange auf (jeweils <5 Min. bitte)!
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Welche der folgenden "Signale" sind wert- und/oder zeitdiskret, welche sind wert- und/oder zeitkontinuierlich?
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Anzeige einer Verkehrsampel
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Stromstärke
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monatliche Ausbildungsvergütung
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elektrische Wechselspannung
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Wachsen eines Baums
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Benotung einer Klausur
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Rauchzeichen
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Morsealphabet
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Sonnenaufgang
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Film (24fps)
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Welche Betriebsmittel arbeiten mit (z.B. erzeugen, transportieren, ...) einem Analog- bzw. Digitalsignal?
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Mikrofon
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Prozessor
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Tonabnehmer einer Gitarre
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Objektiv
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Lichtschranke
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Lautsprecher
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Koaxialkabel
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Was unterscheidet ein digitales von einem analogen Signal? Verwenden Sie zur Beantwortung dieser Frage auch die entsprechende Fachsprache (Zeit? Wert? Diskret? Kontinuierlich?). Erläutern Sie ggf. kurz die verwendeten Begriffe! Verwenden Sie als Beispiel zur Erläuterung auch z.B. den Unterschied zwischen Ganzen Zahlen und Reellen Zahlen.
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Klären Sie, was zeit- und wertkontinuierlich bedeutet!
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Klären Sie, was zeit- und wertdiskret bedeutet!
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Wie viel Bit werden benötigt für ...
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die Digitalisierung der s/w Information eines Bildpunkts (ohne Graustufen)?
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die Digitalisierung der s/w Information eines Bildpunkts (mit 256 Graustufen)?
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die Digitalisierung eines Pixels eines farbigen Bildpunkts RGB (256 Helligkeits-Abstufungen bei jeder Farbe, kein Alpha-Kanal)
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Was macht ein CCD bei der Bildaufnahme?
Siehe z.B.-
http://www.youtube.com/watch?v=ZZFVsKobznU (Digitalisierung))
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https://www.youtube.com/watch?v=2-stCNB8jT8 (How a Pixel Gets its Color, Bayer Sensor)
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Was macht eine Soundkarte (AD-Wandler) bei der Tonaufnahme?
Aufgabe 4: Qualität der Ton- bzw. Bildaufnahme
Was muss ich tun bei der "digitalen" Tonaufnahme bzw. Bildaufnahme, um ein möglichst gutes Ergebnis zu erzielen?
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Überlegen Sie sich, worauf Sie in Zukunft bei der Nutzung von Geräten mit A/D-Wandlung mehr achten werden!
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Verfassen Sie eine kleine Handlungsanweisung für eine Hilfskraft, welche Sie heute bei einer Aufnahme unterstützen soll!
Aufgabe 4 - Lösungsansätze
Audio / Bittiefe >= 16 / Abtastrate min. 44,1kHz bzw. 48kHz entspr. Vorgabe
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prof. Equiment / Mikrofone / Aufnahmegerät, ...
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Mikrofon möglichst nah an die Schallquelle
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Vorsichtiger Umgang mit Limiter und Bassabsenkung
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Aussteuerung / nicht übersteuern wg. digitalem Clipping
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Bild / Bittiefe min. 8Bit, Bildauflösung min. HD (720p), ...
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prof. Equipment / Prüfmonitore / Histogramm / Farbraumfestlegung, ...
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Für ausreichend Licht sorgen, damit eine 'gute' Bilddynamik entstehen kann.
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Gain an Kamera vorsichtig einsetzen
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