Digitaal: wat is dat eigenlijk?

Geschreven door Willy De Boeck.

DIGITAAL is afgeleid vanhet Engelse 'DIGIT' dat vinger of cijfer betekent. Franstaligen gebruiken als synoniem ook 'numérique' (van 'numéro' = cijfer).

Digitaal staat tegenover analoog. Met analoog wordt 'continu veranderlijk' bedoeld, dus zonder sprongen.

Laten we als voorbeeld de temperatuur nemen.  Die kan bijvoorbeeld veranderen van 20 tot 21 graden, waarbij ze alle tussenliggende waarden doorloopt.  Dus van 20 naar 20,0001 via 20,0002 graden, enzovoorts.  Alle waarden tussen 20 en 21 graden worden min of meer vlug doorlopen.  Dat is een analoge waarde die, zoals gezegd, continu varieert, zonder de minste hiaten.  Die temperatuursverandering komt dus overeen met een oneindig aantal tussenwaarden.  Dat is een analoge grootheid.  De figuur hieronder toont een diagram waarin men ziet dat bijvoorbeeld op het tijdstip 1 de temperatuur gelijk is aan 20,375°.

image001

Maar behalve voor wetenschappelijke doeleinden is in het dagelijkse leven niemand geïnteresseerd in duizendsten of tienduizendsten van een graad.  De maximale precisie die we ontmoeten is een tiende van een graad in het geval van de lichaamstemperatuur.  Het is dus eigenlijk niet nodig al die tussenliggende waarde op te nemen of eventueel door te sturen.  Met een precisie van 0,1 graad is het voldoende.

De hoeveelheid gegevens kan dus drastisch worden verminderd door bijvoorbeeld op geregelde tijdstippen de ogenblikswaarde van de analoge grootheid te kennen.  Dat doet men in dit voorbeeld door op bepaalde regelmatige tijdstippen een monster te nemen van de temperatuur.  Dat wordt “bemonstering” genoemd.  De tekening toont wat er gebeurt.

image002

In dit voorbeeld wordt er op de tijdstippen tussen 0 en 3 minuten de waarde van de analoge grootheid gemeten, waarbij de waarden 19,923°;  20,375°;  20,71° en 21° worden gevonden.  Er blijven na de bemonstering slechts vier waarden over zoals de figuur hierna toont.  Dit zijn zgn. impulsen.

image003

Dit is nog geen digitale vorm.  Dit formaat heet “discreet” waarmee wordt bedoeld dat de tijd in stukjes is gehakt.  Inderdaad, tussen opeenvolgende momenten waarop een monster wordt getrokken, gebeurt er niets.

Om over te gaan naar een digitale vorm worden die waarden eerst afgerond naar een hoger of een lager tiende van een graad (volgende figuur).  Dat wordt “kwantisering” genoemd.

image004

Maar de lengten van die impulsen zijn op de afronding na, nog altijd analoge waarden.  Door eventuele storingen, door welke oorzaak ook, kan de grootte ervan veranderen.  Dat wordt tegengegaan door ze in een numerieke, d.w.z. digitale vorm te gieten.

Voor de exploitatie van die impulsen worden niet de lengten zelf gebruikt maar geeft men de waarde aan door een getal.  Bijvoorbeeld bij de overdracht of de opname zullen de waarden 19,9;  20,4;  20,7 en 21 als getallen worden doorgestuurd.

Die getallen worden echter niet als decimale cijfers aangegeven, want daarvoor zijn er voor elke waarde van de eenheden, tientallen, honderdtallen, enz.  telkens 10 cijfers nodig (van 0 t.e.m. 9).  Het is veel efficiënter een ander talstelsel te gebruiken, namelijk het binaire talstelsel dat gebaseerd is op 2 en niet op 10. Met deze manier van rekenen zijn er slechts twee cijfers mogelijk, namelijk 0 en 1, vanwaar de naam binair stamt.  Hier spreekt men dan niet meer van eenheden, tientallen, honderdtallen, enz., dus telkens een vermenigvuldiging met 10,  maar wel van eenheden, tweetallen, viertallen, achttallen, enz. telkens een vermenigvuldiging met 2.

Om bijvoorbeeld het decimale getal 3(10) aan te geven schrijft men 11(2), d.w.z. van rechts naar links 1 eenheid plus een tweetal en dat is drie in decimaal.  De decimale waarde 8(10) wordt als 1000(2) aangegeven, d.i. nul eenheid, nul tweetal, nul viertal plus één achttal.

Voor toepassingen in het elektronische domein is dit systeem bijzonder interessant omdat een nul wordt weergegeven door een of andere overeengekomen waarde van bijvoorbeeld -5 volt en een 1 door een of andere signaalwaarde, bijvoorbeeld +5 volt.  Een storing van de grootte van het signaal heeft dan weinig of geen invloed meer op de voorgestelde waarde.  De doorgestuurde waarde hangt enkel nog af van de aan- of afwezigheid van het signaal.  De tekening hieronder illustreert dit voor de waarden van nul tot tien, achtereenvolgens in het decimale en het binaire talstelsel.

image005

De figuur links toont de waarden die worden doorgestuurd in het geval van decimale gegevens, achtereenvolgens van 0 t.e.m. 9.  De lengte van de impulsen geeft de waarde aan van het doorgestuurde getal.  Bijvoorbeeld om het getal 7 door te sturen is er slechts één tijdstip nodig.  Maar een storing van de lengte van de impuls veroorzaakt een fout, die van een 7 een 6 of een 8 of enig ander cijfer zou kunnen maken.  Dit wordt vermeden door het binaire talstelsel te gebruiken.

De figuur rechts toont dezelfde door te sturen waarden, maar nu volgens het binaire talstelsel.  Om ook hier het getal 7(10) over te brengen (rode cijfers) zijn er drie tijdstippen nodig om achtereenvolgens driemaal 1 te verzenden [(1(10) + 2(10) + 4(10) = 7(10)].  Er zijn enkel twee waarden mogelijk: of het is 0 of het is één of andere overeengekomen signaalwaarde die overeenkomt met een logische 1.  De impulslengte geeft geen aanduiding meer van het doorgestuurde getal.  Enkel de aan- of afwezigheid van een impuls bepaalt of het een logische 0 of een 1 is.  Dat maakt dit type van signaal binnen zekere perken ongevoelig voor amplitudevariaties, want een vermindering tot nul van de impulslengte veroorzaakt ook fouten.  Maar voor de elektronische verwerking heeft dit formaat alle voordelen.

DAT IS DIGITAAL.  Om over te gaan van analoog naar digitaal moet er eerst worden bemonsterd, dan afgerond om vervolgens het afgeronde signaal in binaire vorm te gieten.

Het probleem is dat er voor het binaire formaat zoals het hier is voorgesteld een verschillend aantal nullen en enen zijn voor bepaalde waarden: bijvoorbeeld 4 impulsen voor een decimale 8 = [1000(2)] en slechts 2 voor een decimale 3 = [11(2)].  Dat bemoeilijkt de decodering.  Daarom kiest men bijna altijd voor een constant aantal binaire cijfers per getal.  Men spreekt van BITS.  Dat is de afkorting van “Binary Digits”.  Een vaak gebruikt aantal bits is 8, dat wordt een BYTE genoemd.  Met acht bits of één byte kan de maximumwaarde 255(10) bedragen als alle bits op één staan, en natuurlijk is de minimumwaarde nul.  Om grotere getallen over te dragen kan men ofwel meer dan één byte gebruiken of meer dan 8 bits aanwenden.  Hiervoor bestaan verscheidene codes die hier niet worden besproken.

Maar dat is niet alles.  Ook teksten worden digitaal verwerkt.  Zo bestaan er internationale codes die aan elke letter of leesteken een binair getal toekennen.  Het volstaat dan een reeks getallen aan elkaar te rijgen om een volledige tekst te verkrijgen.  De afgeschafte VRT-teletekst is daar een voorbeeld van.  Een van die internationale codes is de ASCII-code (American Standard Code for Information Interchange) die ook in de teletekst werd toegepast.  De kleine letter a bijvoorbeeld komt overeen met een binaire code van 01100001, terwijl aan hoofdletter A de code 01000001 toegekend is.  Elke letter wordt gedefinieerd door een getal van 8 bits.  Om VRT te schrijven verkrijgt men op die manier de volgende reeks: 01010110    01010010    01010100.

Het digitale formaat wordt in alles gebruikt: in telecommunicatie, beveiligings-systemen, ruimtevaart, medische toepassingen, robotica ... en natuurlijk ook in radio en televisie.

De VRT zendt zijn radio- en televisieprogramma’s digitaal uit. Radio gebruikt het DAB-systeem (Digital Audio Broadcast). In de algemene radio-infrastructuur en in de radiostudio’s is alles gedigitaliseerd. Via FM wordt voorlopig ook nog analoog uitgezonden, maar de FM-band zit vol. Daarom zouden tegen 2022 alle grote landelijke radio’s (de 5 VRT-radio’s, Q-music en Joe FM van Medialaan, Nostalgie van Corelio/Concentra) enkel nog digitaal via DAB+ mogen uitzenden. DAB+ is een verbeterde versie van die digitale uitzendtechnologie, waardoor ook meer radiozenders met een landelijke dekking kunnen uitzenden. In Noorwegen worden de FM-uitzendingen trouwens al in 2018 afgeschaft. 

Televisie wordt uitgezonden overeenkomstig het DVB-formaat (Digital Video Broadcast).  Van studio tot zender en ontvanger is alles digitaal. 

Er bestaan verscheidene types van het DVB-formaat.  Voor de rechtstreekse uitzendingen zoals de VRT die verzorgt via zijn digitale zenders, wordt het DVB-T (T van Terrestrial = aards) toegepast met een uitgebreidere versie DVB-T2.  De kijkers die op het kabelsysteem aangesloten zijn, krijgen een signaal volgens het DVB-C (C van Cable) toegestuurd met ook als uitbreiding DVB-C2.  De ontvangst via satellieten gebeurt volgens het DVB-S-systeem (S van Satelliet) met ook weer een recentere versie van DVB-S2. Veel TV-ontvangers zijn uitgerust met DVB-tuners, het is wel uitkijken van welke soort.

De analoge televisie-uitzendingen van de VRT werden stopgezet op 3 november 2008.

------------------------------------------------------------------------