Inhaltsverzeichnis

Analog und digital

Auftrag 9 Teil 1
Ziel der Aufgabe ist es, die Position eines Punktes auf einem A4 Blatt in Zahlen zu beschreiben (zu digitalisieren).

  • Nehmen Sie ein leeres A4-BLatt im Querformat.
  • Zeichnen Sie irgendwo einen gut sichtbaren Punkt auf das Blatt. Es hilft sehr, wenn der Punkt in der Höhe etwa auf der Mitte der Seite ist und in der Breite möglichst nicht in der Mitte, sondern in einer zufälligen Breitenposition. Die Position Ihres Punktes ist analog.
  • Falten Sie Ihr Blatt in der Breite genau in der Mitte. Falls sich der Punkt links vom Falt befindet, notieren Sie sich eine 0 und falls sich der Punkt rechts vom Falt befindet, notieren Sie eine 1.
  • Wiederholen Sie diesen Schritt so lange, bis sich der Punkt etwa auf dem Falt befindet. Die notierte Reihe aus Nullern und Einsern ist eine mehrstellige, binäre Zahl, die die Position beschreibt. Die Faltungen sind jeweils parallel zueinander!

Auftrag 9 Teil 2
Ziel der Aufgabe ist es, einen Punkt (eine Position eines Punktes) auf einem A4 Blatt anhand der digitalen „Spur“ zu rekonstruieren.

  • Geben Sie Ihre notierte binäre Zahl Ihrem Pultnachbarn, aber behalten Sie das Faltblatt bei sich. Sie erhalten im Gegenzug die digitialisierte Punktposition ihres Pultnachbarn.
  • Nehmen Sie ein neues leeres Blatt und bestimmen Sie anhand des erhaltenen Codes die Punktposition ihres Lernpartners auf einem neuen Blatt. Erinnerung «0» bedeutet links und «1» bedeutet rechts. Markieren Sie die vermutete Punktposition. Vergleichen Sie mit dem Original ihres Pultnachbarn.

Beobachtungsfragen:
Nach dem obigen ersten Falten geht es darum, die folgenden Fragen zu diskutieren:

  • Gibt es Punktpsitionen, die nicht in Zahlen darstellbar sind?
  • Gibt es eine maximale Länge einer Punktpositionszahl? Begründen Sie! Wie verändert sich diese Antwort unter der Annahme, dass es keine Grenzen beim Falten gibt (unendlich oft gefaltet werden kann)
  • Aussage „Diese Faltaufgabe ist eine wunderbare Verbildlichung der Chancen und Grenzen der Digitalisierung.“ Was denken Sie?

Auftrag 10 Ziel der Aufgabe ist es, das Verfahren um einen Punkt (eine Position eines Punktes) auf einem A4 Blatt digitalisieren zu verbessern und vervollständigen. Analysieren Sie die Aufgaben und ihre Ergebnisse, indem Sie die folgenden Fragen bearbeiten:

  • Wie kann das Verfahren optimiert werden?
  • Optimieren und erweitern Sie zu zweit dieses Verfahren so, dass es zusätzlich zur horizontalen ebenfalls die vertikale Position eines Punktes auf einem Blatt Papier digitalisiert.
  • Welche Schwierigkeiten oder mögliche Schwächen des Verfahrens können Sie feststellen?
  • Testen Sie das optimierte Verfahren an mindestens zwei Beispielen.

Aufgabe übernommen von G. Schaller (MERCI)

Bedeutung und Beispiele von "analog" und "digital"

Digital ist eigentlich dem Begriff nummerisch (in Zahlen) gleichzusetzen. Es ist möglich am Computer verschiedenste Medien, wie Bilder, Lieder, Videos digital abzuspeichern. Dazu müssen diese Informationen (die Medien) in etwas binäres übersetzt werden. Da ein Computer immer binär arbeitet, also mit Nullen und Einsen, können beispielsweise Bilder oder Lieder nur abgespeichert und von einem Computer bearbeitet werden, wenn diese in eine Sequenz von Nullen und Einsen übersetzt worden ist.

Analog bedeutet entsprechend, gleichartig, sinngemäss oder übertrag. Somit bilden Analoge Medien das „Echte“ ohne Verluste und gleichbleibend ab. Die Informationen müssen somit nicht wie im Digitalen übersetzt werden. Meist bedeutet dies auch, dass die Information viel Speicherplatz braucht. In dieser analogen Welt gehen keine (oder fast keine) Informationen verloren.

Durch die Digitalisierung wird zwar Platz gewonnen, jedoch gibt es auch einen negativen Aspekt. Das grosse Problem ist, dass es mit Nullen und Einsen nur möglich ist, eine endliche Anzahl von Informationen abzuspeichern (vergleich Punktposition auf dem Blatt).
Dadurch geht sehr viel an Informationen der analogen Welt bei der Übersetzung ins digitale verloren. Beim Digitalisieren eines analogen Signals (wie zum Beispiel ein Foto oder Musik aus der realen Welt) gehen hier also immer Informationen verloren. Die analoge Welt hingegen besteht aus unendlich vielen Informationen.


Nun wird es Zeit, einige Beispiele aus dem Alltag zu nennen, welche Unterschiede zwischen den beiden Begriffen aufzeigen.

Analog und digital, zwei zentrale Begriffe in der Informatik, was bedeuten diese für das Speichern von Bildern, Musik oder ganz allgemein die Speicherung? Was ist der Unterschied und worum geht es hier in den Grundzügen?

Im Wesentlichen geht es darum, wie Informationen repräsentiert, also dargestellt – und gespeichert- werden. Der Computer arbeitet digital. Das bedeutet, dass er alle Informationen numerisch, also mit Hilfe von Zahlen (Nullen und Einsen) darstellt, «versteht», speichert und diese Daten dann auch wiedergegeben werden können.

Auftrag 11
Nennen Sie mindestens 6 verschiedene Beispiele aus Ihrem Alltag, wo 'ANALOG' auf 'DIGITAL' trifft.

Musik und Klänge

Physikalisch betrachtet sind Töne nichts anderes als Schallwellen (oder oft auch eine Überlagerung von Wellen) die sich ausdehnen.
Die nebenstehende Abbildung zeigt die rote Wellenkurve (Sinus-Welle. Diese stellt einen bestimmten Ton in der analogen Welt dar. Zum Beispiel wenn Sie auf einem Klavier eine einzige Taste drücken, entsteht eine Schallwelle (eine Summe aus Sinuswellen, diese Welle sieht dann auf dem Bildschirm dargestellt nicht mehr so schön aus, wird für unser Ohr aber als schön wahrgenommen).
Diese Welle ist kontinuierlich, das heisst, dass es zwischen zwei Punkten auf der Welle immer unendlich viele Zwischenpunkte gibt und keine Lücken, denn zu jedem erdenklichen Zeitpunkt ist der Schall da. Die Welle besteht analog also aus unendlich vielen Punkten. Wenn wir diesen Ton nun digital abspeichern wollen, dann haben wir wiederum das Problem, dass wir nicht unendlich viele Punkte abspeichern können. Das Signal wird beim Digitalisieren also diskret, das heisst es gibt Sprünge, wie wir auf der rechten Seite der Abbildung erkennen können. Die senkrechten Stücke der Kurve gibt es eigentlich nicht, es ist das Wechseln zwischen zwei Signalstärken.

Bei der analogen Darstellung können die Daten lückenlos wiedergegeben werden, da die Kurve kontinuierlich aus unendlich vielen Datenpunkten besteht.Bei der digitalen Darstellung hängt die Genauigkeit von der Abtastrate ab, d.h. wie klein die gewählten Timeslots sind, für welche eine Signalstärke gewählt wird. Der Ausdruck Sampling bezeichnet dann das Zusammensetzen dieser digital gespeicherten Tonaufnahmen.

Wird ein Ton (Musik, Podcast) digitalisiert und gespeichert, gibt es immer ein Abwägen zwischen Audioqualität und Dateigrösse.
Denn je kleiner die Audiodatei, desto schlechter klingt sie. Geläufig sind heute meist die zwei verschiedene Formate MP3 und WAV. WAV Dateien werden ohne jede Kompression abgespeichert, und somit auch keinerlei Verlust beim Exportieren zu haben. Dafür können sie ziemlich groß sein. Wird die Datei als MP3 abgespeichert, wird diese ca. 80% kleiner. Dies wird mit einer Reduktion der Audioqualität erreicht. Der Trick dabei ist, dass - zumindest in der Theorie - nur die Bestandteile aus der Audiodatei entfernt werden, die unhörbar sind. Für größere Datenraten (die immer noch viel kleiner als ein WAV sind) trifft das auch zu. Je kleiner die Dateien werden, desto mehr wird die Kompression hörbar.

Auftrag 12
Hier findest du ein Musikstück in verschiedenen Qualitäten.

  1. Ab wann ist das Musikstück „gut hörbar“?
  2. Recherchieren Sie kurz, was 'kbps' bedeutet.
  3. Was muss somit beachtet werden, wenn Sie als Hausaufgabe einen Podcast machen müssten und diesen bearbeiten und dann abspeichern sollten? Notieren Sie auf Onenote die wichtigsten Erkenntnisse.
  4. Zusatzlinks: Hier ein Bericht, warum mehr und mehr das MP3 „besser“ klingt als das WAV und weiter noch als Zusatz hier einen Beitrag zum Wiedergabeklang eine Schallplatte und einer CD.

Musik oder Klänge in digitaler Form können auf verschiedenen Speichermedien gespeichert werden (CD, USB-Stick, Cloud, SD-Karte, Auf dem Gerät - Computer, Tabelt oder Telefon.
Musik kann und konnte schon viel früher in analoger Form gespeichert werden. Vor allem die Schallplatten (auch Vinyls oder LPs genannt) setzten sich durch. Beim „Beschreiben“ der Platte wird der Ton vereinfacht gesagt direkt als Welle in die Rille der Platte geschrieben.
Viele Plattenliebhaber sind heute noch davon überzeigt, dass diese Schallplatten die Musik in der besseren Qualität abspielen, da sie wie gesagt das nicht verlustbehaftete analoge Originalsignal abspielen und nicht wie über die Streamingdienste (oder via MP3) eine digitale Version davon.
Neben den Schallplatten gab es in den 70er bis 90er Jahren oft auch die Tonkassetten, auch Kompaktkassetten genannt, welche ein elektromagnetisches Band zum Aufzeichnen und auch wiedergeben von Ton aufgerollt haben. Im Vergleich zur Schallplatte hatte die Kassette den Vorteil, dass Sie sehr bedienerfreundlich, robust und vor allem selbst bespielbar war. Diese Kompaktkassette ist hier genannt für alle Variationen von Speichermedien mit Magnetband.

Neues Wissen - Fragen zu Lernzielen

  • Digital und Analog an Beispielen: Kann ich den Unterschied zwischen analogen und digitalen Informationen erklären und anhand eines Beispieles ausführlich erläutern?
  • Punkte digitalisieren: Kann ich ein Verfahren vorschlagen und erklären, um einen „analogen“ Punkt zu digitalisieren, kenne ich den Nutzen und die Grenzen dieses Verfahrens?

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