Boeken

Thursday, March 3, 2011

Digitaal – Ook de natuur doet het

De ons omringende wereld van de techniek digitaliseert al ruim twee decennia in rap tempo. Dat lijkt vreemd. De natuur doet toch alles analoog? Schijn bedriegt.


Dit artikel is eerder gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, februari 2005

De onderzoeker tikt op een plastic bekertje, dat omgekeerd op tafel staat. “Ik ga het bekertje nu optillen en jij moet zeggen wat eronder ligt.” Hij tilt het bekertje even op, maar zet het als een volleerd balletje-balletje-speler razendsnel weer neer. “Een munt”, zeg ik. “Ja, maar wat voor munt?” vraagt de onderzoeker. “Dat kon ik zo snel niet zien”, antwoord ik. “En als ik je nu vertel dat het óf een euromunt is, óf een oude Philipsmunt waarmee je vroeger in de kantine kon betalen, wat zeg je dan?” “Het was zeker geen euromunt. Dat heb ik zo snel wél gezien. Dus moet het de Philipsmunt zijn”, zeg ik overtuigd. “Inderdaad”, antwoordt de onderzoeker.

“Hoe komt het dat je het nu wel weet?”, vervolgt hij. “Dat komt omdat ik nu heb gezegd dat er maar twee antwoorden mogelijk zijn. Als je van tevoren afspreekt dat er maar een beperkt aantal antwoorden mogelijk is, dan is het veel makkelijker om te reconstrueren wat het antwoord is. En dat is precies het voordeel van digitaal ten opzichte van analoog.”

De onderzoeker is Chris Verhoeven, micro-elektronicus bij de afdeling elektrotechniek van de TU Delft. Iemand die zijn kamer heeft volstaan met oude analoge radio’s, klokken, radiobuizen en andere elektrotechnische parafernalia van decennia geleden. Maar tegelijk iemand die de grote voordelen van het digitale concept bejubelt. Verhoevens simpele experiment toont de essentie van de digitale revolutie. Als je weet dat een signaal alleen maar nullen en enen kent in plaats van alle waarden tussen 0 en 1 kan aannemen, dan is het veel makkelijker om het signaal onverstoord over grote afstand te versturen, eventueel toch optredende fouten te repareren en het signaal te kopiëren.

Digitale buizenversterker 
Analoog versus digitaal. Wat winnen we met de digitalisering en wat verliezen we?

Een analoog signaal is continu variabel. De hoogte van het vloeistofniveau in een kwikthermometer is daar een goed voorbeeld van. Op een schaalverdeling lezen we af welke waarde de temperatuur heeft. Die varieert niet in stapjes, maar op een continue schaal. In de elektronica is de elektrische spanning of de elektrische stroom een continue variabele, en wel zo handig dat signalen als geluid, licht, temperatuur, positie of druk via een opnemer vaak worden omgezet in een elektrisch signaal. Zo kan willekeurige informatie elektrisch worden overgebracht, maar nog steeds op volledig analoge wijze.

Tegenover analoge signalen staan digitale signalen. Een digitaal signaal kent alleen maar waarden in discrete stappen. Een digitale thermometer geeft de temperatuur in stapjes van bijvoorbeelden tienden van graden weer. De stapgrootte is een keuze. De computerwereld gebruikt bits die elk twee stappen kennen: 0 en 1. Een analoog signaal kan in een digitaal signaal worden omgezet, of omgekeerd.

Het grootste nadeel van analoog in het algemeen is het fenomeen ruis. Bij transport over lange afstanden of bij veelvuldig kopiëren van een analoog signaal, wordt de ruis een belangrijk deel van het uiteindelijke signaal. Analoge gegevensoverdracht gaat altijd gepaard met de introductie van willekeurige verstoringen. En bij versterking van een analoog signaal wordt de ruis meeversterkt. Het grote voordeel van digitale gegevensoverdracht is aan de ene kant dat de ruis in het algemeen kleiner is dan de stapgrootte en aan de andere kant dat er digitale foutencorrectiemethoden die eventuele digitale fouten kunnen herstellen.

Het voornaamste nadeel van digitaal is dat een analoog signaal eerst in stukjes moet worden gehakt, en daarbij informatie verloren gaat. Een gedigitaliseerd analoog signaal is daarom niet meer dan een benadering van het oorspronkelijke analoge signaal. Dat is de reden dat sommige muziekliefhebbers de analoge langspeelplaat prefereren boven de digitale cd. Een ‘oorspronkelijker’ geluid, vinden ze.

Maar dat vindt Verhoeven geen argument tégen digitaal. “Met digitale codering kun je het concertgeluid exact reconstrueren zoals het was. Het punt is alleen dat mensen die exacte reconstructie vaak niet willen. De begrenzingen van analoge apparaten leiden tot signaalvervormingen die mensen toevallig mooi vinden. Maar je kunt die vervormingen net zo goed in de digitale codering stoppen. Dezelfde audiofielen die zweren bij een langspeelplaat, vinden het geluid dan net zo mooi. Daar zijn experimenten mee gedaan. Met digitale bewerking kun je mensen zelfs laten geloven dat ze geluid horen alsof het door een ouderwetse buizenversterker is gemaakt.”

In de praktijk is de digitale benadering van een analoog signaal natuurlijk geslaagd als de eindgebruiker de verschillen niet merkt, met andere woorden: als het analoge signaal maar in genoeg stukjes wordt gehakt en de stukjes voldoende in hoogte kunnen variëren.

Analoge of digitale natuur? 
Een tweede bedenking die wel eens wordt geuit bij het concept digitaal is de vraag waarom toch alles digitaal moet, als de wereld om ons heen analoog is. Ondanks alle digitalisering in de laatste decennia spreekt, hoort, ziet, ruikt, voelt en proeft de mens nog steeds volledig analoog. Of telefonie nu analoog of digitaal gebeurt, een telefoon moet nog steeds een analoog geluidssignaal via een microfoon kunnen ontvangen en via een luidspreker analoog kunnen weergeven. De digitale revolutie voltrekt zich, terwijl de mens zich nog steeds in een analoge leefomgeving beweegt. Analoog is ‘natuurlijk’ en digitaal is ‘onnatuurlijk’, luidt het dan.

Toch is dat schijn, al moet je goed kijken om te zien dat de natuur zelf ook het concept digitaal heeft ontwikkeld. Om te beginnen bij de levende natuur. Het zenuwstelsel is een goed voorbeeld. In de tijd werken zenuwcellen analoog: ze kunnen elk moment vuren. Maar in signaalamplitude werken ze discreet. Er is óf wel óf niet een puls. Er bestaat geen halve puls of een driekwart puls. “Je moet er niet aan denken”, zegt Verhoeven, “dat je met een elektrochemisch systeem als het zenuwstelsel honderd verschillende niveaus zou moeten overbrengen van zenuwcel naar zenuwcel. Dat wordt nooit wat. Als het dan een beetje te koud is en de chemische processen langzamer lopen, zou je dan bijvoorbeeld ineens niet meer kunnen zien of zie je alles blauw. Voor het zenuwstelsel ligt het voor de hand om zenuwcellen met pulsjes, en dus digitaal, te laten vuren en zo heeft de natuur het ook ontwikkeld. Zo omzeil je het probleem met de analoge niveaus.”

Kijken we nog dieper in de levende natuur, in de celkernen om precies te zijn, dan weten we dat de genen van alle levende wezens informatie in digitale vorm bevatten. Ze bestaan weliswaar niet uit enen en nullen, maar uit lange reeksen van vier letters, de basen A,C, T en G. Heel handig bij het kopiëren van erfelijke informatie.

Onder aanvoering van fysicus Freeman Dyson heeft een groep vooraanstaande wetenschappers zich op de vraag gestort of het leven zelf analoog of digitaal van karakter is. En of analoog dan wel digitaal leven de meeste kans op overleven heeft. Het is een levendig debat, maar het antwoord op die vraag is nog onbekend. De genen van alle levende wezens bevatten zoals al gezegd informatie in digitale vorm. Maar behalve informatie in onze genen bewaren mensen en dieren ook informatie in hun brein. Of de informatie zoals die in het brein is opgeslagen, analoog of digitaal, of misschien wel een combinatie van beide is, weten we nog niet.

Ook de levenloze natuur lijkt op het eerste gezicht analoog, maar opnieuw geeft inzoomen een ander beeld. De materiële wereld wordt op atomaire schaal geregeerd door de wetten van de kwantummechanica. En de wereld van de kwantummechanica is een digitale wereld met een waarschijnlijkheidskarakter. Zo kunnen bijvoorbeeld energieniveaus alleen maar bepaalde, discrete waarden aannemen en kan de spin van een deeltje zich in een superpositie bevinden van omhoog én omlaag. Maar op macroscopisch niveau is van het digitale karakter van de materie op microniveau, op een aantal bijzondere uitzonderingen na, niets te merken. Daarom lijkt de levenloze natuur analoog.

Een transistor weet van niets 
“Is analoog niet irrelevant?”, vroeg een Amerikaanse tv-interviewer aan directeur Brian Halla van het Amerikaanse bedrijf National (met een vestiging in Delft), een van de grote spelers op de analoge elektronicamarkt. “Niet alleen is analoog niet irrelevant”, antwoordde Halla, “we staan op de drempel van de volgende analoge revolutie. Alle digitale computerkracht in de wereld is waardeloos tenzij die computers analoge signalen kunnen opnemen en afgeven om te communiceren met de reële wereld. Vijftien tot twintig jaar geleden zeiden mensen dat alles wat analoog is, gedigitaliseerd kan worden. Dat is waar. Maar zelfs al schakelt de hele wereld over op digitaal, de signalen van de reële wereld blijven nog steeds analoog.”

Verhoeven lacht spottend om deze verdediging van het concept analoog. “De discussie digitaal versus analoog gaat over de manier van coderen van een signaal, niet over de elektronica. Natuurlijk hebben we nog steeds schakelingen nodig. Alleen weten transistoren zelf niet of ze met enen en nullen omgaan of met een analoog signaal. Natuurlijk blijft een conversie nodig van een analoog invoersignaal naar een digitaal signaal en van een digitaal signaal in het apparaat naar een analoog uitvoersignaal, maar dat is het punt niet. Aan de in- en uitgangen valt er weinig meer te winnen. Die ontwikkeling is grotendeels af. Het is echt volstrekte onzin om te zeggen dat je analoge elektronica nodig hebt omdat de echte wereld analoog is.”

Eigenlijk volgt het succes van de digitale revolutie uit twee formules. De eerste is een natuurlijke wetmatigheid, de formule van Shannon. Deze stelt dat de informatie die per seconde door een systeem gaat evenredig is met de bandbreedte (de hoogste minus de laagste doorgelaten frequentie) en eveneens evenredig met de tweedemachtslogaritme van de signaal-ruisverhouding. “Daaraan zie je”, zegt Verhoeven, “dat het verbeteren van de signaal-ruisverhouding veel minder effect heeft op de overdrachtssnelheid dan een vergroting van de bandbreedte. Voor het overbrengen van een digitaal signaal zoals bij de compact disc heb je dan wel meer bandbreedte nodig dan bij een analoog signaal zoals bij de langspeelplaat, maar door de stormachtige ontwikkelingen in de micro-elektronica, kun je meer bandbreedte relatief vermogensefficiënt krijgen. Dat is de hele crux. Bij het verbeteren van de signaal-ruisverhouding valt veel minder te winnen.”

Dat digitale signaaloverdracht een grotere bandbreedte nodig heeft dan analoge, valt eenvoudig in te zien. Waar je in een tientallig stelsel bijvoorbeeld meteen het getal vijf kunt noemen, moet je in een tweetallig stelsel vier cijfers opdreunen: 0101. Maar als je voldoende bandbreedte hebt, en dus de enen en nullen snel genoeg achter elkaar kunt zeggen, dan kun je net zo goed 0101 zeggen in plaats van vijf. Dat gaat dan even snel. En de bonus is dan dat je minder fouten maakt in de signaaloverdracht en in het kopiëren.

De tweede wetmatigheid die de digitale revolutie heeft mogelijk gemaakt, maar dan een waarneming van de industriële ontwikkeling, is de wet van Moore: elke achttien maanden verdubbelt het aantal transistors op een computerchip, en daarmee de processorsnelheid. Die observatie gaat nu al bijna dertig jaar op en ligt ten grondslag aan het feit dat we bandbreedte relatief efficiënt kunnen vergroten.

Als het alleen gaat om zorgvuldige signaaloverdracht, dan wint digitaal het van analoog. Maar dat betekent niet dat analoog het op alle fronten verliest. “Je moet je altijd afvragen wat je prioriteiten zijn”, zegt Verhoeven. “Een afweging van hoeveel signaalfouten je toelaat, van elektrisch vermogen en prijs. Analoge techniek is bijvoorbeeld heel handig als je maar weinig elektrisch vermogen tot je beschikking hebt. Je kunt een kristalontvanger maken met een afstemspoel, een diode, een langedraadantenne en een oortelefoontje. Zo fabriceer je in een wip een radio die geen batterijen nodig heeft. Een mechanische camera kan ook zonder batterijen functioneren, terwijl een digitale camera batterijen vreet.”

De categorische vraag van óf analoog óf digitaal is daarom een verkeerde. De vraag moet zijn onder welke randvoorwaarden dan wel analoog dan wel digitaal het beste is. Net zoals de natuur het ook ooit heeft uitgepuzzeld.

Internet
www.edge.org/3rd_culture/dyson_ad/dyson_ad_index.html Fysicus Freeman Dyson over de vraag of het leven analoog of digitaal is
www.mi.fgg.eur.nl/fw/hyper/Artikelen/digitali.htm Filosofische reflectie op de ‘Digitalisering van de cultuur’
www.sfgate.com/cgi-bin/article.cgi?file=/chronicle/archive/1999/02/01/BU78272.DTL Analoge elektrotechnici, waaronder de in het artikel genoemde Brian Halla, benadrukken het blijvende belang van analoog in een meer en meer digitale wereld.