Oude Morsesleutel

Oude Morsesleutel

Oude telefoon

Oude telefoon

MicrofoonspanningMicrofoonspanning

Zwart/wit videosignaalZwart/wit videosignaal

 

Analoge vervormingAnaloge vervorming

Ruis en reflectie in het beeldRuis en reflectie in het beeld

 

 

Analoog en digitaalAnaloog en digitaal

 

 

 

 

 Telexmachine ASR33Telexmachine ASR33

 

 

 

 

 

 

 

 

Het Morsealfabet

Het Morsealfabet

 

 Bits en bytes

Bits en bytes

 

 

 

Digitale telefoon voor ISDNDigitale telefoon voor ISDN

 

Meersporen recorder voor studio gebruikMeersporen recorder voor studio gebruik

 Philips DCC recorderPhilips DCC recorder

 

 CD logo

CD logo

 

 Satellietantenne op 137 MHz, ca. 10x10x12 meter. In alle richtingen draaibaar om  satelliet te kunnen volgen.Satellietantenne op 137 MHz, ca. 10x10x12 meter. In alle richtingen draaibaar om  satelliet te kunnen volgen.

Ontvanginstallatie voor tracking en telemetrie Ontvanginstallatie voor tracking en telemetrie

 Een bekende telefoto. De horizontale lijnen zijn veroorzaakt door storing onderweg.

Een bekende telefoto. De horizontale lijnen zijn veroorzaakt door storing onderweg.

 Nipkowschijf, met kleine gaatjes langs de omtrek om het beeld af te tasten.Nipkowschijf, met kleine gaatjes langs de omtrek om het beeld af te tasten.

Beeld van een Nipkowschijf. De verticale lijnen geven de aftastrichting aan.

Beeld van een Nipkowschijf. De verticale lijnen geven de aftastrichting aan.

Publiekscampagne bij de overgang naar digitale TV
Publiekscampagne bij de overgang naar digitale TV

Alles in nullen en enen

Alles in nullen en enen

Alles in nullen en enen

 

Inleiding

De allereerste gangbare vorm van elektrische telecommunicatie was het overbrengen van tekst door middel van morsetelegrafie. Er werden met de hand, met een seinsleutel, codes verzonden en bij de ontvanger werden die codes door een telegrafist op het gehoor ontcijferd. Dit was eigenlijk een eerste vorm van digitale overdracht. Later werd er een zogenaamd telex systeem ontwikkeld waar bij de codes door een toetsenbord werden gegenereerd en door een soort printer werden afgedrukt. De maximaal haalbare snelheid was niet meer dan enkele tientallen letters of cijfers per seconde. Meer was niet mogelijk door de beperkte snelheid waarmee zend- en ontvangapparatuur, kabels en radioverbindingen de codes konden doorgeven.  
Met de komst van de telefonie werd er overgegaan op een heel nieuw principe. Voor het overbrengen van spraak gebruikte men een microfoon die een elektrisch signaal opwekte dat precies de geluidsgolven volgde in grootte en frequentie. Een telefoon of luidspreker zette het signaal weer om in geluid. Ook bij het overbrengen van muziek en later stilstaande en bewegende beelden werd dit principe toegepast. Analoge overdracht dus. Naarmate men echter hogere eisen ging stellen, zoals muziek in stereo hifi en super scherpe bewegende beelden in full color, vormden de nadelen van de gebruikte technologie, namelijk de gevoeligheid voor vervorming, ruis en storingen, en de beperkte snelheid in toenemende mate een belemmering voor verdere kwaliteitsverbetering.
Alternatieve mogelijkheden dienden echter zich aan met de stormachtige introductie  van de computer in de tweede helft van de vorige eeuw.  Daarbij was het essentieel dat er nieuwe technologie werd ontwikkeld die het mogelijk maakte om grote gegevensbestanden en uitgebreide computerprogramma’s, dus grote verzamelingen codes, oftewel databestanden, foutloos en met hoge snelheid over te sturen, ook over grote afstanden. Al snel werden er daarbij ook methodes ontwikkeld om geluid en beeld  van hoge kwaliteit om te zetten in codes. Vroege voorbeelden hiervan zijn de audio CD en de “Video Long Play” disk.
Tegenwoordig worden tekst, spraak, muziek, foto’s en films meetwaardes en computerbestanden vrijwel alleen nog in  de vorm van codes overgezonden.

Analoog

Voor het verzenden,  over een kabel of via een radioverbinding,  van geluid en later van stilstaand en bewegend beeld werd in de beginperiode van de telecommunicatie, zo tot het midden van de vorige eeuw en nog iets later, uitsluitend gebruik gemaakt van zogenaamde analoge signalen.  Zo’n analoog  signaal is een (elektrische) weergave / voorstelling / afbeelding  van (dus analoog aan) de over te zenden informatie en volgt continu de waarde van de broninformatie.
Voorbeelden van dergelijke signalen zijn:
•    een microfoonspanning
Deze volgt de door geluid veroorzaakte luchtdrukverschillen in grootte en frequentie.
•    een barometersignaal
een spanning die verandert evenredig met de gemeten luchtdruk.
•    een luidsprekersignaal
een spanning die aangeeft hoever en in welke richting de conus (de “trilplaat”) moet uitslaan om het geluid te reproduceren.
•    een faxsignaal
een spanning die de zwarting van de punten in een stilstaand beeld aangeeft.
•    een videosignaal
een spanning die de helderheid of de kleur van de punten (pixels) in een bewegend beeld aangeeft.

Analoge signalen zijn echter erg kwetsbaar, d.w.z. erg gevoelig voor storing en vervorming waardoor de informatie niet altijd correct overkomt. En de fouten die optreden in de verschillende delen  van het traject van zender naar ontvanger tellen bij elkaar op. Wanneer iemand bijvoorbeeld met een handgebaar aangeeft hoe groot de door hem gevangen vis is, en dat wordt vervolgens door meerdere personen op dezelfde manier “doorverteld” zal de uiteindelijke ontvanger van de informatie vrijwel zeker een verkeerd beeld krijgen: het analoge signaal is sterk vervormd.
Bij het oversturen van een analoog signaal van zender naar ontvanger, via versterkers, kabels, zenders, ontvangers en decodeerapparatuur etc., kan “onderweg” gemakkelijk storing optreden door ruis, door het fluctueren van de signaalniveaus , door atmosferische storingen. Dit manifesteert zich dan als ruis en vervorming op het radioprogramma, gekraak in de telefoon of sneeuw op het TV beeld.

Digitaal

Er bestaat een alternatief voor deze analoge manier van communiceren waarvan de eerste vorm al veel ouder is, namelijk de “ouderwetse” morsetelegrafie. Hierbij wordt een code overgebracht, bijvoorbeeld voor de letter “a” en niet de afbeelding van een “a” zelf. Eigenlijk is dit dus een vorm van communicatie met digitale signalen (digitaal komt van het Latijnse digitus, vinger, oftewel op je vingers tellen). Een digitaal signaal is eigenlijk een serie “momentopnames”, een opeenvolging  van codes, eigenlijk getallen, die de waarde van de over te zenden informatie op opeenvolgende tijdstippen weergeeft. Hoe groter de maximale waarde van het getal kan zijn, hoe meer stapjes kunnen worden onderscheiden en des te gedetailleerder dus de waarde kan worden aangegeven. Immers bij maximaal 10 zijn er maar 10 stappen, d.w.z. 10% nauwkeurigheid. Bij maximaal 100 zijn er 100 stappen, d.w.z. 1% nauwkeurigheid. Hoe sneller de codes elkaar opvolgen des te nauwkeuriger wordt het verloop van de informatie weergegeven. Zo zijn voor een telefoongesprek  8000 “getallen” per seconde voldoende. Voor een muziek CD worden er echter wel 44000 getallen per seconde gebruikt. En die getallen zijn ook nog eens vele malen groter.

Het zal duidelijk zijn dat morsetelegrafie een wel heel langzame vorm van digitale communicatie is. Wel was, en is, de morsetelegrafie superieur in betrouwbaarheid. Het menselijk brein is namelijk in staat om zeer zwakke morsesignalen die ver onder het ruisniveau liggen nog correct te onderscheiden.

Een verdere ontwikkeling van de telegrafie was die van de telex, eigenlijk een snellere en geautomatiseerde variant van de morsetelegrafie. Aan de zendkant worden de codes gegenereerd door een toetsenbord zoals dat van een schrijfmachine. Aan de ontvangstkant worden ze gedecodeerd en door een soort printer op papier afgedrukt. Ook was het mogelijk de codes in de vorm van gaatjes in een papierstrook vast te leggen voor latere (her)uitzending of archivering.

Voor andere toepassingen waren de toen ter beschikking staande communicatiemiddelen duidelijk niet snel genoeg. Hierin kwam echter verandering toen er met opkomst van de computertechnologie een aantrekkelijk en breed toepasbaar alternatief beschikbaar kwam. Door snelle elektronica en transmissiewegen, zoals coax kabels, straalverbindingen en later de glasvezelkabel, werd het mogelijk om niet alleen tekst maar ook geluid en beeld over te brengen met digitale signalen. En dat in zeer hoge kwaliteit.

In tegenstelling tot analoge signalen zijn digitale signalen vrijwel ongevoelig voor verstoringen in de transmissieweg. Immers een digitaal signaal, of wel een getallenreeks, blijft de juiste waarde weergeven, ook al komt het onscherp, vervormd of vaag leesbaar bij de ontvanger aan. Als de hierboven genoemde visser zijn vangst langs de meetlat had gelegd en het resultaat had doorverteld was de kans groot geweest dat de uiteindelijke ontvanger de juiste maat had vernomen.

Bovendien is het met digitale signalen mogelijk om automatisch te controleren of een getalswaarde correct is overgekomen en bij fouten om herhaling te vragen. Daardoor is de kans op fouten of vervormingen vrijwel nihil.

Bits en bytes

De manier waarop in de moderne communicatietechniek de digitale signalen, de codes, worden overgezonden is in principe gelijk aan die van de klassieke morsetelegrafie. Wordt de seinsleutel ingedrukt  komt er een elektrische spanning op de kabel, wordt de sleutel losgelaten is er geen spanning. Dit kun je ook vertalen naar: “wel pieptoontje / geen pieptoontje”, “wel stroom / geen stroom”,   “lampje aan / lampje uit” of naar het meer gebruikelijke “één / nul”.

Bij morse wordt de code gevormd door de sleutel korter of langer ingedrukt te houden.  Zo ontstaan “punten en strepen”. De betekenis van de combinaties van punten en strepen is vastgelegd in het “morsealfabet”.

Bij moderne data communicatie bestaat een code uit acht “vakjes”. Elk vakje kan een  één of een nul zijn en deze “inhoud” wordt voor elk van de acht vakjes apart en na elkaar uitgezonden. Bij de minimale waarde zijn alle vakjes nul. Bij de maximale waarde zijn alle vakjes één. Met acht vakjes van elk 0 of 1 kun je 256 verschillende combinaties maken. De minimale waarde van een code is dus 0 en de maximale waarde 255. De betekenis van de diverse waardes is vastgelegd in zogenaamde “ASCII – tabel”. ASCII staat voor “American Code of Information  Interchange”.  Als er grotere waardes nodig zijn dan 255 worden meerdere codes gecombineerd.

Een vakje noemt men een “bit”. De combinatie van 8 bits (8 vakjes) noemt ment een “woord” of een “byte”.  De snelheid van een signaal of van een verbinding wordt uitgedrukt in “bits/kilobits/megabits/gigabits  per seconde”. De grootte van een bestand of de capaciteit van een geheugen wordt aangeven met bytes/kilobytes/megabytes/gigabytes.

Van analoog naar digitaal

Spraak

Halverwege de jaren 90 van de vorige eeuw introduceerde  PTT het ISDN netwerk. ISDN staat voor “integrated services digital network”, oftewel een netwerk met geïntegreerde diensten. Hierover konden behalve meerdere telefoongesprekken ook andere diensten, zoals internet verbindingen, beveiliging, pinbetalingen en meetwaarden (telemetrie signalen) tegelijkertijd worden overgebracht. Hiervoor was het nodig om ook voor spraak (telefonie) een digitale manier van communicatie te ontwikkelen. Gekozen werd voor een codering met 64000 bits per seconde. Hiermee was het mogelijk een iets betere geluidskwaliteit te bereiken dan met analoge techniek mogelijk was. Verreweg het belangrijkste voordeel was echter de veel grotere ongevoeligheid voor ruis en storingen in vergelijking met analoge telefonie.  
Met de opkomst van snelle computernetwerken werden meer en meer diensten, waaronder ook telefonie, overgenomen door het internet. Hiervoor wordt in principe nog steeds dezelfde digitale codering van het spraaksignaal gebruikt. De ISDN dienst is in september 2019 door KPN opgeheven.

 

Muziek

De grootste beperking in de analoge opname, weergave en transport van muziek  is ruis. Ruis ontstaat in versterkers, grammofoonplaten, geluids- banden, zenders en ontvangers. En de ruis van al deze schakels in de keten wordt bij elkaar opgeteld en dat zorgt ervoor dat de zachtste passages in de muziek onhoorbaar, of tenminste ongenietbaar worden. Met diverse kunstgrepen heeft men dan ook geprobeerd de ruis te verminderen. De meest bekende is wel het Dolby systeem dat ook bij cassetterecorders werd toegepast. Een echt belangrijke verbetering heeft dit echter niet opgeleverd. Daarom heeft men al in de jaren 70 gezocht naar een digitale manier om muziek op te slaan en te versturen. Eén van de eerste producten waarbij dit gerealiseerd werd was de digitale versie van de meersporen  magneetbandrecorder voor opnamestudio’s. Hiermee was een belangrijke bron van ruis, bij de opname en latere bewerkingen en kopieën uitgeschakeld. Als digitaal alternatief voor de cassette recorder werd nog de digitale cassetterecorder DCC op de markt gebracht maar een echt succes is dit nooit geworden.
De grote doorbraak kwam in 1980 toen de Compact Disk verscheen. Hiermee was het mogelijk muziek in hoge kwaliteit en zonder hoorbare ruis, dus met een natuurlijk dynamisch bereik, het verschil tussen de hardste en de zachtste passages, weer te geven. Voor het efficiënt overbrengen van digitale muziek via kabel of radioverbinding was het aantal bits/s echter veel te groot. De oplossing is gevonden in compressie: het aantal benodigde bits/s terugbrengen zonder de kwaliteit te veel aan te tasten.
Het bekende  “WAV” bestand is ongecomprimeerd en het wordt daarom veel gebruikt als basis voor verdere bewerking. De meest populaire codering is wel het “MP3” bestand. Hierin is de muziek in gecomprimeerde vorm opgeslagen zonder dat de weergave kwaliteit al te zeer wordt geschaad. MP3 bestanden zijn aanzienlijk kleiner dan WAV bestanden en zijn daardoor beter geschikt voor gebruik in mobiele apparaten en voor elektronische verzending, b.v. via internet. Moderne geluidsstudio’s zijn volledig overgegaan op digitale opname en bewerking van muziek met behulp van computers.

Meetwaarden (telemetrie)

Ten gevolge van de grote gevoeligheid voor vervorming en storingen  van de signalen heeft de analoge technologie nooit een brede toepassing gevonden voor het overbrengen van meetwaarden en commando’s.
 
Al in een vroeg stadium van de computertechnologie werd gebruik gemaakt van het digitaal overzenden van meetwaarden en bedieningscommando’s.
Deze ontwikkeling werd vooral gestimuleerd door de opkomst van de ruimtevaart in het begin van de jaren 60. De ontdekking van de ruimte en de landing op de maan waren nooit mogelijk geweest zonder digitale techniek, ook al waren geheugencapaciteit, rekensnelheid en communicatiesnelheid zeer beperkt. Daarbij was de apparatuur gigantisch groot voor de huidige begrippen. Illustratief hiervoor is de apparatuur gebruikt bij de eerste raket van de ELDO (European Launching Development Organization)  gelanceerd vanaf de Australische basis Woomera in 1966. Philips Telecommunicatie Industrie ontwikkelde hiervoor het telemetrie systeem voor de derde trap.  De installatie omvatte behalve de zender in de raket en de ontvanger op het grondstation voor de meetgegevens ook een omvangrijk systeem met een aparte ontvanger en regelapparatuur om de ontvangstantenne te sturen. Dit was nodig voor het volgen van de raket tijdens zijn vlucht. Het totaal besloeg 3 manshoge 19 inch kasten vol apparatuur.

 

Stilstaand beeld

In het analoge tijdperk konden tekeningen, foto’s en tekstdocumenten worden overgebracht via de bestaande telefoonlijnen of radioverbindingen.  Het origineel werd afgetast, regel voor regel, met een lichtgevoelige cel. Deze “fotocel” gaf meer of minder elektrische spanning af, afhankelijk van hoe licht of donker het afgetaste punt was. De elektrische spanning werd vervolgens omgezet in een toon van wisselende hoogte of sterkte. Omdat het aftasten relatief langzaam gebeurde viel deze toon binnen het frequentiegebied van spraak en kon daarom door “gewone” telefoonverbindingen worden overgebracht. Bij de ontvanger werd lichtgevoelig fotopapier afgetast door een lampje waarvan de sterkt werd bepaald door het ontvangen analoge signaal. Een synchronisatie signaal zorgde ervoor dat de aftasters van zender en ontvanger precies gelijk liepen. Het resultaat was een “fax”of een “telefoto”. Deze laatste werd vooral gebruikt voor nieuwsfoto’s in kranten.

 Met de komst van de computer werden er methodes ontwikkeld om stilstaande beelden vast te leggen in digitale codes. Zo ontstonden de verschillende “formaten” (coderingen) die tegenwoordig  alom gebruikt worden, zoals “TIF, “GIF, en de bekendste: “JPG”. Deze laatste wordt standaard gebruikt voor het opslaan en bewerken van kleurenfoto’s van hoge kwaliteit in camera’s en computers.

 

Bewegend beeld

De ontwikkeling van de televisie, d.w.z. het overbrengen van bewegende beelden, begint al in de dertiger jaren van de vorige eeuw met de Nipkow schijf. Met deze schijf worden beelden lijn voor lijn  afgetast. Het zo ontstane signaal stuurt een lampje in de ontvanger waar er behulp van zo’n zelfde, synchroon lopende,  schijf weer beeldlijnen worden gevormd. Het principe lijkt erg op dat van de telefoto, alleen worden er minstens 10 beelden per seconde overgebracht om een enigszins vloeiende beweging te verkrijgen.
Eigenlijk lukte het met de Nipkow schijf niet goed om een bewegend beeld van enigszins aanvaardbare kwaliteit over te brengen. Hiervoor zou het aantal gaatjes in de schijf (= het aantal lijnen in het beeld) en de draaisnelheid (= het aantal beelden per seconde) aanzienlijk verhoogd moeten worden. Dit stuitte op praktische mechanische bezwaren en ook zou de frequentie van het beeldsignaal zodanig toenemen dat verzenden via het telefoonnet niet meer mogelijk was.
 De doorbraak kwam met de ontwikkeling van elektronische beeldbuizen en opname camera’s. Hiermee werd het mogelijk om voldoende definitie en herhalingsfrequentie te bereiken, zodat scherpe beelden met een vloeiende beweging ontstonden. Toen er ook communicatiekanalen beschikbaar kwamen met voldoende snelheid (bandbreedte) om de hoog frequente videosignalen door te geven, zoals TV zenders, coax kabels en straalzenderverbindingen, stond niets de opmars van de televisie meer in de weg.  Met de introductie van de kleurentelevisie, in Nederland in 1967, werd  het videosignaal nog wat ingewikkelder. Naast helderheidsinformatie moest het nu ook informatie bevatten over de drie kleuren waaruit het beeld is opgebouwd. Eind zeventiger jaren werd een methode ontwikkeld om een kleurenbeeld met een digitale codering vast te leggen op een optisch medium, de Video Long Play of Laser Disk. Weliswaar werden de signalen bij het weergeven nog omgezet naar de geldende (analoge) standaard om de beschikbare tv toestellen te kunnen gebruiken, maar de eerste digitale video codering was een feit. In later jaren volgden nog vele verbeteringen en ontstonden er ook verschillende standaards. Maar toen er ook digitaal aangestuurde beeldschermen beschikbaar kwamen  konden alle standaards, uiteraard met de juiste  decodeersoftware,  afgespeeld worden op alle soorten apparaten. Een van de meest bekende standaards is “MP4”.
Tegenwoordig worden TV beelden uitsluitend nog opgeslagen en verstuurd als een groot bestand met digitale codes of verzonden als een continue stroom codes. Met de moderne vormen van MPEG beeldcodering wordt een reductie factor van ruim 100 bereikt, dit met behoud van een prima beeldkwaliteit.

 

Conclusie

De overgang van analoog naar digitaal heeft zich voltrokken in enkele tientallen jaren op het eind van de vorige eeuw. Daarna is de digitalisering algemeen goed geworden. Zo dicht mogelijk bij de bron worden tekst, spraak, muziek en beeld digitaal gemaakt en opgeslagen en verzonden als digitale computerbestanden. Kortom: tegenwoordig wordt  alles verzonden en opgeslagen in nullen en enen.

 

Bronnen en Illustraties

- Archief Omroep Zender Museum

- Diverse internet bronnen