Digitaalisuus

Digitaalisuus on datan syöttämisessä, käsittelyssä, siirrossa, tallennuksessa ja esittämisessä käytettävä menetelmä, jossa data esitetään täsmällisinä arvoina, joita on rajallinen määrä. Tavallisin digitaalinen järjestelmä on binäärijärjestelmä, jossa käytetään vain kahta numeroa, 0 ja 1. Digitaalisuuden vastakohtana on analogisuus, jossa muuttuja voi saada laajasti eri arvoja. Digitaalisuus on portaittaisuutta, jota voi verrata rajatulla lukualueella oleviin kokonaislukuihin – analogisuutta taas voi verrata rajatulla lukualueella oleviin reaalilukuihin.

Tietoa käsittelevissä laitteissa on yleensä sekä digitaalisia että analogisia osia. Esimerkiksi digitaalikameran A/D muunnin muuttaa valon analogisen signaalin digitaaliseksi signaaliksi ja tallettaa sen muistiinsa. Tavallisesti tämä digitaalinen tieto muunnetaan D/A muuntimessa etsimen tai näytön analogiseksi kuvasignaaliksi. Näkyvä valokuva on siten analoginen, mutta kuvan tallennusmuoto digitaalinen.

Sana digitaalinen tulee latinan kielen sanasta digitus, joka tarkoittaa sormea. Nimityksen keksijänä pidetään amerikkalaista George Stibitziä (1904-1995). Nykyään digitaalisuus mielletään usein koskemaan sähköisiä järjestelmiä, vaikka vanhoissa koodijärjestelmiin perustuvissa järjestelmissä onkin ollut digitaalisia toimintaperiaatteita.

Ensimmäiset digitaaliset tietokoneet rakennettiin 1940-luvulla, ensimmäinen digitaalikello tuli myyntiin 1972, ensimmäiset kuluttajille koteihin suunnatut tietokoneet julkaistiin vuonna 1977. Jo aiemmin tietokoneen oli voinut ostaa kotiin rakennussarjana. Digitaaliseen äänentoistoon kuluttajat alkoivat siirtyä CD-soittimien myötä vuodesta 1982 alkaen (digitaalinen PCM-ääni oli määritelty jo vuonna 1938). Ensimmäinen digitaalinen matkapuhelinverkko GSM avattiin vuonna 1991 (Suomessa) ja puhelinverkko myös laajemmin digitalisoitiin 1990-luvun aikana. Digitaalitelevisio otettiin Suomessa käyttöön vuonna 2001.

Sähköinen binäärijärjestelmä

Binäärijärjestelmän muuttujan eli bitin kahdelle mahdolliselle eri arvolle voidaan antaa nimet, esimerkiksi 0 ja 1. Sähkövirtana nämä kaksi arvoa voidaan esittää esimerkiksi vaihtoehtoina virta kulkee – virta pois, tai vaihtoehtoina 1 voltti – 5 volttia. Olennaista on vuo, joka vaihtelee kahtena vaihtoehtona, esimerkiksi kaapelissa kulkevan valon säätäminen kahdeksi vaihtoehdoksi. 

Yleensä digitaalisen esityksen muuttujaa, joka saa kaksi arvoa, kutsutaan bitiksi. Mikä tahansa lukuarvo voidaan esittää bittien sarjana. Symbolit, kuten aakkoset, voidaan helposti esittää digitaalisesti hävittämättä tietoa, koska ne ovat toisistaan erotettavia ja niitä on rajallinen määrä. Jos esimerkiksi aakkosia on noin 30, kukin kirjain voidaan esittää viidellä bitillä. Sen sijaan alun perin analogisen, "jatkuva-arvoisen" materiaalin, kuten kuvan ja äänen, muuntaminen digitaaliseksi merkitsee alkuperäisen esityksen täydellisyyden menetystä, mutta näin tapahtuu enemmän tai vähemmän muussakin muodossa lähetetylle tai talletetulle tiedolle.

Digitaalisen tiedonsiirron ominaisuuksia ovat:
Osa informaatiosta kadotetaan ensin tehtävässä analogia-digitaalimuunnoksessa eli A/D-muunnoksessa.
Signaali vääristyy ja vaimenee, mutta se voidaan regeneroida eli uusia toistimissa. 
Useimmat vääristymät voidaan korjata, koska signaalilla on vain harvoja sallittuja arvoja.
Kyselyllä (kaiuttamalla) saadaan 100 % lopputulos, so. signaali saapuu perille virheettä.

Yleisesti ottaen digitaalinen tiedonsiirto ja -tallennus vaativat analogista monimutkaisemman laitteiston, mikä viivytti aikoinaan niiden käyttöönottoa, poikkeuksena sähkötys. Nykyinen elektroniikan ja mikropiirien kehittyneisyys kuitenkin tekee digitaalisen siirron kannattavaksi.

Muita digitaalisia järjestelmiä

Vaikka digitaalisuus yhdistetään tavallisesti binääriseen elektroniikkaan on digitaalisuus itsessään huomattavasti vanhempi keksintö.
 Helmitaulu on perinteinen digitaalinen laskin. Siinä tankojen varteen ripustetut liikuteltavat helmet esittävät numeroita.
 Merkkituli on perinteinen digitaalinen viestintäväline. Se voi olla pelkkä nuotiotuli, joka on joko päällä tai pois. Erityisesti savumerkissä jatkuva nuotion savu moduloidaan epäjatkuvaksi viestisignaaliksi.
 DNA on nelikantainen digitaalinen tiedon varastointi- ja siirtomenetelmä. Siinä muuttujina ovat adeniini-, sytosiini-, guaniini- ja tymiini-molekyylit.
 Morsekoodi koostuu kuudesta muuttujan arvosta eli pisteestä, morseviivasta, merkin sisällä pisteen ja viivan välillä olevasta välistä, merkkien välissä olevasta lyhyestä välistä, sanojen välisestä keskipitkästä välistä ja lauseiden välisestä pitkästä välistä. Morsekoodia käyttäen voidaan lähettää viestejä vaikkapa lennättimellä tai taskulampulla.
 Pistekirjoitus on kuusibittinen binäärijärjestelmä, jossa kuudesta pisteestä (kaksi vaakaan kertaa kolme pystyyn) muodostetulla kuviolla kuvataan sovittuja merkkejä.
 Optisessa lennättimessä sauvoja tai lippuja käyttäen muodostetaan tiettyjä kuvioitä, joille on sovittu merkityksiä. Muuttujan arvojen määrä vaihtelee eri järjestelmissä.
 Meriliikenteessä käytettävillä viestilipuilla kahtalainen merkitys. Yksittäisellä lipulla on oma sovittu merkitys kuten "Pysytelkää etäällä: aluksella on tulipalo, ja lastina on vaarallisia aineita.". Lisäksi lippu kuvaa yhtä kirjainta, tässä tapauksessa kirjainta "J". Lisäksi numeroille 0–9 on omat liput.
 Modeemi (yhdistelmä sanoista modulaatio ja demodulaatio) moduloi digitaalisen signaalin analogiselle siirtotielle ja palauttaa eli demoduloi analogisesta signaalista digitaalisen signaalin.

Katso myös 
Diskreetti matematiikka

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 
Analoginen vs. digitaalinen tiedonsiirto, Digitaalitekniikan perusteet; Signaalinkäsittelytekniikan laboratorio, Aaltoyliopisto
Ylen Kirjakerho: Digitaalisen kirjallisuuden vaiettu historia ja melskattu tulevaisuus 1/2
Ylen Kirjakerho: Digitaalisen kirjallisuuden vaiettu historia ja melskattu tulevaisuus 2/2

Digitaalitekniikka
Seulonnan keskeiset artikkelit