Auch genannt: diskretes Signal; im englischen Fachgebrauch: digital signal.
Ein digitales Signal stellt Informationen als Folge einzelner, voneinander unterscheidbarer Werte dar. Bei einem binären Signal sind das oft zwei Zustände, die als 0 und 1 kodiert werden; ein digitales Signal kann jedoch auch mehr als zwei zulässige Werte besitzen. Entscheidend ist nicht, dass ein Signal „aus Kästchen“ aussieht, sondern dass Zeitpunkte, Amplituden oder beides nur noch in festgelegten Stufen beschrieben werden. So lassen sich Messwerte, Audio, Bilder oder Nachrichten speichern, übertragen und mit digitalen Systemen verarbeiten. Die Einführung von MathWorks fasst diesen Zusammenhang so: Digitale Signale können aus abgetasteten kontinuierlichen Signalen entstehen oder direkt aus digitalen Systemen stammen.MathWorks: Digital Signal Processing
Ein analoges Mikrofon liefert beispielsweise eine Spannung, die sich mit dem Schalldruck fortlaufend verändert. Ein digitales Aufnahmesystem liest diese Spannung nicht zu jedem denkbaren Zeitpunkt und nicht mit beliebig vielen Zwischenwerten. Es misst sie in zeitlichen Abständen und ordnet jeden Messwert einer endlichen Zahl von Zahlenwerten zu. Die entstehende Zahlenfolge ist das digitale Signal, das gespeichert, kopiert oder gefiltert werden kann.
Die Schreibweise mit 0 und 1 ist dabei eine praktische Codierung, nicht die ganze Definition. Ein Bit unterscheidet zwei Zustände. Mehrere Bits können zusammen einen von vielen möglichen Zahlenwerten darstellen. Wie viele Werte verfügbar sind, hängt unter anderem von der verwendeten Bitzahl ab. Für die Signalqualität ist aber ebenso wichtig, wann gemessen wird und welche Werte der Wandler abbilden kann.
Die Umwandlung eines zeitlich und wertmäßig kontinuierlichen Eingangssignals lässt sich in zwei getrennte Schritte gliedern. Bei der Abtastung misst ein System das Signal zu diskreten Zeitpunkten. MathWorks beschreibt dies anschaulich als Momentaufnahme des Sensorsignals. Bei der Quantisierung wird der zu diesem Zeitpunkt gemessene Spannungs- oder Stromwert auf einen von endlich vielen zulässigen Amplitudenwerten abgebildet und als Binärzahl repräsentiert.MathWorks: Analog Input Subsystem
Beide Schritte begrenzen die Darstellung auf unterschiedliche Weise. Eine zu grobe zeitliche Abtastung kann hohe Frequenzanteile falsch erscheinen lassen; dieses Phänomen heißt Aliasing. Für bandbegrenzte Signale gilt als theoretische Bedingung für verlustfreie Rekonstruktion, dass die Abtastfrequenz über dem Doppelten der höchsten enthaltenen Frequenz liegt. Vor dem Abtasten werden deshalb häufig störende hohe Frequenzanteile mit einem Anti-Aliasing-Filter gedämpft.MIT OpenCourseWare: Lecture 21 – Sampling
Eine endliche Zahl von Amplitudenstufen bringt einen anderen Kompromiss mit sich. Der Wandler wählt für einen Messwert typischerweise die nächstliegende Stufe. Die Differenz zum ursprünglichen Wert ist Quantisierungsfehler. Mehr Bits schaffen mehr Stufen innerhalb eines festgelegten Messbereichs; sie beseitigen aber weder ein bereits entstandenes Aliasing noch ein übersteuertes Eingangssignal.MathWorks: Analog Input Subsystem
Bei einer Übertragung können elektrische Störungen einen Signalpegel verändern. Bei klar getrennten digitalen Zuständen kann ein Empfänger den empfangenen Pegel anhand von Entscheidungsgrenzen wieder einem zulässigen Symbol zuordnen. Kleine Abweichungen müssen dann nicht automatisch den gespeicherten oder weitergeleiteten Wert ändern. Diese praktische Störfestigkeit ist ein wichtiger Grund für digitale Übertragung, sie ist jedoch nicht grenzenlos: Überschreitet die Störung die Entscheidungsreserve oder gehen Symbole verloren, entstehen Bit- oder Symbolfehler.
Digitale Verarbeitung erlaubt darüber hinaus, denselben Zahlenstrom zu kopieren, zu speichern oder algorithmisch zu verändern. Das bedeutet nicht, dass die ursprüngliche Wirklichkeit immer exakt erhalten bleibt. Bereits die Auswahl von Abtastrate, Messbereich und Bitzahl legt fest, welche zeitlichen Details und Amplitudenunterschiede darstellbar sind. Das frei zugängliche DSP-Lehrbuch von Steven W. Smith betont diese Trennung: Sampling macht die Zeitachse diskret, Quantisierung den Wertebereich.The Scientist and Engineer’s Guide to DSP: Quantization
Ein Temperatursensor liefert zunächst ein analoges Spannungssignal. Ein Messgerät kann dieses Signal beispielsweise in regelmäßigen Intervallen erfassen, jeden Messwert in eine Zahl umwandeln und die Zahlenfolge an eine Steuerung senden. Dort lässt sich daraus ein Verlauf anzeigen, ein Grenzwert prüfen oder eine Heizung regeln. Für die Tauglichkeit der Messung zählen nicht nur die digitalen Daten: Der Sensor muss passend platziert sein, der Messbereich muss stimmen und die gewählte zeitliche Auflösung muss zum Vorgang passen.
Ändert sich die Temperatur nur langsam, genügt meist eine deutlich geringere Abtastrate als bei Schwingungen oder Audiosignalen. Wird der Eingang des Wandlers außerhalb seines gültigen Bereichs betrieben, kann er an einem darstellbaren Höchst- oder Tiefstwert bleiben; die aufgezeichneten Daten beschreiben den tatsächlichen Verlauf dann nicht mehr zuverlässig. Die digitale Form macht Daten gut verarbeitbar, ersetzt aber nicht die sorgfältige Auslegung von Sensorik und Wandler.MathWorks: Analog Input Subsystem
Ein analoges Signal kann sich über Zeit und Amplitude kontinuierlich verändern. Ein digitales Signal verwendet dagegen diskrete Zeitpunkte, diskrete Werte oder beides. Ein binäres Signal ist ein Sonderfall des digitalen Signals mit zwei Symbolen; nicht jedes digitale Signal ist auf nur zwei unmittelbar dargestellte Werte beschränkt. Ein Bit wiederum ist eine Einheit zur Darstellung von zwei Zuständen, nicht das Synonym für ein komplettes Signal.
Auch „digital“ bedeutet nicht automatisch fehlerfrei oder verlustfrei. Abtastung, Quantisierung, begrenzte Messbereiche, Übertragungsfehler und die spätere Verarbeitung können die Aussagekraft beeinflussen. Ob ein digitales Signal für eine Aufgabe geeignet ist, hängt daher von dem Signal selbst und von den gewählten technischen Parametern ab.