Ein Lichtschalter funktioniert, weil er zwei stabile Zustände hat. Man kann ihn nach unten drücken, und die Lampe bleibt aus, oder nach oben, und die Lampe bleibt an – selbst wenn man die Hand wieder wegnimmt.
Computer stehen vor demselben grundlegenden Problem, jedoch bei weitaus höherer Geschwindigkeit und in viel kleinerem Maßstab. Ein Computer muss einen Wert in der Hardware speichern und über Leitungen übertragen, obwohl reale Signale durch Hitze, elektrische Störungen und unvollkommene Bauteile Schwankungen unterliegen. Die Verwendung von nur zwei klar unterscheidbaren Zuständen erleichtert diese Aufgabe, da die Hardware sich nur zwischen zwei Möglichkeiten entscheiden muss, anstatt zwischen vielen.
Man kann sich ein Bit, das über eine Leitung übertragen wird, als niedrige oder hohe Spannung vorstellen. Liegt eine niedrige Spannung an, interpretiert der Computer dies als 0; liegt eine hohe Spannung an, interpretiert er es als 1. Ein Bit ist somit die Entscheidung zwischen zwei stabilen physikalischen Zuständen, die zur Darstellung von Informationen dienen.
Sobald man über 0 und 1 verfügt, kann man diese nutzen, um eine Ja-oder-Nein-Frage zu beantworten. So kann 0 beispielsweise für NEIN und 1 für JA stehen.
Reiht man mehrere Bits aneinander, erhält man mehr unterscheidbare Muster. Mit zwei Bits lassen sich vier verschiedene Fälle darstellen – ausreichend etwa für Himmelsrichtungen: Man könnte 00 als Norden, 01 als Osten, 10 als Süden und 11 als Westen definieren.
Entdecken Sie die möglichen Muster für 1, 2 und 3 Bits.
Solche Muster sind nur dann nützlich, wenn die Hardware sie zuverlässig auslesen kann. Bei einer realen Leitung ist die gemessene Spannung nicht vollkommen konstant; daher muss die Ausleseschaltung die Spannung mit einem Grenzwert – dem sogenannten Schwellenwert – vergleichen und entscheiden, ob sie als „Low“ (niedrig) oder „High“ (hoch) gilt.
Stellen Sie sich nun vor, man würde vier Spannungspegel anstelle von zwei verwenden, etwa die Pegel 0, 1, 2 und 3. Der zulässige Bereich für jeden Pegel wird dadurch schmaler, sodass es bei gleichem Rauschen wahrscheinlicher ist, dass ein Messwert über die falsche Grenze verschoben wird und der interpretierte Wert umschlägt. Bei nur zwei Pegeln lässt sich ein größerer Sicherheitsabstand zwischen „Low“ und „High“ einhalten, wodurch Lesefehler reduziert werden.
Vergleichen Sie hier, wie sich zwei Spannungsbereiche gegenüber vier Spannungsbereichen unter Einfluss von Rauschen verhalten.