11 Digitale Audiotechnik

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1 11 Digiale Audioechnik 11.1 Analog - Digial Ein analoges Signal is zeikoninuierlich und werekoninuierlich. D.h. ein Analogsignal is zu jedem Zeipunk deren es unendlich viele gib deinier und das Signal kann jeden beliebigen Wer annehmen. Ein digiales Signal is dagegen zeidiskre und werediskre. D.h. ein Digialsignal is nur zu besimmen Zeipunken deinier und kann auch nur besimme Were annehmen Voreile der Digialechnik Speicherplazersparnis graische Darsellung beim Ediing non-desrucive Ediing prinzipiell Verlusreies Kopieren / Überragen kosengünsig 11.2 Digiale Audiokomponenen Mischpul Die Fader und Pois haben as immer eine Mehrachbelegung. Dami is es möglich kleinere Pule mi sehr vielen Funkionen zu bauen. Dadurch werden die Mischpule jedoch auch sehr viel unübersichlicher. Eine Toal Recall Funkion, also die Möglichkei alle Einsellungen zu speichern und wieder auzuruen, is auch as immer zu inden. Genauso wie eine inerne Eeksekion Eekgeräe Hall wird heuzuage as nur noch digial erzeug. Eine Schwierigkei sellen besonders kleine Räume dar, da daür eine sehr hohe Rechenleisung benöig wird. Weiere ypische digiale Eeke sind z.b. Pichshiing und Timesreching EQs, Filer Nur digial lassen sich FIR-Filer realisieren welche im Gegensaz zu IIR-Filern keine requenzabhängigen Phasenverschiebungen erzeugen. Hohe Frequenzen sind besonderes bei günsigen EQs problemaisch Dynamics O is eine graische Darsellung der saischen Kennlinie inegrier. imier mi 0ms Aackime lassen sich nur digial realisieren Endsuen Digiale Endsuen haben einen besonders hohen Wirkungsgrad und sind somi sehr klein und leich. 99

2 Auzeichnungsormae Forma Fesplae R-DAT ADAT Besonderheien Sie sind schnell und günsig. Die Plaen sollen jedoch regelmäßig deragmenier werden. Das roary head-dat is ein bandgesüzes Sysem mi 2 Kanälen, einer Samplerae von 48kHz und einer Worbreie von 16 Bi. Da beim ersen Bespielen ein Timecode au das Band geschrieben wird solle man das Band mindesens einmal durchgängig bespiel werden. Dieses Sysem benuz handelsübliche SVHS-Kasseen bzw. SVHS- Recorder. Es können maximal 8 Spuren au eine Kassee geschrieben werden. DA-38 Hier werden Hi-8 Kasseen verwende. Die Spurenzahl beräg 8. DASH Pro Digi (-Maic) (DT) MOD MD CD DVD Es werden Videokaseen verwende. Es wird immer ein Fehlerprookoll ersell. Deswegen wird DVD-Masermedium Diese Diskeen lassen sich bei Raumemperaur nich ummagneisieren. Wird jedoch eine Selle durch einen aser erhiz läss sich dies schon durch ein schwaches Magneeld erreichen. Dadurch wird die MOD sehr viel dicher Beschreibbar und ha somi eine hohe Kapaziä. Dies is die Consumerversion der MOD. Die Daen werden verlusbehae gespeicher ( ARTAC). Die Compac Disc is ein opisches Medium, d.h. die Daen werden als Erhöhungen und Verieungen au die CD gepress und dann von einem aser abgease. Die Samplerae beräg 44,1 khz, die Worbreie 16Bi und es können 2 Kanäle gespeicher werden. Die Digial Versail Disc gib es in verschiedenen Varianen (s.u.). DVD Physikalische Formae Name Kapaziä Seien ayer DVD-5 4,7GB

3 DVD-9 8,54GB 1 2 DVD-10 9,4GB 2 1 DVD-18 17,08GB 2 2 DVD-14 13,24 2 2/1 ogische Formae Book A Book B Book C Book D Book E DVD-ROM DVD-Video DVD-Audio DVD-R (DVD-R / DVD+R) DVD-RAM (DVD-RW / DVD+RW / DVD-RAM) Audiospeziikaionen DVD-Video PCM AC-3 (Dolby Digial 5.1 / 7.1) DTS Für PCM: 48 / 96kHz 16 / 20 / 24 Bi max. 8 Kanäle bei 48 khz / 16 Bi max. 2 Kanäle bei 96 khz / 24 Bi DVD-Audio PCM (evenuell MP-codier) AC-3 (Dolby Digial 5.1 / 7.1) DTS Für PCM: 44,1 / 48 / 88,2 / 96 / 176,4 / 192 khz 16 / 20 / 24 Bi max. 6 Kanäle bei 96 khz / 24 Bi max. 2 Kanäle bei 192 khz / 24 Bi 11.3 AD-Wandlung Abasung Δ Abb. 1 T S Abb. 2 Δ 101

4 Die Abasung mach aus dem zeikoninuierlichen Analogsignal ein zeidiskrees Analogsignal. Wie o das Signal pro Sekunde abgease wird besimm die Samplerequenz s. Der Kehrwer, also die Zei die zwischen zwei Abasungen vergeh, wird Sampleak T s genann. Der Abaser selbs is ein Schaler welcher sich im Tak einer Dirac-Impuls-Folge sändig öne und schließ. Ein Dirac-Impuls is ein Impuls welcher so kurz wie möglich is (Δ 0). Da das Eingangssignal von einer Dirac-Impuls-Folge in der Ampliude modulier wird sprich man bei der Abasung auch von einer Puls-Ampliuden-Modulaion (PAM) bzw. bei einem abgeaseen Signal von einem PAM-Signal. Nach dem Abaser beinde sich ein Kondensaor um den abgeaseen Wer über die Dauer des Sampleakes beizubehalen. Die Verbindung aus Abaser und Halekondensaor bezeichne man als Sample-and-Hold- Schalung. Ein Aus Wordclock Halekondensaor Abb. 3 Dirac-Impuls-Folge Die nacholgende Tabelle zeig wie sich das Spekrum eines Signals änder, wenn es abgease wird. Ober- und unerhalb der Samplerequenz und deren Vielachen auchen im Absand der abgeaseen Frequenz zusäzliche Frequenzen im Spekrum au, so genanne Aliasaneile. Tessignal Spekrum Tessignal T Dirac-Impuls-Folge Spekrum Dirac-Impuls-Folge DC 0Hz S 2 S 3 S abgeasees Signal Spekrum abgeasees Signal S - T S + T D Σ D Σ D Σ T S 2 S 3 S 102

5 Wird ein beliebiges au 20kHz bandbegrenzes Audiosignal abgease ensehen zusäzliche 20kHz breie Frequenzbänder ober- und unerhalb der Samplerequenz und deren Vielachen. beliebiges Audiosignal Spekrum beliebiges Audiosignal 20kHz Dirac-Impuls-Folge Spekrum Dirac-Impuls-Folge DC 0Hz S 2 S 3 S beliebiges abgeasees Audiosignal Spekrum abgeasees Audiosignal Aliasaneile 20kHz S 2 S 3 S Shannon-Nyquis-Theorem Aliasing Abb kHz S 2 S 3 S Is die Samplerequenz S zu niedrig, überlappen sich die Aliasaneile und es komm zu dem so genannen Aliasing. Das Shannon-Nyquis-Theorem besag, dass die Samplerequenz immer mindesens doppel so hoch sein muss wie die höchse abzuasende Audiorequenz (Nyquis-Frequenz), um Aliasing zu verhindern. S N = 2 S : Samplerequenz N : Nyquis-Frequenz 103

6 m zu verhindern, dass auch Signalaneile oberhalb der Nyquis-Frequenz an den Abaser gelangen, wird vor dem Abaser ein ensprechendes Tiepassiler angebrach. Abgeleie vom Einsazzweck wird dieses Filer auch Ani-Alias-Filer genann. Samplerequenzen 22,05 khz Mulimedia 32 khz Digial Radio (DAB: Digial Audio Broadcasing) 44,1 khz CD 48 khz DAT 96 khz DVD 192 khz DVD-A Voreile von hohen Samplingrequenzen EQ arbeien besser bessere okalisaion bei auzeisereoonie Dierenzöne bei Naurinsrumenen durch sehr hohe Oberöne außerhalb des Hörbereichs AD/DA-Wandlerkee Analog In Ani-Alias-Filer Sample & Hold Quanisierung PAM-Signal A/D Digial Ou S Digial In D/A Deglicher Sample & Hold Reconsrucion-Filer Analog Ou Abb. 17 Der D/A-Wandler benöig immer eine gewisse Zei bis er sich au den vorgegebenen Wer eingeschwungen ha. Dadurch ensehen Gliches (siehe Abb. 18). m diese zu enernen wird hiner den D/A-Wandler eine Sample & Hold Schalung angebrach. Nach seiner Funkion wird diese auch Deglicher genann. Gliches Deglicher Abb

7 Danach iler das Reconsrucion-Filer die bei der Abasung ensandenen Alias-Aneile wieder aus, sell das ursprüngliche Spekrum wieder her und mach so aus dem zeidiskreen wieder ein zeikoninuierliches Signal Quanisierung Ers bei der Quanisierung inde die eigenliche Analog-Digial-Wandlung sa. Aus dem zeidiskreen Analogsignal wird ein zei- und werediskrees Digialsignal. Jedem Abaswer wird ein, seiner Größe ensprechender, Zahlenwer zugewiesen. Die Anzahl der zur Verügung sehenden Zahlenwere wird durch die Worbreie des digialen Sysems besimm. Der höchse Zahlenwer ensprich dabei immer 0dB FS. Eine Ausseuerung über 0dB FS ühr soor zu einer krassen Verzerrung des Signals ( Clipping). Die olgende Abbildung zeig die Quanisierung am Beispiel eins 2 Bi Wandlers. Clipping 11 0 db FS Abb. 19 quanisier Zahlensyseme Normalerweise rechnen wir immer im Dezimalsysem, benuzen also zur Darsellung von Zahlen 10 Ziern. Digiale Syseme benuzen lediglich 2 Ziern (bzw. hohe Spannung, niedrige Spannung) um Zahlen darzusellen oder mi ihnen zu rechnen. Man nenn dieses Zahlensysem Dual- oder Binärsysem. dezimal binär hexadezimal A B C D E F

8 Da eine Zahl im Binärsysem sehr unübersichlich is wird zur Darsellung auch o das Hexadezimalsysem (16 Ziern) verwende. Beispiel: Worbreie FF 255 Die Anzahl der möglichen Spannungssuen wird durch die Worbreie in Bi besimm. Berechnen läss sich die Anzahl der Zusände wie olg. Bianzahl 2 = Anzahl der Zusände Bianzahl Anzahl der Zusände 1 Bi 2 2 Bi 4 3 Bi 8 4 Bi 16 8 Bi Bi Bi Kennlinie der Quanisierungssue Ebenso wie ür ein Regelversärker kann man ür die Quanisierungssue auch eine Kennlinie zeichnen, also die Ausgangsspannung über die Eingangsspannung auragen. Die olgende Abbildung zeig die Kennlinie wieder am Beispiel eines 2 Bi-Wandlers. OT 1:1 Gerade Kennlinie Quanisierungs inervall Q Abb. 20 IN Wie in der vorhergehenden Abbildung zu erkennen, erzeug die Quanisierungssue ein Quanisierungsehler, welcher abhängig vom Eingangspegel is. Dieser Quanisierungsehler wird hörbar als Quanisierungsrauschen. Er beräg maximal ½ Q. Soll er kleiner werden muss die Anzahl der Sellen vergrößer und somi das Quanisierungsinervall verkleiner werden. Mi jedem zusäzlichen Bi verdoppel sich die Anzahl der Sellen und der Quanisierungsehler halbier sich. Also wird das Quanisierungsrauschen bei gleich 106

9 bleibender Ausseuerung mi jedem zusäzlichen Bi um 6 db leiser und die Sysemdynamik um 6 db größer. Die Dynamik eines digialen Sysems läss sich wie olg berechnen. Beispiel: S/N = 6 Worbreie CD (16Bi) DVD (24Bi) Inerne Signalverarbeiung (32Bi) 96 db 144 db 192 db +½ Q OT 0 db FS IN -½ Q Abb Worbreienredukion Eine Verringerung der Anzahl der Bis is bei der digialen Signalverarbeiung is an verschiedenen Sellen nowendig, beispielsweise um von der inernen höheren Berechnung mi 32 Bi au 16 Bi/24 Bi zu kommen. Truncaion Hier werden zur Requanisierung einach die SBs (leas signiican bi) weggelassen. Beispiel: 6 Bi = 0, lg 0,587 = 4,62dBFS 4 Bi Rounding = 0, lg 0,600 = 4, 43dBFS Bei dieser Technik allen die lezen Sellen nich einach weg sondern es wird zusäzlich noch gerunde. m dies zu erreichen muss man einach das höchswerigse der SBs hinzuaddieren. 107

10 Beispiel: 0 0 Abrunden Aurunden Dihering Der Quanisierungsehler mach sich bei hohen Pegeln als Rauschen bemerkbar. Deso niedriger der Pegel wird, umso mehr bekomm das Rauschen einen onalen Charaker. Das Spekrum des Quanisierungsgeräusches änder sich also mi der Ausseuerung. Dadurch mach sich das Quanisierungsgeräusch viel sörender bemerkbar als ein Rauschen saisischer Naur. m diese Korrelaion zwischen Eingangssignal und Quanisierungsgeräusch auzuheben, wird dem Signal ein weißes Rauschen ( Diherrauschen) in Größenordnung der Zielworbreie hinzugeüg. Durch das Rauschen nimm eine Spannungssue nich mehr nur einen Wer an, sondern zuällig den höheren oder ieeren Wer. Dami is die Abhängigkei von der Ausseuerung augehoben. Ampliudenvereilung des Diher-Rauschens Wahrscheinlichkei Diher Ampliude (SB) Abb. 22 Wahrscheinlichkei Diher Ampliude (SB) Abb. 23 Wahrscheinlichkei Diher Ampliude (SB) Abb. 24 Recheck (RPDF: recangular probabiliy densiy uncion) + 3dB noise Dreieck (TPDF: riangular probabiliy densiy uncion) + 4,77dB noise Gauß (GPDF: gaussian probabiliy densiy uncion) + 6dB noise 108

11 Noise Shaping Rauschormung (engl. noise shaping) bezeichne ein Verahren bei dem die Rauschenergie in Frequenzbereiche verschoben wird die vom Gehör nich bzw. nich so lau wahrgenommen werden. Die Rauschenergie wird dabei nich abgeschwäch. Noise Shaping weißes Rauschen Abb. 25 Noise Shaping-Verahren Abkürzung Verahrensname, zusäzliche Parameer Herseller V22/HR Normal, High Apogee SBM Super-Bi-Mapping Sony ANR Advanced Noise-Shaping Rediher Weiss Engineering SNS Super Noise-Shaping (1, 2, 3, 4) Prism POW-r IDR Psychoacousically Opimized Wordlengh-Reducion Increased Digial Resoluion O, Moderae, Normal, lra Millennia Media, Weiss Engineering, Z-Sysems, ake DSP Waves Jier Durch einen schwankenden Sampleak werden die Ampliuden ehlerha abgease bzw. wiedergegeben. Der dadurch ensandene Fehler wird als Jier bezeichne. Die Jierampliude is der Absand zwischen dem größen und kleinsen Sampleak. Durch Jier bzw. eine zu hohe Jierampliude nimm das Rauschen zu hohen Frequenzen hin zu und das Sereobild verschlecher sich. Fehler Abb

12 Oversampling m Aliasing komple zu verhindern müsse der analoge Ani-Alias-Filer, wie die nacholgende Rechnung zeig eine exrem hohe Flankenseilhei (z.b. 480dB/Okave Filer 80. Ordnung) besizen. Solch ein analoges Filer kann aber prakisch überhaup nich sinnvoll gebau werden, da mi zunehmender Flankenseilhei Phasenverschiebungen immer mehr zunehmen und der Frequenzgang im Übergangsbereich äußers ungleichörmig wird. Beispiel: 96dB (16Bi) in khz Abb. 27 N 24kHz 20kHz 1 = Okave 20kHz 5 96dB db = Okave Okave 5 S m dieses Problem zu lösen wird beim Oversampling das Signal zuers mi einem Vielachen der Samplerequenz (z.b. 2-ach) abgease. Dadurch kann das analoge Ani-Alias-Filer viel lacher verlauen (weniger Phasenverschiebungen, bessere Impulswiedergabe, günsiger, ). Nach dem A/D-Wandler siz dann noch ein weierer Ani-Aliasing-Filer. Dieser is jedoch als digialer FIR-Filer realisier, welche keine requenzabhängigen Phasenverschiebungen erzeugen. Danach wird die Samplerequenz direk wieder reduzier. 0,5 s s 1,5 s 0,5 s s 1,5 s 2s Analoges Filer Sample & Hold A/D Wandler Digiales Filer Samplerae- Reduzierung Abb. 28 0,5 s s 1,5 s 2 s 0,5 s s 1,5 s 2 s 0,5 s s Ein weierer Voreil des Oversamplings is es das sich das Quanisierungsrauschen au einen größeren Frequenzbereich vereil, welcher aber durch das digiale FIR-Filer wieder eilweise herausgeschnien wird. Das Quanisierungsrauschen wird deshalb pro Frequenzverdopplung um 3dB leiser. Wird Oversampling zusammen mi Noise-Shaping verwende, kann das Diherrauschen auch oberhalb der ursprünglichen Nuzbereichs (z.b. >20kHz) geleg werden. 110

13 0 db Quanisierungsrauschen -3 db Abb. 29 N S Quanisierungsrauschen mi 2-ach Oversampling Dela-Sigma-Wandlung Im Gegensaz zur A/D-Wandlung mi dem PCM-Verahren, bei dem jedes Sample einzeln als Zahlenwer gespeicher wird, der ür eine besimme Ausseuerung seh, wird bei der Dela- Sigma-Wandlung lediglich die Dieren zum vorhergehenden Wer gespeicher und mi 1 Bi quanisier. Da nur mi einem Bi gewandel wird, verwende man zusäzlich ein vielaches Oversampling und ein Noise-Shaping Verahren. Eingesez wird dieses Verahren z.b. bei der SACD. Super Audio CD (SACD) DSD: Direc Sream Digial 64-aches Oversampling radikales Noise-Shaping 11.4 Digiale Schnisellen Übersich Name Kanäle Secker eiungsührung änge S/P-DIF consumer 48kHz/24Bi 2 Coaxial: Cinch nbalanced 2m-5m Opisch: Toslink - 2m-10m AES/EB AES-3 proessional 48kHz/24Bi 96kHz/24Bi 192kHz/24Bi ADAT 48kHz/24Bi T-DIF 48kHz/24Bi MADI 48kHz/24Bi 96kHz 2 XR Balanced 100m 8 Toslink - 5m-max. 10m 8 25-Pol-D-Sub nbalanced 5m(- max. 15m) 56/64 2x BNC nbalanced 50m-100m 111

14 Wordclock Die Wordclock is der Takgeber in einem digialen Sysem. Es wird zwischen synchroner und asynchroner Überragung unerschieden. Bei der synchronen Überragung wird der Tak mi überragen und zwar enweder über eine separae Takleiung (BNC) oder ebenalls über die Daenleiung (Genlock). Der Empänger generier bei der asynchronen Überragung den Tak (z.b. MIDI, Sar- und Sopbi) Digiale Synchronisaion Dami der Empänger auch immer zur selben Zei ein Sample erware zu der der Sender dieses auch sende, muss die Wordclock des Empängers synchron zu der des Senders lauen. Zu diesem Zweck wird immer ein Gerä zum Wordclockmaser und alle weieren Geräe in dem Digialen Sysem zum Wordclockslave. Im olgenden Beispiel soll ein DAT-Recorder via S/P-DIF an ein PC angeschlossen werden. Da ein DAT-Recorder schon durch Drücken von Play als Maser eingesell wird, muss der PC als Slave ungieren. Dami er dies u, muss in den Einsellungen der Soundkare die Syncquelle au Exernal (auch Coaxial, Opical oder ock o Inpu A genann) gesell werden. S/P-DIF Wordclock DAT PC Maser Abb. 30 Slave m von einem PC au einen DAT-Recorder Audiodaen zu überspielen, muss der PC zum Maser werden (Einsellung: inernal). Der DAT-Recorder wird durch Auswahl des Digialeingangs und Drücken der Record-Tase auomaisch als Slave geschale. S/P-DIF Wordclock DAT PC Slave Abb. 31 Maser m ein komplees Sudio zu verkabeln is jedoch eine sernörmigeverkabelung am sinnvollsen. Dami dies unkionier müssen jedoch alle Geräe exern synchronisierbar sein. Ein so genanner Hausak (Synchronizer) sell den Maser dar. Die Kabellänge solle 6m nich überschreien. DAT Mischpul PC BNC BNC MTK BNC FX Abb. 32 BNC Hausak Maser BNC m auch Geräe die sich nich exern synchronisieren lassen oder deren Sampleak von dem des Hausaks abweich in das digiale Sysem einbinden zu können, benöig man einen Sample Rae Converer. 112

15 Kanalmodulaion/Kanalcodierung Die Biolge des digialen Audiosignals wird durch die Kanalcodierung an die Eigenschaen des Überragungs-/Auzeichnungskanals angepass. Wird z.b. eine lange Folge von Einsen geolg von einer Folge von Nullen über ein Kabel überragen, würde es bei Erreichen der Nullolge ers eine gewisse Zei dauern bis sich das Kabel enladen ha Abb. 33 Biphase-Mark-Code (Biphase-Mancheser) Der eiungscode der z.b. bei AES-3 und S/P-DIF zum Einsaz komm wird Biphase-Mark- Code genann. Der Binärzahl 1 sind die Biolgen 10 & 01 und der Binärzahl 0 die Biolgen 11 & 00 zugeordne. Außerdem is beim Biphase-Mark-Code esgeleg, dass nach jeder codieren Binärzahl ein Flankenwechsel erolgen muss. Voreile: Wordclockinormaion mi im Daensrom Kabel können sich nich mehr auladen größere Kabellängen möglich kein Gleichspannungsaneil o Überrager sind einsezbar o Filer unerdrücken Sörungen Signal is verpolsicher 113