Die Dynamik digitaler Systeme

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1 Fachbereich Medieninformatik Hochschule Harz Die Dynamik digitaler Systeme Referat Sabine Sarfert Abgabe:

2 Inhaltsverzeichnis 0 Einleitung Grundrauschen Faktoren die die Stärke des Grundrauschens bestimmen Möglichkeiten zur Verminderung des Grundrauschens Bedeutung des Grundrauschens Maximale Aussteuerung und Nutzsignal Maximale Aussteuerung Nutzungsignal Signal-Rausch-Abstand Rauschspannung Dynamikprozessoren Limiter Kompressor Expander...5 Literaturverzeichnis/Quellenangaben...6 2

3 0 Einleitung Die Dynamik in einem Digitalen Audio-System gibt das Verhältnis des lautesten und leisesten Pegels eines Tonsignals an. Dieser Wert wird in db (Dezibel) angegeben. Dieser Dynamikbereich wird nach unten durch das Grundrauschen des Audiosystems begrenzt, nach oben durch Erreichen der maximalen Aussteuerung des Systems (0 db). Bei Überschreitung dieser Obergrenze treten Verzerrungen des Tonsignals auf. Den Abstand zwischen Grundrauschen und Maximalwert nennt man Signal to Noise Ratio, er soll nachfolgend von Abschnitt eins bis Abschnitt drei Schritt für Schritt erklärt werden. Die natürliche Dynamik ist unendlich fein und differenziert. In Digitalen Systemen wird diese Qualität durch die Bitrate und die daraus resultierende Dynamikauflösung bestimmt. Eine niedrige Bitrate bedeutet ein grobes Dynamikraster, eine höhere Bitrate dagegen eine detailiertere Einteilung. Mit Dynamikprozessoren wie Limiter, Kompressor und Expander kann dieser Dynamikumfang beeinflusst werden. In Abschnitt vier werden diese Prozessoren kurz angesprochen. Die vorliegende Hausarbeit vermittelt das Grundverständnis zur Dynamik Digitaler Systeme. Sie verzichtet größtenteils auf die Verwendung diverser Berechnungsformeln, da die Medieninformatik im Gegensatz zur Toningenieurausbildung- diesen fachlichen Hintergrund nicht abdeckt. Detailwissen können Interessierte z.b. über die im Literaturverzeichnis genannten Quellen erlangen. 1 Grundrauschen Das Grundrauschen ist die untere Grenze der Dynamik eines digitalen Systems, es ist das Grundgeräusch eines einzelnen Gerätes, das zwar in betriebsbereitem Zustand ist, aber kein Nutzsignal führt. Der Begriff Grundrauschen bezeichnet auch das gesamte Grundgeräusch einer Audiokette. Das Grundgeräusch von jedem Gerät in einer Kette addiert sich zu einem Gesamtgeräusch. 1.1 Faktoren die die Stärke des Grundrauschens bestimmen Art des Gerätes (ein aktives oder ein passives Gerät) bei passiven Bauteilen wird das Rauschen durch die Brownsche Molekularbewegung verursacht. bei aktiven Geräten ist die Ursache die Stromversorgung (je mehr Leistung, desto höher das Grundrauschen) Temperatur in dem Gerät und um das Gerät herum. je höher die Temperatur, um so größer wird die Eigenbewegung der Teilchen mechanische und elektrische Abschirmung Bauweise des Gerätes werden viele Bauteile im Inneren des Gerätes verbaut oder nur die nötigsten. Je mehr Widerstände und Kondensatoren verbaut sind, um so größer das Grundrauschen Geräteverbund am Ende fast jeder Übertragungskette befindet sich ein Wiedergabegerät, wie z.b. ein Lautsprechers oder Kopfhörer, diese werden von einem Verstärker angesteuert. Je größer die Verstärkung, desto stärker ist das Grundrauschen. 1.2 Möglichkeiten zu Verminderung des Grundrauschens Möglichkeiten das Grundrauschen möglichst gering zu halten und die Hörbarkeit zu mindern: Geräte nicht größerer Hitze auszusetzen oder die Kühlung der aktiven Bauelemente beeinflussen (vor allem im Sommer) Expandern oder Noise Gates verwenden sie mindern das Grundrauschen oder blenden es aus, indem sie den Arbeitspunkt des Gerätes künstlich verändern. Überdeckung des Grundrauschens durch das Nutzsignals 3

4 Das Grundrauschen kann jederzeit wahrgenommen werden, so z. B. wenn die Stereoanlage eingeschaltet wird ohne eine CD oder Kassette abzuspielen, es wirkt jedoch nicht immer störend oder aufdringlich. 1.3 Bedeutung des Grundrauschens Das Grundrauschen stellt das untere Ende des technischen Übertragungsbereichs eines Gerätes dar. Mit dem Überschreiten des Grundrauschpegels (das Nutzsignal wird lauter als das Grundgeräusch) beginnt die Systemdynamik. Sie wird auch als Signal-Rausch-Abstand bezeichnet. 2 Maximale Aussteuerung und Nutzsignal 2.1 Maximale Aussteuerung Die Aussteuerung wird definiert als die Einstellung des elektrischen Signalpegels in einem vorgegebenen Dynamikumfang. Die maximale Aussteuerung (0 db) ist die obere Grenze der Dynamik eines digitalen Systems. Wird dieser Wert überschritten, übersteuert das System und es treten Verzerrungen auf. Eine technisch optimale Aussteuerung ist ein Kompromiss zwischen möglichst großem Störpegelabstand (Grundrauschen) und noch akzeptablen Verzerrungen (0 db-bereich). Der Signalspitzenpegel beschreibt die Höhe der Aussteuerung. Im digitalen System stellt ein betrieblich festgelegter Pegel Vollaussteuerung dar (0 db). Dieser Pegelwert soll vom übertragenen Signal möglichst oft erreicht, aber nur selten und dann auch nur geringfügig überschritten werden. 2.2 Nutzsignal Als Nutzsignal wird ein Signal bezeichnet, das bei einer elektrischen Übertragung verwendet wird. Es ist durch besondere elektrische Größen, wie Spannung, Strom, Frequenz, usw. gekennzeichnet. Das Nutzsignal kann aus einem zeitlich kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Vorgang bestehen. Ist das Nutzsignals einem Bezugswert zugeordnet, handelt es sich um einem Nutzpegel. Das Gegenteil eines Nutzsignals ist ein Störsignal. Bei Kommunikationssystemen, wie Telefon, Mikrofon, Funk besteht die größte Wichtigkeit darin, dass das Nutzsignal möglichst stark und unverfälscht beim Empfänger ankommt. Eventuell auftretende Störsignale müssen also möglichstschwach sein, damit sie das Nutzsignal nicht beeinträchtigen. 3 Signal-Rausch-Abstand Der Signal-Rausch-Abstand (engl. Signal to Noise Ratio ) ist ein Maß für die Qualität eines Nutzsignals, das von einem Rauschsignal überlagert ist. Es die Differenz zwischen dem Pegel des Grundrauschens und dem Pegel der ersten störenden Verzerrungen. Ab diesem Wert kann der Zuhörer das Rauschen vom Signal unterscheiden. Der Signal-Rausch-Abstand berechnet sich wie folgt: Die Signalleistung ist bei vielen technischen Anwendungen allerdings um mehrere Größenordnungen größer als die Rauschleistung, deswegen wird das Signal-Rausch-Verhältnis oft im logarithmischen Maßstab dargestellt. Der sich daraus ergebende Wert wird in db (Dezibel) angegeben. Die folgende Formel macht die Bedeutung der Bitrate in Bezug auf den Signal-Rausch-Abstand deutlich. SNR = 6 * Anzahl der Bits Je größer der Signal-Rausch-Abstand ist, umso besser und störungsfreier ist das übertragene Signal. 4

5 3.1 Rauschspannung Je mehr über das Nutzsignal bekannt ist, desto stärker lässt sich der Signal-Rausch-Abstand anheben. Dies geschieht z.b. mittels Dynamikprozessoren. 4 Dynamikprozessoren Ein digitales System ist, wie eingangs beschrieben, bei der Auflösung und Detailiertheit von Dynamik von der jeweiligen Bitrate abhängig. Dynamik kann deshalb mit entsprechenden Prozessoren noch einmal zusätzlich bearbeitet werden. 4.1 Limiter Ein Limiter regelt den Ausgangspegel auf einen bestimmten Wert herunter, welcher durch den Threshold festgelegt wird. Mit Attack wird der Zeitintervall festgelegt, in dem das Eingangssignal nach Überschreiten des Threshold-Pegels auf denselbigen heruntergeregelt wird. Die Release-Time bestimmt den Zeitintervall, in dem das Signal nach Unterschreiten des Threshold auf das normale Verhältnis von 1:1 zurückgeregelt wird. Limiter werden z.b. bei der Schlagzeugmikrofonierung eingesetzt. Jede Soundquelle bekommt hier ihren eigenen Limiter. Die Tom-Mikrofone machen so z.b. von allein zu, wenn das Tom nicht gespielt und somit der vorgegebene Pegel nicht erreicht wird. Die einzelnen Sounds können so sauberer abgenommen werden und ungewollte Störgeräusche (z.b. Snaresound in den Tommikrofonen) werden vermieden. Limiter können aber auch zum Lärmschutz verwendet werden. Wird ein Höchstpegel überschritten wird das Signal automatisch auf den Richtwert heruntergeregelt. 4.2 Kompressor Ein Kompressor ähnelt dem Limiter und dient zur Einschränkung der Dynamik eines Signals. Durch einen Hüllkurvenverfolger werden Spitzen im Dynamikverlauf erkannt und geglättet. Leise Passagen werden lauter gemacht, ohne dass laute Passagen zu laut oder etwa unangenehm wirken. Ein klassisches Einsatzgebiet für einen Kompressor ist die Aufnahme von Gesang. Die menschliche Singstimme hat ein sehr hohes Maß an Dynamik. Unbearbeitet kann sich die Stimme deshalb z.b. im Bandkontext unter Umständen nicht optimal durchsetzen. Ein durch einen Kompressor ausgeglichener Pegel behebt dieses Problem. 4.3 Expander Der Expander senkt kleine Pegel ab, lässt aber größere Pegel unbeeinflusst. Er wird zur Unterdrückung von Störgeräuschen verwendet. Es wird der Pegel eingestellt ab dem die Absenkung des Signals erfolgen soll und das Maß der Absenkung. Fingergeräusche bei Zupfinstrumenten oder auch Ansatzgeräusche bei Blasinstrumenten können somit eliminiert werden. 5

6 Literaturverzeichnis/Quellenangaben Thomas Görne, Tontechnik 1. Auflage 2006, ISBN Udo Zölzer, Digitale Audiosignalverarbeitung 1. Auflage 1996, ISBN Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik Band 2 6. Auflage 1997, ISBN