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AD-Wandlung bei 96kHz

Hier seien einige Grundlagen zur Datengewinnung und -speicherung von Audio-Daten in unterschiedlichen Formaten dargestellt:

 

Datenspeicherung:

Die Datenspeicherung in PCM mit 192kHz bei 24Bit ist für Frequenzen unter etwa 20kHz praktisch perfekt, was die Möglichkeiten angeht, daraus jemals wieder ein analoges Signal zu machen. Es ist praktisch nicht möglich, Unterschiede zwischen einem so gespeicherten Signal und einem höher aufgelösten, z.B. 384kHz PCM oder DSD zu messen. Amplitude und Phase sind bei ordentlichem Anti-Aliasing-Filter perfekt zu rekonstruieren.

Bei 96kHz und 24Bit gibt es theoretische und meßtechnisch belegbare kleine Effekte in den Höhen, die aber definitiv unhörbar sind, wenn man das Signal gut konditioniert und den AA-Filter entsprechend steuert und auslegt.

Nur bei 48kHz gibt es (auch bei 24Bit) meßtechnisch belegbare Effekte, die sich auch durch perfektes AA-Filterdesign und Signalvorverarbeitung nicht beheben lassen, vor allem in den Höhen und bei der Phasenlage. Diese sind grundsätzlich hörbar, meistens aber nur im AB-Vergleich.


Datenausgabe:

Der Transport der Daten in Richtung Wandler bringt trotz (oder wegen der PLL) immer Jitter, insbesondere bei Verbindungen zu externen Geräten über Kabel, der die Signalqualität nennenswert einschränkt. Je nach Verbindungsqualität ist das so massiv, daß die Qualität weit unter dem theoretischen Limit der Audio CD bit 44,1/16 Bit liegt und damit nicht einmal an gute, professionelle Tonbandgeräte heranreicht.

Der Datentransport gelingt bei guten physikalischen Verbindungen auf höheren Frequenzen grundsätzlich besser, weil die in den Endgeräten aktive PLL besser geführt wird und damit eine bessere Taktrekonstruktion erfolgen kann, sofern das System dafür ausgelegt und entsprechend konstruiert ist, wovon man bei Profigeräten ausgehen kann.

Hingegen gelingt der Datentransport bei schlechten physikalischen Verbindungen auf höheren Frequenzen wegen Flannkenverschleifung etc. mitunter sogar schlechter, weswegen es im Einzelfall günstiger ist, mit 48kHz zu senden, als mit 96kHz oder höher. Dies ist vor allem bei älteren und billigen Consumergeräten der Fall.


Datengewinnung:

Für eine reine mathematische Datenerzeugung, z.B. bei der elektronischen Klangsynthese reicht eine übliche Rundungsbetrachtung und ein entsprechend genaues Modell, um die o.g. Güten zu erreichen und auszulasten. D.h. man kann mit 96kHz einen praktisch perfekten Sinus erzeugen, der keine digitalen Fehler aufgrund der Auflösung oder Abtastung beinhaltet, die eine Größenordnung erreichen, welche von dem Limit der Rekonstruktion durch Analogtechnik vorgegeben ist.

In der Regel ist es eher so, daß typische Analogtechnik in Consumergeräten das Limit so tief definiert, daß auch eine Klangsynthese mit 48kHz voll ausreichend ist.

Da die Randbedingunen "Jitter", "AA-Filter" etc auch bei der Aufnahme zuschlagen, ist es im Regelfall sinnvoll, die Aufnahme auf höheren Abtastraten durchzuführen, als sie später benutzt werden soll. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß klassische AD-Wandler oft für mehrere Frequenzen ausgelegt sind und intern Filter und PLLs umschalten müssen. Vor allem bleibt die faktische interne Überabtastung in der Regel konstant und es wird lediglich anders dezimiert. Damit bringt eine höhere nominelle Abtastfrequenz am Wandler von z.B. 96kHz für 48kHz Audio nicht zwangsläufig eine nennenswerte Verbesserung.

 

Datenverarbeitung:

Grundsätzlich gilt für die Behandlung von digitalen Daten das Nyqistkriterium, welches besagt, daß alle Frequenzen unterhalb der halben Abtastfrequenz korrekt repräsentiert sind. Solange digitale Daten in dieser Domain keine Einschränkung in der Auflösung etc erfahren, bleibt die Qualität grundsätzlich erhalten.

Bei der Behandlung von Daten im Zeitbereich treten jedoch regelmäßig bandbegrenzende Filtereffekte in Erscheinung, die speziell die Höhen manipulieren wobei ein Kompromiß zwischen Erhalt der Amplitude und Vermeidung von Alis-Effekten gefunden werden muß. Maßgeblich ist dabei der Abstand der behandelten Frequenz zur Abtastfrequenz: Jer größer dieser ist, desto einfacher und besser lassen sich Filter definieren, die wie gewünscht arbeiten.

Ein Umwandeln auf höhere Abtastraten bringt grundsätzlich keinen Qualitätsgewinn. Es kann jedoch bei digitalen Bearbeitungsschritten helfen, solche typischen Effekte zu minimieren.

Es läßt sich mathematisch zeigen, daß es grundsätzlich möglich ist, einen Datenstrom von z.B. 96kHz Abtastfrequenz auf jede beliebige Abtastfrequenz darunter herabzurechnen, ohne nennenswerte Quantisierungsverluste infolge der krummen Frequenzen zu erzeugen. Es tritt lediglich die naturgemäße Bandbegrenzung auf. Dies gilt konkret für z.B. die Wandlung von 48kHz nach 44,1kHz. Dazu ist eine entsprechende Analyse des Signals samt Filterung auf die neue Abtastfrequenz und Dithering auf die Quantisierung nötig.

In der Praxis gelingt dies jedoch nur mit offline-Verfahren z.B. in Software weitgehend perfekt, weil dort ausreichende Filterlängen und Auflösungen verwendet werden können und Zeit zur Bearbeitung zur Verfügung steht. Eine aktuelle Software benötigt derzeit etwa das 15-fache an Rechenzeit im Vergleich zur Länge des Materials.

Eine Echtzeitkonvertierung ist auch mit dedizierten Chips nur mit Einschränkungen und unter einem gewissen Qualitätsverlust möglich. Nur eine Umwandlung mit ganzzahligen Faktoren z.B. 96kHz auf 48kHz ist in Echtzeit relativ gut möglich.

 

Siehe auch : Der Vorteil von 96kHz in Audio-Systemen

J.S. Stand September 2003

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