Digitaltechnik

1. Die A/D Wandlungskette:

ADC = Analog Digital Converter [ADC(deutsch)/ADU(englisch)]

DAU = Digital Analog UmsetzerDAC = Digital Analog Converter

2. Unterschied zwischen Analog und Digital:

• 1 Binärstelle! 2 Zustände• 2 Binärstellen!4 Zustände! (22)

16 Bit ---> 65.536 ! Wertzustände! --->96dB + 1,76dB Rauschen24 Bit ---> 16.777.216 !Wertzustände! --->144dB + 1,76dB Rauschen--->Bei Aufnahmen immer 24 Bit wegen den deutlich mehr Wertzuständen verwenden.

SNR = n x 6dB + (1,76dB im Summand)

! Digital ist: Darstellung von Spannungswerten in Form von Zahlen und Werten. !

1Bit (1/0) = 1 Binärstelle

---> 2 Zustände darstellen

low/high, an/aus, -5v/+5v

Digital ist wert - und zeitdiskret---> kann zu festen Zeitpunktennur feste Werte annehmen

Sobald ein Digitales Signal einmal abgespeichert ist, ist es relativ sicher gegen Veränderungen durch Störgeräusche etc., weshalb es so gesehen sicherer ist.

zu

vs.Analog Digital

Analog (dt. entsprechend)

Wert - und Zeitkontinuierlich

---> kann an jedem Zeitpunkt eine unendliche Spannungs - o. Wertform! ! ! ! annehmen

Wenn sich in das analoge etwas einspeistwas vorher nicht vorhanden war, wird es mit aufgenommen. Deshalb sind analogeSignale sehr anfällig für Störgeräusche etc.

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3. Quantisierung und Quantisierungsfehler

3.1 Quantisierungsfehler:

• Alles über dem Maximale Binärcode existiert nicht = Clipping• Maximaler Quantisierungsfehler 1/2 Bit LSB ( Least Significant Bit )• Resultiert im Komplexen Obertonrauschen, was der summierte Obertonanteil des Wandlungsfehlers ist.• Pro Zeitpunkt maximal 1/2 Bit durchschnittlich 1,76dB Rauschen = Quantisierungsrauschen• Mit jedem Bit mehr vermindert sich das Quantisierungsrauschen um die Hälfte.

Wir ein 16Bit-File in ein 24Bit-System geladen, so werden 8-Nullstellen „unten“ hinzugefügt, die letztendlich nur Stille hinzufügen. Das Signal wird dadurch letztendlich nicht besser, aber eben auch nicht schlechter.Bekommt man Audiodateien zum weiteren Arbeiten im 16-Bit-Format, kann die Session dennoch im 24-Bit-Format angelegt werden. So haben Plugins etc. einen besseren Dynamikumfang und neue Spuren sind von vornherein in einem besseren Qualität vorhanden.

Die nichtlinearen Verzerrungen die bei der Erstellung der Rechteckwelle entstehen, können durch verschiedene Filter wieder entfernt werden, sodass wieder die ursprüngliche Sinuswelle entsteht. Dies ist u.a. durch das Fourier-Theorem begründet.

4. Dithering

Bit Reduktion = Dithern fügt rauschen hinzu

Dithering bezeichnet eine Technik die angewandt wird, um in der Digitalisierung von Klangquellen den auftretenden Quantisierungsfehler abzumildern, der unvermeidlich entsteht, wenn Schallwellen in ein Bit-Muster erfasst (quantisiert) werden.

Der Quantisierungsfehler äußert sich als Quantisierungsrauschen, einem breitbandigem Rauschen ähnlich dem Rauschen z. B. eines analogen Verstärkers - bei einem voll ausgesteuerten Musiksignal fällt dies nicht sonderlich ins Gewicht, da die mögliche Dynamik ausgeschöpft wird und sich das Quantisierungsrauschen als breitbandiges "Weißes Rauschen" darstellt, das vom Hörer kaum wahrgenommen wird.

Problematisch wird es allerdings, wenn das Signal nur einen Teil der Quantisierungsstufen nutzt - beispielsweise sehr leise Ausklang-Geräusche (Hallfahnen), die anstelle von z. B. 16 Bit (CD) nur 1-8 Bit verwenden (je leiser die Hallfahne wird, desto weniger Bits nimmt sie in Anspruch). Hier wird der Signal/Rauschabstand umso geringer.

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Noch schlimmer ist allerdings die Korrelation des Quantisierungsfehlers - sie entsteht dadurch, dass Wellenkurven durch die Quantisierung in ein geringstufiges Quantisierungsmuster immer mehr einer Rechteckform ähneln. Dieser Effekt klingt sehr scharf und unangenehm und hängt direkt von dem Audiosignal ab.

Um leise Signale, die nun nicht mehr richtig dargestellt werden, von diesem Quantisierungsfehler zu lösen (zu dekorrelieren), wird dem Signal Dither-Rauschen hinzugegeben. Dadurch erhöht sich zwar die Rauschenergie im Signal, allerdings werden die sehr leisen Signalanteile nun besser wahrgenommen als vorher. Das liegt daran, dass durch die Überlagerung mit Rauschen die Rechteckschwingung wieder eher als die ursprüngliche Wellenform wiedererkannt wird. Denn im Prinzip einer Pulsweitenmodulation wird das Wellensignal nun, umso näher es der jeweiligen Quantisierungsstufe steht, durch das Rauschen dekorreliert und wechselhafter den jeweiligen Quantisierungsstufen zugeordnet. Durch diese wechselhafte Zuordnung (daher "

Dither" = "zittern") wird die Rechteckschwingung umgangen.

5. Sample & Hold-Schaltung

Das Signal ist nach S&H immer noch Analog, denn es ist zwar Zeitdiskret aber Wertkontinuierlich = PAM SIGNAL ( Pulse Amplitude Modulation ) oder PWM ( Pulse Width Modulation ).

Analoge Artefakte: Brummen, Surren, Phasenversatz, Funkfrequenz

Geradzahlige Obertonstruktur:! HarmonischUngeradzahlige Obertonstruktur: Unharmonisch

FA = ! Aufnahme Frequenz (Samplerate)FU =! Hörschwelle (20Hz)FO =! Hörgrenze (20kHz)!

Differenzband:! (fa - fu) bis (fa - fo)Summenband:! (fa + fu) bis (fa + fo)

Bsp. Aufnahme mit 30kHz = ! Fa - Fo! ! ! ! 30kHz - 20kHz = 10kHz Aliasingfrequenz im Hörbereich

Wenn MP3 zu niedrig Konvertiert wird bsp. mit 96kHz = Hörbares Hochfrequentes Fiepen.Samplerate Min. doppelt so hoch wie di Maximal zu übertragende Frequenz.High Cut gegen Anti Aliasing

Werden jedoch mehr als ein Filter in Reihe geschaltet, um eine hohe Flankensteilheit des Filters zu gewährleisten, entstehen Phasing-Frequenzen im hohen Frequenzbereich. Deshalb ist das sog. Oversampling entwickelt worden. Dabei wird das Signal deutlich höher (bis zu 256-fach) abgetastet, aber nicht jedes Sample genutzt. Letztendlich liegt die Samplefrequenz also wieder bei bspw. 44,1 kHz.Ein zweifaches Oversampling bedeutet folglich, dass mit 88,2 kHz anstatt mit 44,1 kHz abgetastet wird.Bei einer so hohen Abtastrate kann der HCF deutlich höher angesetzt werden. Dieser kann nun außerdem eine hohe Flankensteilheit haben, da die Phasing Frequenzen definitv nicht mehr im Hörspektrum des Menschen liegen.

Der Wandler erzeugt ein PCM (Pulse Code Modulation)-Signal. Dieses Signal ist Zeit- und wertdiskretisiert und somit digital.

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6. Der MP3 Codec:

Damit eine MP3-Datei ein kleineres Datenaufkommen hat, müssen bestimmte Informationen „weggeworfen“ werden:

• Bitraten Reduktion: Exponentielle Steigerung des Quantisierungsfehler ---> nicht lineare Verzerrungen, Rauschen: starke Artefakte

• Psychoakustik anwendeno Residualeffekt: Grundtöne werden entfernt, da sich diese dazu gedacht werden können,

wenn die Obertonstruktur intakt ist• Frequenzbereich eingrenzen: High- und Low-End beschneiden (60Hz-16kHz)

o Clipping: Die Grenzfrequenz wird geboostet (s.u.)• Stereoinformationen vereinfachen: Joint-Stereo-Verfahren• Downsampling: Samplefrequenz reduzieren Aliasing-Frequenzen ggf. hörbar Clipping (s.u.)

MP3-Dateien sollten niemals von 16Bit-Files erstellt werden, sondern immer von 24-Bit-Files. Dies ist unter anderen durch das zweifache Dithern erklärbar, bei dem Quantisierungsfehler exponentiell steigen(können).Außerdem sind viele Produktionen heute auf 0dBfs limitiert. Wird nun die Bitrate und die Samplefrequenz reduziert entstehen dabei, wie bereits erklärt, neue Obertöne. Diese addieren sich zum Gesamtmix hinzu. Das bedeutet, dass an bestimmten Stellen ein Clipping durch diese Addition (0dBfs + neue Obertöne) entsteht!!! Deshalb sollten MP3-Dateien von 24-Bit-Files und einem professionellen Audio-Tool (inkl. Metering-Software gegen das Clipping) erstellt werden.

Um den Frequenzbereich einer MP3-Datei einzugrenzen werden Filter genutzt. Durch den Einsatz dieser Filter wird jeweils die Grenzfrequenz geboostet. Somit entsteht also auch eine Addition auf die 0dBfs

7. Digitale Speichermedien

• Magnetisch (längs) -! Das Klassische Medium. Aufzeichnen auf Digitalem Magnetband mit feststehenden ! ! ! Köpfen z.b: DASH und ProDigi

• Magnetisch (schräg) -!Laufwerke mit rotierenden Köpfen und Schrägspuren Aufzeichnung auf ! ! ! Magnetbändern z.b RDAT ( 16bit, 44,1kHz) aber inzwischen vom Markt verdrängt

• Optische - z.B - CD / DVD

• Magnetisch-Optisch - MD = Mini Disc mit halb konvertiertem Material (inzwischen ausgestorben)

Audiomaterial auf Bändern ist immer längs = ! Sind Taktinformation der Samplerate. Taktung aufgelöst ! nach Samples ermöglicht dass 2 Digitale Geräte synchron ! die Binärinformation auslesen und Übertragen.

Man kann keine Geräte mit verschiedenenr Samplerate (z.B 44.1KHz und 48KHz), zusammen schalten. Das Ergebnis wäre eine Veränderung des Abspieltempos:• 44.1 auf 48 hoch gepitcht• 48 auf 44.1 runter gepitcht

7.1 Samplerates digitaler Speichermedien:

• 44,1 kHz ! (Red Book Standart bzw. Audio CD)• 88,2 kHz ! (Produktion für CD)• 48 kHz! (DVD, Film, Video)• 96 kHz! (Live-Pulte)• 192 kHz! (Plug Ins)

2,8224 MHz! (SA-CD Super Audio CD)• 64 x 44,1 kHz (ABER nur 1 Bit)• Es wird nur der Spannungsverlauf beschrieben (hoch/runter)• DSD-Format: Direct Stream Digital• Benötigt einen speziellen Player/(Sigmar-Delta-)Wandler

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8. Digitale Übertragungsstrecken:

AES / EBU (Audio Engineering Society / European Broadcast Union):

• Normales NF XLR Kabel mit 110 OHM für Digital• 2 Kanäle die seriell hintereinander übertragen werden• Signal Übertragung Symmetrisch ( wird in +5V und -5V geteilt und im Empfänger wieder

zusammen gefügt. max 300m, selbsttaktend = funktioniert in einer Master - Slave Kette mir nur 1 Slave• Aktuelle Version AES / EBU : bis 192 KHz / 24 Bit

S/P-DIF (Sony / Phillips Digital Interface):

• 2 Kanäle, Cinch (RCA) oder BNC Stecker mit Koaxial Kabel• Die Maximallänge sollte nicht über 15 Meter• Übertragene Spannung +0,5V / - 0,5V, 1 Signalführende Leitung + 1 Schirm, • Daten werden seriell, also hintereinander übertragen ---> Deswegen sehr langsam Datenübertragung• Koaxialkabel sind extrem einstreuungssicher - deswegen werden sie bevorzugt für Word Clock Signale

verwendet

ADAT (Alesis Digital Audio Tape):

• Optischer TOS Link (Lichtleiterkabel)• Die Maximallänge sollte nicht über 15 Meter• 4 oder 8 Kanäle, max Samplerate 8CH = 48 KHZ, 4 Ch = 96KHz• Bei 4 Ch = S-MUX ( Sample Multiplexing)• Ein ADAT Kabel geht immer nur in 1 Richtung

TDIF (Tascam Digital Interface):

• Db 25 (D Sub) oder SCSI Kabel• Die Maximallänge sollte nicht über 15 Meter• Das Kabel ist nicht selbsttaktend• 8/4 I/0 ( Hin oder zurück, immer die identische Channel Anzahl)• Max. Samplerate: 8 Ch = 48 KHz, 4 Ch = 96 KHz beide in 24 Bit

MADI (Multichannel Audio Digital):

• FDDI Kabel ( Glasfaser ---> optische Übertragung mit Lichtgeschwindigkeit)• 1 Madi enthält 32 AES / EBU Stream gemultiplext ---> 64 Kanäle• Neue MADI Interfaces haben 128 Kanäle ohne VARI Speed• Alle Channel haben 192 KHz mit 24 Bit• Unverstärkte Übertragung reicht maximal 3000• Wenn das Glasfasernetzwerk weiter ausgebaut wird, sind Sessions weltweit in Echtzeit möglich

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