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Lärm – Teil 2

Auch arme Toningenieure lieben es, alles mit Begrenzern und Kompressoren zu schütteln und zu nivellieren, deren Prinzip auf der Reduzierung des Dynamikbereichs beruht.

Fast alle Proben durchlaufen all diese Folter. Selbst bei Verwendung eines einfachen EQ durchläuft das Signal ein digitales Filter, das ein Rundungsrauschen um mindestens einen halben Quantisierungsschritt einführt. Während des endgültigen Mischens werden alle Proben in einer Sequenz gesammelt, wobei das Rauschen von jedem zum Rauschen von einem anderen Resampling addiert wird. Aber das ist noch nicht alles: Während der Wiedergabe fügt der DAC sein eigenes Rauschen und Rundungsgeräusch hinzu. Können Sie sich vorstellen, was wirklich von dem nützlichen Signal übrig bleibt?

Lärmschutztechniken
Um dieser unglücklichen Situation abzuhelfen, wurden spezielle Geräuschreduzierungstechnologien entwickelt. Lassen Sie uns die grundlegendsten sehen.

Überabtastung
Die Oversampling-Technologie wird seit den Tagen der Multi-Bit-DACs verwendet, um durch Rauschen verursachte Verluste zu kompensieren. Das Prinzip der Überabtastung besteht darin, dass Zwischenabtastungen zu vorhandenen diskreten Abtastwerten hinzugefügt werden, wobei die ungefähre Wellenform wiederholt wird. Zwischenproben werden durch mathematische Interpolation berechnet oder mit Nullwerten gefüllt und an ein digitales Filter übertragen. Im Allgemeinen werden beide Ansätze als Interpolation und das digitale Filter als Interpolation bezeichnet. Das einfachste Interpolationsverfahren ist die lineare Interpolation, und das einfachste digitale Filter kann ein Tiefpassfilter sein.

Unten sehen Sie eine Darstellung eines Interpolationsalgorithmus für ein diskretes Signal mit dem Faktor 2. Rote Punkte zeigen die ursprünglichen Signalabtastwerte an, durchgezogene Linien – ein kontinuierliches Signal, das diese Abtastwerte darstellt. Oben ist das ursprüngliche Signal. In der Mitte befindet sich das gleiche Signal mit eingefügten Nullzählungen (grüne Punkte). Unten: interpoliertes Signal (blaue Punkte: interpolierte Abtastwerte).

Zunächst verwendeten sie nur Oversampling mit einer Frequenzerhöhung, beispielsweise von 44,1 auf 176,4 kHz. Anschließend wurde eine Überabtastung mit einer Erhöhung der Abtastfrequenz und einer Erhöhung der Quantisierungsbittiefe verwendet; Dieser Vorgang wird als Widerruf bezeichnet.

Überabtastung führt zwar zu Rundungsrauschen, verringert jedoch auch die Gesamtrauschdichte durch Erweiterung des Dynamikbereichs des Signals, und die Nachbearbeitung des Signals hat weniger Auswirkungen. Jede Verdoppelung der Abtastrate erweitert den Dynamikbereich um ungefähr einen Quantisierungsschritt (6 dB) abzüglich des Rundungsrauschens.

Um Oversampling verwenden zu können, wurden Multibit-DAC-Chips hergestellt, die bis zu 192 x 24 digitale Streams am Eingang unterstützen. Es erschienen auch Hardware-Upsampler auf Basis von DSP (Digital Signal Processor).

Natürlich hat die Verwendung der Oversampling-Technologie die Eigenschaften des Audiosignals verbessert, aber die Situation hat sich nicht drastisch geändert: Der Rauschpegel blieb hoch. Daher wurden andere Technologien angewendet.

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Geräusche

Es gibt viele Arten von Rauschen, die die Aufnahme beeinflussen können. Dies sind die wichtigsten: Quantisierungsrauschen, Rundungsrauschen, Aperturjitter, harmonische Verzerrung, analoges Rauschen.

Sie können sich mit den Beschreibungen der vier Arten von Rauschen und den Formeln vertraut machen, um ungefähr zu verstehen, wie viel Verzerrung jeder Typ in ein digitalisiertes Signal einführt.

Nehmen Sie den Begriff “Rauschen” nicht als Manifestation des bekannten “weißen Rauschens”. Verschiedene Arten von Rauschen werden unterschiedlich wahrgenommen. In diesem Zusammenhang sollte der Begriff “Rauschen” eher als Verlust eines Teils des Nutzsignals verstanden werden.

Es ist immer noch möglich, eine Art von Rauschen separat grob zu berechnen, aber der Gesamtrauschpegel während der Digitalisierung ist kaum. Dies ist ein sehr komplexes mathematisches Modell mit vielen Annahmen. Versuchen wir, vom Gegenteil auszugehen und den Dynamikbereich des im ADC (Analog-Digital-Wandler) aufgezeichneten Signals zu analysieren und mit dem zu vergleichen, was theoretisch möglich ist.

Der Rauschpegel wird im Allgemeinen in Bezug auf den Quantisierungsschritt (ein Bit) oder den Dynamikbereich des Audiosignals berechnet. Der Dynamikbereich wird in Dezibel gemessen und kann nach folgender Formel berechnet werden: DR = 20 lg (2 N), wobei N das Quantisierungsbit ist. Es stellt sich heraus, dass für 16 Bit der mögliche Dynamikbereich etwa 96 dB und für 24 Bit etwa 144 dB beträgt.

Ich werde die Ergebnisse des Testens des ADC “Lynx Studio Hilo TB” nehmen, dies ist ein Studio-ADC / DAC der höchsten Preiskategorie. Es zeigte die folgenden Ergebnisse.

ARBEITSZEITEN 24 BITS, 44 KHz
Dynamikbereich, dB (A) 119,3 Fein
Und hier sind die Ergebnisse ohne Verstärkung.

ARBEITSZEITEN 24 BITS, 44 KHz
Dynamikbereich, dB (A) 112,6 Fein
Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass der getestete ADC Dithering-, Noise Shaping- und Dezimierungstechnologien verwendet, die einen erweiterten Dynamikbereich und einen reduzierten Geräuschpegel ermöglichen. Ich werde Ihnen im nächsten Absatz mehr über diese Technologien erzählen.

Nun schätzen wir: 24 Bit entsprechen 144 dB; Dies ist der mögliche Dynamikbereich. Wir subtrahieren den tatsächlichen Dynamikbereich von 119 dB von 144 dB, der Geräuschverlust beträgt bestenfalls 25 dB und im schlimmsten Fall 32 dB. Leider wurde es nicht mit 16 Bit getestet, aber in Bezug auf das Verhältnis sollten die Ergebnisse noch schlechter sein, da eine Verringerung der Bittiefe zwangsläufig zu einem erhöhten Rauschen führt. Es stellt sich heraus, dass etwa 1/5 des Signals einfach durch Rauschen verloren geht.

Das Bild ist alles andere als rosig. Und wenn Sie tiefer graben und überlegen, wie der Ton im Aufnahmestudio gemischt wird, wird es unangenehm. In der Regel werden fertige Arbeiten aus Proben gemischt, bei denen die angegebenen Geräusche bereits vorhanden sind, da die Proben auf einem ähnlichen ADC aufgezeichnet werden. Dann werden Effekte hinzugefügt, die zumindest zu Resampling und damit verbundenen Rundungsfehlern führen.

D / A-Wandler

Fahren wir mit DAC fort: Digital-Analog-Wandler. Dieses komplexe Thema ist immer mit einem Schleier der Geheimhaltung bedeckt und voller audiophiler Mystik.

Darüber hinaus gibt es viele Spekulationen von gegnerischen Lagern um Digital-Analog-Wandler: Vermarkter, Audiophile und Skeptiker. Lassen Sie uns herausfinden, wo das Problem liegt.

Multibit-DAC
Zu Beginn, als das Audio-CD-Format zum ersten Mal erschien, wurde PCM unter Verwendung von Mehrbit-DACs in ein analoges Signal umgewandelt. Sie wurden auf Basis einer Widerstandsmatrix mit konstanter Impedanz, der sogenannten R-2R-Matrix, aufgebaut.

Vereinfachte Mehrbit-DAC-Schaltung
Vereinfachte Mehrbit-DAC-Schaltung
Multi-Bit-DACs funktionieren folgendermaßen: Der PCM-Stream wird in zwei Kanäle aufgeteilt, links und rechts, und von seriell zu parallel konvertiert, beispielsweise durch Schieberegister. Daten vom rechten Kanal werden in den Puffer eines Registers und Daten vom linken Kanal in den Puffer des anderen Registers geschrieben. Daten werden gleichzeitig über parallele Ports mit einer bestimmten Abtastrate (meistens 44,1 kHz) übertragen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Nur die parallelen Ausgänge sind nicht acht, sondern sechzehn, da die Bitbreite 16 Bit beträgt. Abhängig von der Position im Rahmen treffen die hohen und niedrigen Bits auf unterschiedliche Widerstände entlang des Weges des elektrischen Stroms, da die Anzahl der in Reihe geschalteten Widerstände unterschiedlich ist. Je älter das Gebiss, desto wichtiger ist es.

Multi-Bit- oder Multi-Bit-DACs erfordern sehr hochwertige Komponenten und eine präzise Widerstandseinstellung, da sich Ungenauigkeiten bei den Komponentenbewertungen summieren. Dies führt zu schwerwiegenden Abweichungen von der ursprünglichen Wellenform und führt zu einem mehrstelligen Quantisierungsfehler.

In Multi-Bit-DACs aus den achtziger Jahren gibt es keine PCM-Manipulation. Die Multibits sind direkt mit dem I2S-Bus verbunden und geben das PCM unverändert wieder: Die Daten vom rechten Kanal (16 Bit) sind eingetroffen, sie haben auf die Daten vom zweiten Kanal (16 Bit) gewartet, sie haben beide Kanäle an die Widerstandsmatrix gesendet. und so weiter mit einer Frequenz von 44,1 kHz.

In den achtziger Jahren wurden die Frequenz und die Bittiefe durch das CDDA-Format bestimmt, das fast zu einer Referenzimplementierung des Satzes von Kotelnikov wurde. Mit einigen Vorbehalten kann so der spätere MP3 charakterisiert werden. Nur vom DVD-Audio-Format wurde der Ansatz zur Digitalisierung und Tonwiedergabe überarbeitet.

So funktionierten die ersten einfacheren DACs, dann begannen sie, Konverter mit einem komplexeren Gerät zu verwenden. Die Schaltung wurde modernisiert, die Komponentenqualität verbessert und die Multi-Bit-DAC-Oversampling-Technologie wurde ebenfalls verwendet. Überabtastung ist die Überabtastung eines digitalen Stroms mit Aufwärtsabtastung und Quantisierungsbittiefe, um das Quantisierungsrauschen zu reduzieren.

Um zu erklären, warum Oversampling verwendet wird, muss über die Anwendung des Kotelnikov-Theorems in der Praxis gesprochen werden. Nicht alles hier ist so optimistisch, wie es in der Welt der Mathematik scheint; es geht nicht um etwas “genaues”, wie es im Satz geschrieben steht.

Kotelnikovs Theorem
“Jede Funktion F (t), die aus Frequenzen von 0 bis 1 besteht, kann kontinuierlich mit jeder Genauigkeit unter Verwendung von Zahlen übertragen werden, die in 1 / (2f 1) Sekunden auftreten.”

Folgen des Satzes von Kotelnikov:

Jedes analoge Signal kann mit beliebiger Genauigkeit aus seinen diskreten Abtastwerten rekonstruiert werden, die mit einer Frequenz f> 2fc aufgenommen wurden, wobei fc die maximale Frequenz ist, die durch das Spektrum des realen Signals begrenzt ist;
Wenn die maximale Frequenz im Signal gleich oder größer als die Hälfte der Abtastfrequenz ist (Aliasing), gibt es keine Möglichkeit, das Signal ohne Verzerrung von diskret nach analog wiederherzustellen.
Wenn Sie sich für Details interessieren, können Sie die Hauptquelle konsultieren – die Arbeit “Über die Bandbreite von” Äther “und Kabel in der Telekommunikation” von V. A. Kotelnikov (PDF).

Schwierigkeiten mit dem Satz von Kotelnikov
Kotelnikovs Theorem wird oft zu wörtlich genommen und zum Absoluten erhoben. Wie viele Artikel von überzeugten Skeptikern habe ich über die wunderbaren MP3- und CDDA-Formate und die verrückten Audiophilen gelesen, die ihre unnötigen DVD-Audios und DSDs an alle verkaufen! Ihr Hauptargument ist natürlich der Satz von Kotelnikov.

Zunächst reicht die Nyquist-Frequenz in der Praxis nicht aus, um eine genaue Wellenform zu übertragen. Aufgrund unvollständiger Bedingungen treten unweigerlich Geräusche und Verzerrungen auf: Quantisierungsrauschen beim Aufzeichnen eines Audiosignals, Rundungsrauschen während der Verarbeitung und Wiedergabe und mehr.