Wie funktioniert 1-Bit-Wandlertechnik?

Alle 1-Bit-Wandler arbeiten mit der Sigma-Delta-Wandler-Technik und nutzen dabei Oversampling, Noise-Shaping und digitale Filterung. Im Grunde genommen ist die 1-Bit-Wandlertechnik ein sehr einfaches Wandler-Prinzip, das nur ein Bit kennt. Bei der Deltamodulation werden lediglich Pegeländerungen der Signalspannung digital umgewandelt. Steigt die Spannung, steht dafür eine digitale „1“, sinkt sie, steht dafür eine digitale „0“. Steigt die Spannung weiter, kommt eine weiter „1“ und so fort. Jedes Bit steht für einen fest definierten Spannungswert. Bleibt die Spannung konstant, findet ein ständiger Wechsel zwischen „1“ und „0“ statt. Wie man sieht, funktioniert das Verfahren nur dann, wenn sich Spannungen permanent ändern, so wie das bei Audio-Signalen der Fall ist. Durch sehr hohe Sampling- beziehungsweise Abtastfrequenzen, die hier in den Megahertz-Bereich reichen, lässt sich die Genauigkeit und Auflösung der 1-Bit-Wandlung beträchtlich erhöhen, denn der Informationsgehalt setzt sich aus der Sampletiefe (Bitrate) und der Abtastrate beziehungsweise Abtastfrequenz (Samplingfrequenz) ab. Eine niedrigere Abtastrate in Kombination mit einer hohen Sampletiefe hat den gleichen Informationsgehalt wie eine hohe Abtastrate in Verbindung mit einer niedrigen Sampletiefe, wie beim 1-Bit-Wandler.

Der Delta-Sigma-Wandler als A/D-Wandler besteht aus zwei Blöcken, einem analogen Modulator und einem digitalen Filter. Dem  Modulator, der als Komperator (Delta) arbeitet, ist ein Tiefpass als Integrierer (Sigma) vorgeschaltet. Gleichzeitig wird von der Eingangsspannung das durch einen 1-Bit-D/A-Wandler rückgewandelte Audio-Signal mittels Differenz-Verstärker wieder abgezogen, so dass der Komperator jedes Mal wieder zurückgesetzt wird. Dadurch entsteht der 1-Bit-Datenstrom. Das analoge Signal könnte nun unmittelbar durch Integration, also durch einen Tiefpass wieder zurückgewonnen werden – allerdings mit einem sehr schlechten Rauschabstand. Der wäre bei 64-fachem Oversampling nur 24 Dezibel groß. Erst durch Zusatzmaßnahmen lässt sich dieser deutlich steigern. Dazu benutz man das Noise Shaping. Dieses verschiebt das beim Wandlungsprozess entstehende Quantisierungsrauschen zu hohen Frequenzen hin, also außerhalb des Hörbereichs. Dies geschieht durch den analogen Integrierer, der dem Differenzverstärker nachgeschaltet ist. Dieser dämpft die Frequenzanteile, die spektral weit von der Abtastfrequenz und ihren Vielfachen liegt, was zu einem deutlich verminderten Quantisierungsrauschen führt. Dieses steigt allerdings zu hohen Frequenzen exponentiell an.

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