So misst Professional audio

Oder: Der Kurvendiskussion zweiter Teil

Zum ersten Teil –>

In meinem zweiten Artikel möchte ich das Thema Messtechnik in der Professional audio noch um die Themen Wandler-Messungen und analoge Lautsprecher-Messtechnik ergänzen. Außerdem werden unsere Messgeräte kurz vorgestellt.

Von Uli Apel

Wandler-Messungen

Bei diesen Messungen kommt es – auch wenn diese natürlich ebenfalls vorgenommen werden – weniger auf Frequenzgang und Klirrfaktor (siehe Teil 1 in Professional audio 4/2016), sondern mehr auf die Wandler-Linearität und das Jittern des digitalen Signals an.

Wandlerlinearität

Die Linearität des Wandlers ist ein direktes Maß für die exakte Reproduzierbarkeit der Dynamikverhältnisse sowohl bei großen als auch bei kleinen Pegeln. Ein 16-Bit-Signal besitzt theoretisch eine Dynamik von 96 dB, eines von 24 Bit eine solche von 144 dB. Diese Werte werden aber nur unter Idealbedingungen erreicht. Damit ein Signal hörbar wird, muss es D/A-gewandelt werden und hier befindet man sich an der Grenze des Machbaren. Eine Nichtlinearität entsteht durch Jitter und Rauschen besonders bei sehr kleinen Pegeln.
Die Kurve, die wir abbilden ist in einem Koordinatensystem mit dem Eingangspegel auf der Abszisse und dem Ausgangspegel auf der Ordinate. Die Messung beginnt mit dem höchsten Pegel (0 dBFS) und endet mit einem Pegel, der die Linear-Reproduktionsfähigkeit des zu untersuchenden Gerätes mit Sicherheit überfordert. Daher geht die Kennlinie von ihrer (idealen) 45°-Neigung zum Schluss – links unten – in eine zackigere Form über. Hier ist der Punkt erreicht, an dem das System unlinear wird. Je tiefer dieser Punkt liegt, desto besser ist es. Bei 24-Bit-Systeme sollten hier -120 dBFS erreicht werden.

Wandlerlinearitaet_web

Jitter-Histogramm

Das analoge Audiosignal wird bei der A/D-Wandlung mit einer sehr hohen Frequenz gesampelt und in gleichmäßigen, sehr kleinen Schritten quantisiert (bei 16 Bit sind das ca. 65.000 Schritte). Dann wird es aufgezeichnet oder in einem anderen Gerät bearbeitet und weitergeleitet. Bei der D/A-Wandlung wiederum wird aus diesem Signal mit der gleichen Sampling-Frequenz und den einzelnen Datenworten die ursprüngliche (analoge) Form zurückgewandelt. Um jedem Sample wieder seinen korrekten Amplitudenwert zuzuordnen, ist es einerseits wichtig, dass die Samples in ihrer Reihenfolge erkannt werden und andererseits, dass dies in absolut gleichen Abständen geschieht. Diese Abstände liegen im Nano-Sekunden-Bereich. Bei einem Sample bei einer Sampling-Frequenz von 96 kHz sind dies 11 µs.
Innerhalb dieser 11 µs muss dafür gesorgt werden, dass genau zu Beginn eines Samples mit der Wandlung begonnen wird und diese genau am Ende abgeschlossen ist. Geschieht dies nicht, kann es sein, dass ab und zu ein Amplitudenwert verloren geht und dieses ist durch ein leises Klicken im Ton durchaus hörbar.
Für den exakten Start (High) und das Ende (Low) eines Samples, welches gleichzeitig der Start des nächsten Samples ist, benötigt man nicht nur eine sehr genaue Uhr, welche die (Quarz)- genaue Sampling-Frequenz zur Verfügung stellt, sondern auch eine sehr gute Elektronik, die dafür sorgen muss, dass die Übergänge von Start zu Stopp mit äußerster Präzision erfolgen.
Dies ist nur möglich durch eine Rechteckschwingung, da bei ihr der Übergang von High zu Low in theoretisch unendlich kurzer Zeit erfolgt. In der Praxis sieht das anders aus: Jede Rechteckschwingung hat eine endliche Anstiegs- oder Abfallzeit, die auch mit entsprechendem Equipment messbar ist. Sie liegt in unserem Fall im Nano-Sekunden-Bereich.
In der Audio-Digitaltechnik sind aber gerade die Anstiegszeiten ein direktes Maß für die Qualität des Signals und des daraus resultierenden zurückgewandelten Audiosignals.
Das empfangende Gerät „sieht“ nämlich diese Anstiegszeit und es ist technisch unmöglich, auf dieser Rechteckflanke immer zum absolut gleichen Zeitpunkt von High auf Low zu schalten. Das Ergebnis ist ein Schwanken um diesen Übergang herum. Dieses Schwanken wird als „Jitter“, wörtlich übersetzt: „Zappeln“, bezeichnet. Es spielt sich ebenfalls im Nano-Sekunden-Bereich ab.
Werden mehrere Geräte digital zusammen- oder hintereinandergeschaltet, so ist es durchaus möglich, dass sich der Jitter addiert und demzufolge das Audiosignal verschlechtert. Für die Beurteilung der Güte eines solchen Signals dient das Jitter-Histogramm. Je kleiner die gemessenen Jitter-Werte sind, desto genauer kann das Signal verarbeitet werden. Der „Kamelhöcker“ ist eine Anzeige für die Wahrscheinlichkeit eines Jitterfehlers. Die Einbuchtung in der Mitte ist der Anteil der deterministischen Jitterintensität, die Höckerflanken das Maß für die zufällige Jitterintensität.
Zur Orientierung: Jitter-Werte von zwei Nanosekunden und kürzer gelten in der Studiotechnik als quasi jitterfrei. Hörbar werden Jitterwerte, wenn sie größer als 20 ns sind. Jedoch auch dieser Wert hängt von der Fehlerkorrekturmöglichkeit des entsprechenden Geräts ab.

Jitterhistogramm_web

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