Digitaltechnik
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richi44
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#1
14.10.2009, 18:50

Gemeint ist natürlich die digitale Audio-Signalverarbeitung und weder Steuerungen noch PC oder Digitalkameras. Gut, es gibt einige Gemeinsamkeiten, nämlich das Arbeiten mit binären Zahlen oder Zuständen. Und „digital“ ist nicht einfach gut oder schlecht, sondern hat dadurch, dass das Signal nur jeweils zwei Zustände kennt, eindeutige Vorteile.
Dieser Text könnte in Arial ausgedruckt sein oder in Algerian. Zwar sehen die Buchstaben etwas unterschiedlich aus, aber sie bedeuten das Gleiche und sind damit entzifferbar. Allerdings hat diese Schrift ihre Grenzen, nämlich dann, wenn jemand die Handschrift eines anderen entziffern soll und dieser andere hat eine „Sau-Schrift“. Der Text wäre leichter zu entziffern, wenn statt der Buchstaben nur zwei Zeichen eingesetzt würden, etwa ein wagerechter Strich und ein Kreis. Da würde auch ein schräger Strich als Strich durchgehen und ein Punkt als Kreis. So grässlich könnte niemand schreiben, dass es nicht zu entziffern wäre.

Damit ist eigentlich schon ein schöner Teil des digitalen Systems beschrieben: Zeichen mit nur zwei Zuständen und praktisch unbegrenzte Lesbarkeit. Das bedeutet, dass eine Abschrift zumindest keine Lesefehler entstehen lässt.
Man könnte sich nun fragen, warum wir Menschen nicht schon immer digital gedacht und geschrieben haben. Dazu folgendes: Die Stenografie ist eine Kurzschrift, welche durch die Art der Schreibweise (Vokale werden nicht als Zeichen geschrieben) ein höheres Schreibtempo erlaubt. Bei dieser Schrift müssten wir im Grunde den Text interpretieren, wenn die Vokale fehlen. Dies wäre kein grosses Problem, weil nicht alle Wörter in einem Satz Sinn machen und wir daher automatisch eine Vorauswahl treffen. Wir würden nur jene Wörter in Betracht ziehen, die im Text vorkommen könnten. Diese Interpretationsfähigkeit ist aber für eine Maschine (ein PC) schon eine recht happige Aufgabe, die zu Beginn der Rechenmaschinen noch bei weitem nicht lösbar war.
Andererseits können wir mit 25 Buchstaben plus einiger Sonderzeichen einen Text verfassen, der in der Morseschrift mit Strichen und Punkten rund drei mal so lang würde, weil ein Buchstabe aus bis zu 5 Symbolen (Striche oder Punkte) zusammengesetzt ist. Für uns ist es einfacher, sich verschiedene Zeichen und Symbole zu merken als eine Unmenge an einfachen Symbol-Kombinationen. Wenn die Buchstaben unterschiedlich aussehen, können wir sie besser unterscheiden als irgendwelche Bandwürmer aus Strichen und Punkten. Und ein Morsetext ist nur lesbar, wenn jeweils die Zeichen und Buchstaben durch grössere Abstände eindeutig getrennt sind. Wäre der Text ohne Unterbruch geschrieben, wüsste man nicht, ob ein Symbol noch zum letzten oder schon zum nächsten Buchstaben gehört.

Bei der Schrift gibt es noch etwas: Wir können den Text langsam oder schnell schreiben, ohne dass es auf den Inhalt einen Einfluss hat. Und wir können ihn je nach Bedarf langsamer oder schneller lesen.
Zeichnen wir analog ein akustisches Geschehen auf, so hat dies in Echtzeit zu geschehen. Und spielen wir es ab, so würde eine Veränderung der Zeit das Geschehen verändern. Digital aber können wir die Daten, welche letztlich die Musik darstellen, zwischenspeichern und schneller aufzeichnen. Wichtig ist, dass bei der Wiedergabe das ursprüngliche Tempo wieder verwendet wird.
Und es gibt noch einen Punkt:
Beim Niederschreiben von Buchstaben darf ruhig mal ein Bogen fehlen, ohne dass die Schrift unleserlich würde. Beim Morsen aber muss jeder Punkt und jeder Strich vorhanden sein, nichts zu wenig und nichts zu viel, weil es sonst ein anderer Buchstabe würde. Das bedeutet, dass komplexe Zeichen eher erkennbar sind, auch wenn sie nicht ganz perfekt geschrieben wurden, während einfache Zeichen immer vollständig sein müssen, um richtig erkannt zu werden.

Damit wird klar, dass die digitale Speicherung durch die Einfachheit der Signale eine hohe Wiedererkennung besitzt, was analog oder mit komplexeren Zeichen weniger der Fall ist, es funktioniert aber nur, wenn keine Daten verloren gehen. Und da dies nicht garantiert werden kann, ist jeweils eine recht komplexe Datensicherung nötig.

Soviel mal zur digitalen Grundlage, was da eigentlich damit gemeint ist.
   
Hier der Aufnahmeteil einer digitalen Audioanlage.
Das Mikrofon links stellt den analogen Eingang dar. Daran schliesst sich der Wandler A/D an, dann folgt die digitale Verarbeitung (Aufbereitung zu einem aufzeichnungsfähigen und gesicherten Signal) und letztlich die Aufzeichnung selbst. Ob dies nun auf einer Harddisc, einem Band oder einem optischen Medium geschieht ist nebensächlich.
Zusätzlich und als Basis des ganzen ist der Clockgenerator eingezeichnet, der die ganze Geschichte synchronisiert.
   
Hier die Wiedergabeseite. Zuerst die Abspielmaschine (CDP, Harddik, DAT), dann die Signalprüfung und –Rekonstruktion und schliesslich der D/A-Wandler mit der analogen Ausgabe (Lautsprecher). Und diesem ist wieder ein Taktgenerator übergeordnet.

Betrachten wir zuerst mal den A/D-Wandler. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, dies zu lösen. Der folgende Wandler ist die Ur-Version.
   
Links der Eingang, dann ein Schalter, welcher das analoge Signal kurzzeitig auf einen Kondensator leitet und diesen auf den analogen Momentanwert auflädt. Die Kondensatorspannung wird über einen Buffer und einen Widerstand zu einem Komparator geleitet. Dieser gibt ein positives Signal aus, wenn das Einganssignal positiv ist. Bei negativen Eingangssignal ist der Ausgang auch negativ. Dieses Signal wird an einen Umschalter Up/Dn geleitet, welcher so lange Widerstandskombinationen zwischen Referenzspannung und Ausgang schaltet, bis der rückgeführte Strom den Eingangsstrom kompensiert. Mit dem zusätzlichen Kondensator wird das Signal etwas gesiebt und beruhigt.
Der Umschalter verfügt also über einen DA-Wandler, welcher die (internen) Widerstände ansteuert, so das analoge, gespeicherte Kondensatorsignal kompensiert und gleichzeitig den Status der 16 Widerstände (entsprechend den 16 Bit der Wandlung) ausgibt. Diese 16 Zustände an den entsprechenden Ausgängen werden in einem weiteren Baustein in ein serielles Signal umgewandelt, das der weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass das Analogsignal quasi durch „ausprobieren“ so lange beeinflusst wird, bis der Ausgang stimmt. Und ausserdem ist natürlich eine hochpräzise Referenzspannung ohne Schwankung und Rauschen nötig, ebenso absolut genaue Widerstände zur Kompensation, denn jede Abweichung ergibt eine Abweichung der Kompensation. Und ist die Kompensation falsch, so sind die ausgegebenen Bits falsch.
Und letztlich geht das „Ausprobieren“ nicht in Nullzeit. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass keine Integrierung stattfindet und damit die momentane Zeitgenauigkeit des Referenzimpulses (Clock) keine Rolle spielt. Wir haben aber sonst genug Ungenauigkeiten und Rauschen (teils hochohmige Widerstände) welche den Störabstand verschlechtern.

Der nachfolgende Wandler ist weitgehend ähnlich aufgebaut, unterscheidet sich aber an einer definierten Stelle:
   
Bei dieser Schaltung ist statt der Widerstände nur ein Widerstand zur Kompensation eingebaut. Hier wird nämlich ein sehr schneller Zähler verwendet, der über besagten Widerstand jeweils einen kurzen, genau definierten Stromimpuls abgibt und dies so lange, bis am „Beruhigungskondensator“ (hier als echter Integrator eingesetzt) die Impulse das Eingangssignal auskompensiert haben. Dabei wird mit jedem Clockimpuls der Zähler wieder auf Null gesetzt. Der Vorteil ist, dass die einzelnen Impulse immer gleich sind und damit eine wesentlich höhere Linearität des Wandlers erfolgt. Allerdings ergibt sich eine hohe Impulszahl, nämlich die Anzahl der Möglichkeiten, die 16 (oder 24) Bit ergeben, also 65536 mögliche Zustände.
Im Prinzipschaltbild habe ich noch ein „:“ also einen Divisor eingezeichnet, der aus den Zuständen die tatsächlichen 16 Bit ableitet.

Zu diesem ganzen Kapitel zwei Bemerkungen: Erstens könnte man, wenn die Zeit zur Kompensation nicht reicht, z.B. vier Schaltungen des ersten Typs parallel betreiben. Mit einer art „Zündverteiler“ könnte man jeweils den Clock so weiterschalten, dass zwar mit allen Clockimpulsen eine neue Ladung eines Haltekondensators erfolgt, dass aber jeder Kondensator total 4 Zeiten so geladen bleibt. Damit hätte jede Sektion die vierfache Zeit zur Verfügung. Wird an den Ausgängen mit einem synchron schaltenden Verteiler jeweils der entsprechende Ausgang aktiviert, stehen die Daten genau so zur Verfügung wie in einem einfachen, aber vier mal schnelleren Konstrukt.
Zweitens sind die Wandler bei den ersten Geräten tatsächlich aus Einzelkomponenten aufgebaut worden, heute aber werden ferige Bausteine eingesetzt, sodass nicht immer klar ist, nach welchem Muster sie funktionieren. Man kann z.B. (wie bei den ersten D/A-Wandlern) mit Oversampling (vervielfachung der Clockfrequenz) mit weniger Bits eine höhere Auflösung erreichen oder die Toleranz eines Widerstandsnetzwerks verringern.

Nach dem A/D-Wandler haben wir im Grunde einen kontinuierlichen Bitstrom. Um diesen seriell verwerten zu können, muss er noch im Wandler-IC mit einem Start und einem Stop versehen werden, damit letztlich klar ist, welches der Bits das Grösste und welches das Kleinste ist.


Wenn wir nun das Aufnahme-Prinzip weiter betrachten, so ist da ein Bearbeitungsbaustein „ X*Y „ eingefügt. Dieser Baustein kann ganz unterschiedliche Aufgabe zugewiesen bekommen. Innerhalb eines geschlossenen Systems (Mischpult) kann auf diesen Baustein verzichtet werden. Bei einer einfachen Übertragung via Kabel (elektrisch) oder Glasfaser (opisch) sind zunächst einige Zusatzinformationen nötig. So wird in dem einen Datenstrom ein Stereosignal übertragen. Das bedeutet, dass die doppelte Audiodatenmenge übertragen wird. Zusätzlich ist jeweils eine Information nötig, ob das Datenwort (eine feste Menge von Audiodaten) zum linken oder rechten Kanal gehören. Und es wird üblicherweise ein Parity-Bit übertragen, das eine rudimentäre Überprüfung zulässt, ob das Datenwort richtig oder falsch ist. Dazu wird das Bitmuster betrachtet, ob es „gerade“ oder „ungerade“ ist. Entsprechend wird das Parity-Bit gesetzt. Stimmt bei der Kontrolle am Digitaleingang der Status „gerade/ungerade“ nicht mit dem Parity-Bit überein, so ist klar, dass an diesem Wort etwas nicht stimmt. Was der Fehler ausgelöst hat und wo er im Wort sitzt ist damit aber nicht feststellbar. Nur kann man davon ausgehen, dass in einer Übertragung kaum kurzzeitige Fehler auftreten können, welche ein Bit „verschlucken“ oder unkenntlich machen, sodass entweder eine intakte Verbindung besteht oder ein gestörtes und somit unbrauchbares Signal eintrifft.
Und in Erinnerung an das eingang Erwähnte spielt es tatsächlich keine Rolle, über welches Medium ein digitales Signal übertragen wird (Kabel oder optisch). Genau so wie die Schriftart oder die Papierqualität keinen Einfluss auf den Text eines Buches hat, so spielt die Übertragungsart keine Rolle auf die Daten.


Jetzt nehmen wir mal an, wir hätten da ein digitales Signal, das von einem CDP stammt. Dieses wird optisch übertragen (mit Kabel wäre es genau das Selbe!). Wir haben gesehen, dass wir 16 Bit Audio zu übertragen haben. Und wir haben eine Start- und Stopkennung, zusätzlich der Hinweis, aus welchem Kanal das Signal momentan stammt. Und natürlich das Parity-Bit. Weiter umfasst der Bereich der Zusatzinformationen noch einen Hinweis, von welcher Quelle (hier CDP) das Signal stammt und ob es sich um das Original oder eine digitale Kopie handelt (Kopierschutz). Zusätzlich sind Daten dabei über die Laufzeit und etliche weitere Angaben. Diese Zusatzdaten sind jeweils so verpackt, dass nicht alle in jedem Datenwort übertragen werden, sondern abwechselnd. Nur so ist die zusätzliche Datenmenge überhaupt übertragbar. Und da es auch wenig Sinn machen würde, z.B. die Momentanzeit 88000 mal in der Sekunde anzugeben (25 mal pro Sekunde sollte genügen!), reicht dieses abwechslungsweise Übertragen vollauf.

Hier wird ein Teil der Digitaltechnik-Problematik offenkundig: Neben den eigentlichen Daten (Musik, Text, Zahlen) sind immer noch Zusatzinformationen nötig. Es ist nötig zu sagen, ob es sich um kleine oder grosse Buchstaben handelt, ob die Musik zum linken oder rechten Kanal gehört oder ob die Zahlen zu addieren oder multiplizieren sind. Dies alles macht eigentlich die Technik umfangreich (und früher entsprechend langsam), es erlaubt aber auch mit einem PC Text zu verarbeiten, Musiksignale zu mischen und aufzuzeichnen und die Buchhaltung in Ordnung zu bringen. Es ist also dem Bearbeitungsgerät (PC) wurscht, was damit angestellt wird, er beaubeitet Daten und sonst nichts. Und dies erklärt einmal mehr, dass es keine Rolle spielt, wie die Daten zum PC und von diesem weiter geleitet werden. Eine Verfälschung der digitalen Daten würde ja nicht nur das Audiosignal betreffen (weil die Bits nicht eindeutig zu identifizieren wären) sondern man hätte plötzlich Millionen auf dem Konto, der Autor der Bibel würde mit Jules Verne angegeben und die Musik wäre schlimmer als das Geräusch eines Eisenbahnunglücks. Es ist also nicht möglich, durch die Übertragung NUR Audio zu beeinflusswen oder bei TV NUR die rote Farbe oder... ohne auch alle Zusatzinformationen zu verändern.
Und wenn ich an dieser Stelle nochmals zurückblende, so habe ich gesagt dass bei Integrationen im A/D-Wandler zeitliche Unstabilitäten das Signal verändern können, was zu Rauschen führt. Dieses Rauschen wird umso grösser, je grösser das Nutzsignal ist. Ist kein Bit gesetzt, so erfolgt auch die Integration mit der Spannung Null und somit gibt es keine Signalveränderung durch die Zeitveränderung. Null bleibt Null.

Hier also noch die zweite Sache, die es zu hinterfragen gilt. Wenn der Clock nicht zeitgenau arbeitet, also schwankt und Jitter aufweist, so kann dies je nach Wandler die Integrationszeit und damit die letztliche Spannung des Audiosignals beeinflussen. Oder anders herum: Durch die unterschiedliche Integrationszeit verändert sich die Kompensation, welche also mal früher und mal später erreicht wird und damit ein unstabiles Digitalsignal liefert. Dies äussert sich in Rauschen. Die Frage ist nun, wie gross dieses Rauschen in der Praxis wird, bezw. wie stabil der Clock sein muss.
Nehmen wir mal an, wir hätten eine „hundslausige“ Stabilität von nur 0,1%. Das ergäbe eine Pegelunsicherheit von 0,1%, was einem Rauschabstand von 60dB entspricht. Wie bereits erwähnt ist das Rauschen vom momentanen Pegel abhängig. Ist das Musikstück leise, so ist das Rauschen immer noch 20dB unter diesem Musikpegel, est die Musik laut, ist das Rauschen 60dB unter der lauten Musik. Damit wird das Rauschen eigentlich immer durch das Nutzsignal verdeckt.
Und nicht vergessen, die 0,1% sind nur ein Rechenbeispiel. Die tatsächliche Stabilität des Clocks ist weit höher, sodass wir mit Modulationsrauschen (so nennt man ein Rauschen, das in der Abhängigkeit vom Nutzsignal auftritt) von weniger als –80dB rechnen müssen, was endgültig unter der Wahrnehmungsgrenze liegt. Kommt hinzu, dass wir gemeinhin davon ausgehen, dass es sich bei den Digitalsignalen um Produkte aus Studios handelt, bei welchen eh mit einem höherwertigen Equipment gearbeitet wird, sodass Jitter kein Thema sein sollte.


Jetzt wollen wir uns aber nochmals der Übertragung via Kabel annehmen. Wir haben gesehen, dass innerhalb eines Systems eigentlich der kontinuierliche Datenstrom ausreicht, wenn wir die Teile synchronisieren. Dann spielt es auch keine Rolle, wenn 5 H-Bit oder 5 L-Bit aufeinander folgen, wenn also während 5 Zeiten 0V oder 5V anstehen.
Ist aber eine Übertragung nicht zwingend synchron, so kann nicht über „längere“ zeit ein „Gleichspannungssignal“ ohne Trennmarken übertragen werden. Ich setze bewusst Gänsefüsschen, weil es sich im landläufigen Sinne noch lange nicht um Gleichspannung oder längere Zeit handelt, in dem Zeit- und Frequenzbereich, den wir bei der digitalen Übertragung aber hauptsächlich verwenden, sind diese Signale Gleichspannung.
   
Hier das Signal, wie es tatsächlich auf dem Kabel zu finden ist. Das Blaue ist das eigentliche Eingangssignal, also 2 mal H, 2 mal L und wieder einmal H. Die schwarzen Striche sollen die Grenzen der einzelnen Bits darstellen.
Darunter der Spannungsverlauf und noch tiefer die Messpunkte in grün, rot und schwarz. Zuletzt die Clockabschnitte. Jeder Clockpfeil bedeutet Start und Dauer eines Clockzyklus.
Die roten Pfeile darüber sind jeweils der Clock-Start. Sie treffen immer auf eine schwarze Linie des Kabelsignals, also auf einen Polaritätswechsel der Spannung auf dem Kabel. Und grün sind die Pfeile, welche einen zweiten Wechsel innerhalb eines Zyklus darstellen.
Wenn wir uns dieses Signal weiter denken, so ist klar, dass ein H oder ein L sowohl mit – als auch mit + starten kann. Und es ist auch klar, dass es nicht vorkommt, dass da über längere Zeit eine feste Spannung anliegt. Und wenn wir von einer Polaritätsumkehr ausgehen (beim Kabel, nicht aber bei der optischen Übertragung, denn Minus-Licht gibt es nicht, nur hell oder dunkel), so ist die Summe sogar über sehr kurze Zeit NULL.

Und hier gleich nochwas.
   
Hier sind grün Fensterbereiche eingezeichnet (nicht alle), in welchen das Signal auf Wechselflanken untersucht wird. Und es sind die roten Bereiche eingezeichnet, die nicht berücksichtigt werden. Das bedeutet einerseits, dass ein Signal eine bestimmte Mindestgrösse haben muss um detektiert zu werden (unterer roter Bereich), dass aber Pegelschwankungen (oberer roter Bereich) unberücksichtigt bleiben. Und es zeigt auch, dass es ausreicht, wenn der Sprung innerhalb eines Clock-Zyklus innerhalb der Fensterbreite geschieht. Ob dies nun früher oder später stattfindet spielt keine Rolle. Entweder findet in diesem Bereich ein Wechsel statt, dann ist das Bit ein H, oder es findet kein Wechsel statt, dann ist es ein L oder ein Fehler. Und ob es ein Fehler ist, sagt dann das Parity-Bit aus.
Dies alles bedeutet, dass es schon viel Ungeschick braucht, bis ein Digitalsignal unbrauchbar wird. Und solange das nachfolgende Gerät noch einwandfrei detektiert, solange wird an den Daten (Audio wie Text oder Zahlen) nichts verändert. Kommt es zu Veränderungen, wird üblicherweise stumm geschaltet, wenn nicht eine explizite Datenrekonstruktion eingesetzt wird, was bei der reinen Übertragung unsinnig wäre.


Betrachten wir nun mal den Wiedergabezweig
   
Hier haben wir eine Abspieleinheit (hier ein digitales Bandgerät), die Verarbeitungseinheit, den D/A-Wandler und den Clockgenerator. Beim D/A-Wandler wird genau wie beim A/D teils mit 1 Bit-Wandlern gearbeitet, teils mit Wandlern mit voller Bitzahl und teils mit Wandlern mit reduzierter Bitzahl, dafür aber mit Oversampling. Und genau wie beim A/D hat auch hier jdes Prinzip seine Vorzüge. Und ebenfalls trifft zu, dass bei einer Integration die Integrationsdauer direkt Einfluss auf die Signalgrösse hat. Damit kann auch hier ein Jitter des Clocks das Nutzsignal mit rauschen modulieren und auch hier ist die Höhe des Rauschens von der Höhe des Nutzsignals abhängig. Es gilt aber auch, dass die Qualität des Clocks weit über dem liegt, was an rauschen hörbar werden könnte. Wenn also von Tunern stabilere Clockgeneratoren in CDP eingebaut werden, so ist dies reiner Luxus, der sich nicht hörbar manifestiert. Und falls man ein gutes Digitalgerät besitzt, kann man immer noch die Quelle digital betreiben. Ist nämlich der D/A-Wandler nicht mehr aktiv im CDP (mittels Digitalausgang), so existiert sein Jitter nicht mehr.
Und wenn wir das obere Bild betrachten, so ist hier das Tonbandgerät mit den Systemclock synchronisiert. Dies ist bei einem AV-Receiver ebenso unmöglich wie bei einem normalen CDP. Kommt hinzu, dass der CDP mit 44kHz Samplingfrequenz läuft, andere Quellen (TV) mit 48kHz usw. Ähnliche gilt auch für den PC. Dieser läuft intern meist mit 48kHz, sodass ein CDP nicht damit synchronisiert werden könnte.
Für eine digitale Ankopplung des nachfolgenden Gerätes, zumal in Verbindung mit anderen Digitalgeräten, ist es vorteilhaft, wenn man über einen SRC (Samplerate-Converter) verfügt. Dieser (teilweise in den digitalen Eingängen der Geräte schon eingebaut) wandelt das Digitalsignal so um, dass es ohne hörbaren Qualitätsverlust an einem Gerät mit anderer Abtastrate (Samplingfrequenz) betrieben werden kann. Ebenfalls stellt diese Einheit sicher, dass es trotz fehlender Synchronisation nicht zu Aussetzern kommt.
Im Heimbetrieb hat man üblicherweise nur eine digitale Quelle in Betrieb, etwa den CDP oder den SAT-Empfänger oder den PC. Damit reicht die zwangsweise Synchronisation des AV-Receivers auf das Eingangssignal aus (in diesem ist immer der Clock enthalten).


Als letztes nochmals der Blick auf das Wiedergabeschaltbild. Da ist der X*Y-Baustein, der irgendwelche Signalverarbeitungen macht. Und wenn wir uns einen CDP anschauen, so ist da bereits sowas drin.
   
Links haben wir den Motor, dann den Laser-Empfänger mit seinem Verstärker und anschliessend ein Speicher. Dieser bekommt die Rohdaten der CD und speichert diese. Und wenn da zuwenig im Speicher drin ist, wird der Motor beschleunigt, damit mehr Daten in kürzerer Zeit eintreffen und den Speicher füllen. Und wenn er zu voll wird, wird der Motor etwas abgebremst und damit kommen weniger Daten. Dies alles geschieht absolut asynchron. Damit hat hier der Clock noch keine Wirkung. Und es hat auch absolut keine Wirkung, wenn der Motor besonders gleichmässig dreht. Der läuft so, dass der Speicher weder leer noch übervoll wird, das ist alles!
Nun wird per Clock die Auslese aus dem Speicher geordnet vorgenommen und die Daten an den Aufbereiter geleitet.

Das Problem einer CD ist, dass Schmutz und Kratzer zu Datenverlusten führen. Um dies zu verhindern gibt es ein recht kluges System. Erstens werden die Daten mehrfach auf der CD gespeichert. Zweitens ist da das Parity-Bit. Und drittens werden die Datenwörter zerschnitten und in unterschiedlichen Konfigurationen neu zusammengesetzt aufgezeichnet. Durch diese Verschachtelung ist es möglich, Defekte, die mehrere Bits betreffen, ausfindig zu machen. Wenn zuerst mal klar ist, dass ein Wort betroffen ist, so lässt sich in einem anders verschachtelten Wort feststellen, welche Bits falsch und welche richtig sind. Und in einem dritten Wort kristallisiert sich dann heraus, welches Bit tatsächlich falsch ist und dieses wird korrigiert.
Das heisst nicht mehr und nicht weniger als dass diese Korrektureinheit DAUERND damit beschäftigt ist, die bewusst hergestellten Bruchstücke zu trennen, neu zu ordnen und wieder zusammenzufügen. Und damit wird, quasi so nebenher, ein grosser Fehler in einem Wort zu vielen kleinen Fehlern in vielen Wörtern, die alle per Parity aufgedeckt und korrigiert werden können. Es ist also keineswegs so, dass die Fehlerkorrektur nur arbeitet, wenn Fehler da sind, sondern sie ist immer und dauernd am zerschneiden, neu zusammenfügen und Bits vergleichen. Darum ist der Satz von der Entlastung der Fehlerkorrektur technischer Dünnpfiff. Diese kann und soll nicht entlastet werden und ihre Arbeit ist solange absolut unhörbar, als sie tatsächlich die Fehler auch rechnerisch korrigieren kann. Ist der Schaden zu gross, so hat sich der CD-Eigentümer mit ruher Gewalt an der Silberscheibe vergriffen. Oder es könnte ein Pressfehler gröberer Art sein, der eigentlich nicht hätte verkauft werden dürfen. Jedenfalls funktioniert kein CDP der Welt ohne diese Korrektur und die Beseitigung allfälliger Fehler ist dann die geringste Aufgabe dieses Rechenkünstlers.


Zusammenfassung:
Digital klingt nicht unbedingt anders als analog, vom Prinzip her. Wenn analog keine Fehler macht, klingt es sogar genau wie digital. Aber analog macht Fehler. Durch rauschen wird ein Klang aufgeweicht. Mischt man einer Digitalaufnahme leichtes Rauschen bei und verleiht ihr noch einige Verzerrungen, so ist sie von analog nicht mehr zu unterscheiden.

Analog löst nicht unendlich fein auf. Wenn man eine sehr gute Direktschnittplatte hat, die wie der Name schon sagt ohne Bandaufnahme ausgekommen ist, ist ein erstaunlich hoher Rauschabstand möglich, der aber noch deutlich schlechter ist als eine Digitalaufnahme. Dieses Rauschen ist eine Folge des Schnitts in die Lackfolie, der Galvanisierung und Herstellung der Pressmatritzen und letztlich auch des Plattenmaterials. Würden wir uns dieses unter dem Elektronenmikroskop betrachten, sähen wir eine Kiesgrube. Und das Rauschen (ein Teil des gesammten Rauschens dieser Platte) wird durch die „Kiesgrösse“ bestimmt. Und wir können nur einen Stein rausnehmen oder drin lassen, eine Zwischenlösung gibt es nicht. Und dieser Kies ist gröber als die Auflösung heutiger SACDs. Somit stimmt das Argument nicht, analog sei beliebig fein.

Es ist absoluter Schwachsinn, wenn behauptet wird, die Fehlerkorrektur (solange sie nicht interpoliert) führe zu Klangverfälschungen und der Klang sei umso besser, je weniger diese zu tun habe. Wer das behauptet, hat das Wesen der Digitaltechnik nicht begriffen und sollte den Beruf wechseln! Tatsache ist, dass eine CD sehr viele Fehler einfacher Art aufweisen kann, die aber durch die Mehrfachaufzeichnung und die Verschachtelung der einzelnen Abschnitte ohne Murks, nur durch Vergleich der Bits beseitigt werden können. Und die dazu nötige Rechnerei wird immer und dauernd angestellt, ein Absenken dieser Leistung ist nicht möglich und auch nicht sinnvoll.

Jitter des Clockgenerators ist in der Praxis unhörbar, weil er sog. Modulationsrauschen erzeugt, das durch die Verdeckung des Nutzsignals nicht hörbar werden kann. Ohne Nutzsignal gibt es kein Modulationsrauschen. Und es gibt in der ganze Wiedergabekette (wie auch bei der Aufnahme) genügend Rauschquellen, welche das Rauschen als Folge des Clockjitters bei weiten übertönen.

Da das Digitalsignal am optischen Ausgang mit demjenigen des Koaxausgangs identisch ist, gibt es keine Unterschiede in den Daten. Und der Receiver oder externe D/A-Wandler macht nichts anderes als Datenverarbeitung. Sind die Daten gleich, gibt es nichts, das anders verarbeitet werden könnte. Und weil es keinen Einfluss auf diese Daten gibt, gibt es nur digitale Verbindungen, die funktionieren und solche, die nicht funktionieren. Klangbeeinflussungen durch Digitalkabel sind Hirngespinste.
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Eminenz
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#2
18.10.2009, 13:11

Danke Richi, mal wieder etwas mehr Licht im Dunkeln. Evtl wäre noch interessant zu wissen, wie sich Jitter bestmöglich verhindern lässt in der Praxis. Auch wären ein paar D/A bzw A/D Wandler interessant zu wissen, die deiner geschätzten Meinung nach ihren Job am besten machen.
Gruß, Miguel
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richi44
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#3
19.10.2009, 07:53

(18.10.2009, 13:11)Eminenz schrieb: Danke Richi, mal wieder etwas mehr Licht im Dunkeln. Evtl wäre noch interessant zu wissen, wie sich Jitter bestmöglich verhindern lässt in der Praxis. Auch wären ein paar D/A bzw A/D Wandler interessant zu wissen, die deiner geschätzten Meinung nach ihren Job am besten machen.

Theoretisch sollte man einen optimalen Quarz als Referenz einsetzen und diesen thermisch stabil halten. Dann sollte der OPV des Quarzgenerators rauschfrei sein (was es nicht gibt) und ebenso die Speisespannung.
Oder man verwendet eine viel höhere Quarzfrequenz und teilt mit einem variablen Teiler. Dann funktioniert die Sache auch mit unterschiedlichen Frequenzen (wie heute üblich, der kleinste gemeinsame Nenner). Und weil das Rauschen zugleich den Jitter ergibt, liegt dieses Rauschen bei einem hochfrequenten Generator zwangsläufig ebenfalls im hohen Frequenzbereich, also über der eigentlich geforderten Taktfrequenz. Und da dies nicht möglich ist, verringert sich letztlich das Rauschen und damit der Jitter weit unter die Hörgrenze. Es ist also
a) nicht nötig, sich darüber Gedanken zu machen und
b) hängt es einfach vom Konzept des Clockgenerators ab.

Nun kann man aber davon ausgehen, dass sich bei relativ komplexen Teilen, die ohnehein nicht gratis zu bekommen sind, sich eher das Beste durchsetzt und nicht unbedingt das Billigste. Ist das Beste aber erst mal Standard, so wird davon so viel produziert, dass es wieder stinkbillig zu bekommen ist. Damit ist das Problem vom Tisch. Und im Verhältnis zu einem DSP (z.B. für die Lautstärkeregelung) oder "Fehlerrechner" sind Clockgeneratoren Pfennigartikel. Cent wäre schon fast zu hoch gegriffen.

Es ist tatsächlich so, dass der Jitter kein Thema ist und nur von Beutelschneidern der Tuning-Szene hochgespielt wird.
Ähnliches gilt für die Wandler. Wie die Wandlung vonstatten zu gehen hat ist systembedingt festgelegt. Dass ein alter direkter 16 Bit-Wandler anschliessend ein komplexes Analogfilter benötigt, um 20kHz durchzulassen, Frequenzen über 20kHz aber zu unterdrücken, ist heute höchstens bei der Tonqualitätsdiskussion eines Ur-Sony mit einem heutigen Wandler von Interesse. Durch die Oversamplingtechnik (mindestens 4 fach), die heute Standard ist, verschiebt sich das Problem entsprechend um Faktor 4, sodass das Filter nicht so steilflankig und damit phasenkritisch ausfällt.

Und auch hier haben sich gute Konzepte durchgesetzt, die schlechten sind verschwunden. Wenn man also einen Hörvergleich wagt, so sind garantiert Unterschiede von 1% nicht hörbar, weil dies rund 0,1dB entsprechen. Die Wandlerfehler liegen aber bei weit unter 0,1%, sodass es keine hörbaren Unterschiede gibt und nur messbare Unterschiede (wenn überhaupt) übrig bleiben.

Und letztlich ist ein D/A-Wandler wesentlich einfacher als ein A/D-Wandler und dieser muss ja erst mal im Studio seine Arbeit verrichten, bevor wir eine CD in die Hand nehmen können. Also wäre es logischer, sich über die Studiotechnik (oder die eingesetzte Sondkarte) Gedanken zu machen. Da sich aber kein User diese Gedanken macht, kann er sich die D/A-Gedanken ebenfalls sparen. Und ich werde nicht BMW mit Audi oder Mercedes vergleichen, also auch keinen Vergleich von Wandlern anstellen, weil es einfach sinnlos ist und letztlich nur Werbung (Schleichwerbung!) für ein bestimmtes Produkt wäre.

Bleibt zu ergänzen, dass man in der Regel ja den eingebauten D/A-Wandler des CDP nutzt und somit auch dessen Analogteil. Und wenn da statt eines popeligen NE5532 ein RC1458 (noch um Faktor 10 popeliger) eingesetzt ist, so müsste man da ansetzen, um die Qualität zu verbessern.
Nun jammern wir, weil es Telarc als Plattenlabel nicht mehr gibt. Das waren doch technisch Super-Aufnahmen! Aber in den eingesetzten Mischpulten (unter anderen Studer 169) sind teils auch die oberpopeligen RC1458 eingesetzt und kein Mensch hat die Qualität dieser Aufnahmen angezweifelt.

Und wenn ich mir das Schaltbild eines Surround-Receivers anschaue, so sind die Analogeingänge letztlich alle (ausser einem Direkteingang) über die ganze Digitalstrecke geführt, also haben wir da noch einen A/D-Wandler, der wie erwähnt kritischer ist als der D/A. Und daran schliesst sich wieder ein D/A an. Wenn wir uns also Gedanken machen wollen, so sollten wir die Studiotechnik (oder zumindest die Technik bis zur CD) nicht ausser Acht lassen und nicht stur an dem einen D/A kleben. Es ist die Gesammtheit der Kette und nicht nur ein kleiner Ausschnitt. Und solange in Blindtests nichts heraus kommt und Messreihen auch keinen wirklichen Sieger erküren können, solange ist ein Unterschied und vor allem eine Qualitätsaussage durch Anhören einer irgendwie erzeugten CD nicht zielführend.
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