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Digitalisierungsverfahren und Quantisierungsrauschen

Inhaltsverzeichnis

  1. 4 Digitalisierungsverfahren und Quantisierungsrauschen

PCM steht für ein sehr weit verbreitetes Digitalisierungsverfahren: Die PulsCodeModulation, die auch Basis für die „normalen“ Audio-CDs ist. Bei ihr werden, wie oben beschrieben, kontinuierliche (analoge) Signale in diskrete (digitale) Signale gewandelt, die Abtastrate ist dabei konstant. Nach der Quantisierung erfolgt die Speicherung als Binärdaten – perfekt für die Verarbeitung mit Personal Computern.

PulsCodeModulation

Eine Alternative zu PCM stellt unter anderem Direct Stream Digital (DSD) dar, welches eine Abtastfrequenz von 2,8224 MHz oder auch 5,6448 MHz nutzt, mit denen zum Beispiel per Super Audio CD analoge Frequenzen bis zu theoretisch 100.000 Hz rekonstruiert werden könnten – die besten analogen Aufzeichnungssysteme in Studios erreichen derweil Frequenzen bis zirka 50.000 Hz.

Im Gegensatz zum PCM-Verfahren mit Quantisierung werden hier aber sogenannte Delta-Sigma-Werte, Änderungsangaben zum Verlauf des Audiopegels, genutzt. Jedes „Informationspaket“ enthält damit in wechselnder sogenannter Impulsbreite immer nur 1 Bit (also 0 oder 1), um die Amplitudenänderungen zu repräsentieren. Der Datenstrom einer SACD ist somit ein sogenannter „Single Bit Pulse Stream“.

DSD ähnelt dadurch analogen Signalen, was ein erklärtes Ziel von DSD ist: Durch die sehr hohe Abtastfrequenz erfährt fast jede noch so winzige Amplitudenänderung des analogen Signals eine Repräsentation im Digitalen. Wenn man so will, wird dem analoge Signal förmlich akribisch „nachgefühlt“. Von Samplingfrequenz sollte man hier kundigerweise nicht sprechen, da keine Samples im Sinne von PCM erzeugt werden.

Anti-Aliasing-Filter sind für DSD prinzipbedingt überflüssig, genauso wie steilflankige Filter, um außerhalb der Nyquist-Frequenz liegende Frequenzanteile zu filtern – wegen der hohen Abtastfrequenz gibt es keine außerhalb der Nyquist-Frequenz liegenden analogen Signale, oder kennen Sie Instrumente, die noch oberhalb von 100.000 Hz arbeiten? Das filterlose Design garantiert somit Verfärbungsarmut. Allerdings hat man es mit erhöhtem Wandlungsrauschen zu tun, das aber per Filter (es geht also nicht ganz ohne) in für den Menschen zunehmend schlechter wahrnehmbare Frequenzbereiche oberhalb von 40.000 Hz gelegt wird.

außen pcm, innen dsd

Auch arbeiten klassische PCM-D/A- und A/D-Wandler intern per DSD, um das digitale Signal den verschiedenen Verarbeitungsstufen zuzuführen. Es lag nahe, irgendwann allein dieses Signal nutzen zu können und PCM zu umgehen. Tonstudios arbeiten intern teils seit langem mit DSD als Produktions- und Archivierungsformat, entsprechend liegen viele Aufnahmen nicht nur als PCM, sondern auch via DSD digitalisiert vor – ideal für audiophile Wiederveröffentlichungen.

Zum Thema Rauschen sei gesagt: Ungeliebte Quantisierungsfehler – die Ursache fürs sogenannte Quantisierungsrauschen – entstehen immer dann, wenn das zu rekonstruierende analoge Ausgangsignal zwischen zwei Quantisierungsschritten einem der möglichen „benachbarten“ Quantisierungsschritte zugeteilt werden muss. Quantisierung bedeutet, dass das kontinuierliche analoge Signal in diskrete, also auf einen Zeitraum bezogene „Wertepakete“ – die Samples – abgebildet wird. Kehrt man den Vorgang um, errechnet aus einzelnen Samples also wieder das analoge Signal, entsteht eine treppenförmige Signalwelle. Das Ergebnis sind schlicht Verzerrungen. Der durch die anschließende Interpolation dieser „Treppe“ auftretende Fehler – die Differenz von Originalsignal zu rekonstruiertem Signal – wird als Quantisierungsfehler mit daraus resultierendem Quantisierungsrauschen bezeichnet.

Das Quantisierungsrauschen nimmt zu, je geringer die Bittiefe ist: Der Signal-Rausch-Abstand sinkt, das Rauschen wird schneller hörbar. Je mehr Quantisierungsschritte im digitalen Signal zur Rekonstruktion des analogen Signals zur Verfügung stehen, desto geringer sind die Quantisierungsfehler.

Quantisierungsrauschen

Wie wird man aber Herr dieses Treibens? Sogenannte nichtlineare Quantisierung hilft (wenngleich beispielsweise bei der CD immer linear quantisiert wird). Bei diesem Verfahren werden abhängig von der Amplitude des analogen Signals die Quantisierungsschrittweiten (Samplingfrequenz) verändert. Pegelschwache Signale werden mit häufigeren/kleineren Schritten gleicher Bittiefe quantisiert, laute Signalanteile mit weniger/größeren Quantisierungsschritten. Bei der D/A-Wandlung wird dann mittels einer inversen Kennkurve das analoge Originalsignal wiederhergestellt. Das Ergebnis ist, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis (Quantisierungsrauschen) trotz gleichbleibender Bittiefe bei leisen Signalen hörbar verbessert, bei lauten Signalen dagegen nur mehr oder weniger unmerklich verschlechtert, da lautere Signale das darunter liegende Rauschen sowieso weniger deutlich zutage treten lassen.

Bei diesem Verfahren kann wahlweise auch die Bittiefe verringert werden (bleibt aber konstant), ohne übermäßige klangliche Verluste hinnehmen zu müssen: Es wird davon gesprochen, dass klanglich gesehen 12 Bit Bittiefe bei nichtlinearer Quantisierung 16 Bit bei linearer Quantisierung (CD) entsprechen. Dieses Verfahren wurde beim Longplaymodus von Sonys MiniDisc auch eingesetzt.

DAC Quantisierung

Quantisierungsfehler äußern sich wie gesagt in harschem, rauem Klang und störendem Rauschen. Extrem hörbar ist das beispielsweise bei der 1990 produzierten CD Vigil In The Wilderness Of Mirrors von Marillions ehemaligem Sänger Fish. Zu Beginn des Titels A Gentleman’s Excuse Me pratzelt und kreischt es in den leisen Passagen, während in den lauteren Ruhe herrscht. Meiner Meinung nach sind das Fehler bei der Digitalisierung aufgrund mangelnder Bittiefe, die in diesem Fall sicher extremer ausfallen.

Leider muss ich Ihnen an dieser Stelle mitteilen, dass es noch weitere Einflussfaktoren auf die Klangqualität digital gespeicherter Musik gibt. Und zwar etwas verstecktere als die ex ante definierbaren Samplefrequenz und Bittiefe …

Computer-Audio, Grundlagentechnik: Grundlagen & Grundbegriffe der digitalen Audiotechnik

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