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"PCM im Vergleich - Fünf Prozessoren und eine A77 (Teil 1)"

Doch zuerst einige Vorbemerkungen - nach dem Durchlesen aller Tests und Kommentare :

Die neue digitale Tonaufzeichnung auf Magnetband mittels PCM war noch so neu, daß sich bislang niemand die Mühe gemacht hatte, die Werbesprüche der Anbieter mal genauer zu durchleuchten. Und ähnlich wie 1963 bei den ersten Lautsprecherboxen von BRAUN, die nach amerikanischem Vorbild völlig unnnormal allseitig geschlossen waren, gab es auch bei der PCM Technik erst mal keine Vorlagen und Ansatzpunkte zu den Testkriterien und Messungen.

Der Ingenieur Arndt Klingelnberg hatte darum zusammen mit dem Physiker Karl Breh die technischen Grundlagen aufs Korn genommen und damit bei den Tonmeistern - die mit der (teuren) PCM Technik einige Erfahrungen hatten - heftige Kritiken bezüglich der angeblich völlig ungenügenden psychoakustischen Bewertung der Qualitäten erzeugt oder sogar provoziert.

Doch lesen Sie selbst den ersten Arikel aus Heft 12 / 1982 :

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PCM Wandler im Vergleich - Teil 1 (von 3) - 5 PCM-Prozessoren und ein Analog-Bandgerät mit Dolby-B (HS-1982 Heft-12)

von Arndt Klingelnberg im Winter 1982

Rückblick auf den Artikel über die Art der Verzerungen

Meßdaten von digital arbeitenden Aufnahme/Wiedergabe-Geräten (PCM = Pulse Code Modulation) können nicht direkt mit den Meßdaten analog arbeitender Geräte verglichen werden. In HiFi-Stereophonie Heft 09/1982 wurde ausführlich die Hörbarkeit verschiedenartiger Verzerrungen diskutiert. Nach dieser theoretischen Einführung soll nun anhand gemessener Daten die Klangqualität der verschiedenen Geräte verglichen werden, natürlich unter Berücksichtigung praktischer und gehörphysiologischer Einschränkungen.

Über die Lobhudelei bezüglich PCM

"PCM arbeitet problemlos und liefert ein optimales Klangbild." So denkt man zur Zeit. Hört man digitale Aufnahmen ab, so stellt man sofort fest, daß alles das, was bisher (bei der Analogtechnik) zu bemängeln war, verbessert ist. Aber ..., beschäftigt man sich länger mit digitalen Systemen, so fallen andere Fehler auf, auf die man bisher nicht achtete, nicht zu achten brauchte, weil diese Art von Fehlern bzw. Klangverfälschungen nicht auftrat. Allerdings: groß sind diese Fehler der digitalen Systeme nicht, aber gänzlich vernachlässigbar sind sie auch nicht.

Rückblick auf dei Magnetband-Historie

Man muß sich bei einem Vergleich digitaler und analoger Systeme klar darüber sein, über welche Art analoger Bandspeicherung man bisher verfügte. Es ist keine Frage, daß eine PCM-Speicherung einem CC-Kassettenrecorder, auch einem sehr guten, weit überlegen ist.

Vergleicht man aber die PCM-Anlage mit einem Zweispur-Spulentonbandgerät, das zudem noch mit einem guten Kompander ausgestattet ist, so können die Ergebnisse schon anders aussehen.

Erinnern wir uns doch an die Einführung des Transistors in der HiFi-Technik. Alles erschien besser, und doch gab es ein Röhren-Comeback einige Jahre später bei High-End-Anlagen. Und erst heute scheinen wir die Verstärkerfunktion vollständig zu begreifen, so daß Röhrenverstärker nun wirklich reine Historie sind.

2 kaufbare und 3 Erprobungs-Geräte

In unserem Test befanden sich mehrere PCM-Geräte aus Erprobungsserien, und zwar der "Sharp RX-1" und der "Sanyo Plus 10". Ein drittes Gerät, der "Hitachi V-300 E", den wir bereits vorstellten, dient ebenfalls der Erprobung, ist also nicht käuflich.

Bei den beiden mittlerweile auf dem Markt angebotenen Geräten handelt es sich um den "Sanyo Plus 5" und den "Sony PCM F1".

Die gute alte Revox A77 Dolby von 1967

Als Vergleich diente eine für heutige Verhältnisse einfache und von uns auch schon seit vielen Jahren im Testlabor benutzte Spulenmaschine, und zwar eine Revox A-77 mit eingebautem Dolby-B-Kompandersystem.

Diese Maschine entspricht nicht unbedingt dem Qualitätsniveau, das heute möglich ist. Allerdings gibt es auch kaum eine Maschine auf dem Markt, die wirklich wesentlich besser ist als dieses „Uralt"-Gerät. Als Band wurde der mittlerweile schon überholte Revox Typ 601 verwendet. Mit besonders hochwertigen Bändern sind natürlich günstigere Ergebnisse möglich. Als ideale Maschine für HiFi-Zwecke stelle ich mir ein Spulengerät in Zweispurtechnik vor, das mit 19 cm/s und NAB-Entzerrung arbeitet, einen Dolby-B-Kompander aufweist und mit Cr02 bzw. EE-Bändern gefahren werden kann. (19cm/s wird gegenüber 38cm/s bevorzugt wegen des besseren Baßfrequenzganges, der geringeren Kopierdämpfung, der längeren ununterbrochenen Spielzeit und der noch vertretbaren Bandkosten.)

Was ist denn "Hinterdigitalkontrolle"

Ebenso wie bei Spulen- oder Cassettengeräten eine Hinterbandkontrolle außerordentlich wichtig sein kann, um die Qualität der Aufnahmen zu kontrollieren, ist eine "Hinterdigitalkontrolle" bei PCM-Aufnahmen sehr wesentlich. Zwar kann über eine Hinterdigitalkontrolle nicht festgestellt werden, ob die Aufnahmetaste überhaupt gedrückt ist, das Band eingelegt ist oder eine Aufzeichnung möglicherweise nur aus Dropouts besteht, aber man kann das Signal klanglich überwachen. Das klangliche Ergebnis ist prinzipiell das gleiche wie bei einer Wiedergabe, allerdings können Fehler am Videorecorder oder am Videoband eine wesentlich erhöhte Fehlerrate und damit zusätzliche Verzerrungen bei der Wiedergabe bewirken. Übersteuerungseffekte und Fehler des Prozessors jedoch sind bei der Hinterdigitalkontrolle erkennbar.

Digitales Kopieren

Eine weitere wichtige Eigenschaft des PCM-Prozessors ist die Möglichkeit, Kopien des PCM-Bandes in korrigierter aufbereiteter Form zu erstellen. Hierbei korrigiert der PCM-Prozessor in einer Rechenschaltung das wiedergegebene Signal, so daß die nachfolgende Aufnahme fehlerfrei erfolgt. Diese Eigenschaft ist für die Benutzung von PCM-Systemen außerordentlich wichtig, weshalb man auf eine Digitalcopy-Korrekturschaltung in keinem Fall verzichten sollte.

Dynamik, nicht einfach vergleichbar

Die von einem elektroakustischen System verarbeitbare Dynamik erstreckt (bewegt) sich prinzipiell zwischen dem Grundrauschen und dem maximalen noch verzerrungsfrei übertragbaren Signal.

Es gibt mehrere Arten von Rauschen

Die unteren Dynamikbegrenzungen werden - ebenso wie die oberen - nach verschiedenen Kriterien festgelegt. Zum einen kann die störende Wirkung des Rauschens gemeint sein, des Rauschens, das man zwischen dem Erklingen der Töne in Pausen durchhört (Pausenrauschen). Verwandt, aber doch in seiner Stärke abweichend, ist das Hintergrundrauschen, das Rauschen, das man während der Musik im Hintergrund noch mithört. Aber nicht nur diese Rauschpegel können als Begrenzung des Dynamikbereiches angesehen werden, es ist genauso möglich, hier die Stärke des leisesten vom System noch speicherbaren Tones als untere Grenze anzunehmen.

Es ist z.B. bekannt, daß Sinustöne, die einige dB unter dem Rauschpegel liegen, vom Ohr durchaus noch gut wahrgenommen werden können. Hier gibt es zwischen digitalen und analogen Systemen Unterschiede. Während das übliche analoge Magnettonband problemlos beliebig kleine Töne speichern kann, ist die digitale Signal-Übertragung zu kleinsten Lautstärken hin beschränkt; je nach Auflösung (Bit-Anzahl) können kleinste Spannungsänderungen überhaupt nicht mehr gespeichert werden.

Das Pausenrauschen ist meßtechnisch recht gut erfaßbar, wenn auch der reine Meßwert noch nicht mit letzter Genauigkeit den Höreindruck widerspiegelt, da das digital und das analog bedingte Rauschen von anderer Qualität sind. In Hinsicht auf das Hintergrundrauschen sind allerdings beim analogen Bandgerät Abstriche zu machen: Es kann gegenüber dem Pausenrauschen deutlich höher sein, zumindest gilt das bei Verwendung ungünstig ausgelegter Rauschverminderungssysteme.

Die Beurteilung von Verzerrungswerten

In HiFi-Stereophonie 09/1982 habe ich ausführlich dargelegt, was bei der Beurteilung von Verzerrungswerten zu beachten ist, und daß die oberen Grenzen der Systemdynamik bei analogen und digitalen Bandspeichergeräten anders gewählt werden müssen. Aufgrund des harten Verzerrungseinsatzes bei PCM-Geräten sollte man den üblichen Aussteuerungsgrenzwert mindestens 6 dB unter die absolute Übersteuerungsgrenze legen. Dieser Aussteuerungsgrenzwert ist mit dem üblichen bei analogen Spulengeräten (mit 3% kubischen Verzerrungen [k3]) vergleichbar.

Als Resultat die Übersteuerungsreserve

In beiden Fällen kann im Extremfall eine Übersteuerungsreserve von 6 dB genutzt werden. Bei den von uns angegebenen Dynamikwerten ist zu beachten, daß der für den Normalbetrieb geltende Aussteuerungsgrenzwert zugrunde liegt. Gegenüber Herstellerangaben darf sich daher ein um 6dB ungünstigerer Wert ergeben. Vergleicht man die Fremdspannungsabstände miteinander, so ist die analoge Aufzeichnung deutlich unterlegen.

Allerdings sollte man berücksichtigen, daß prinzipiell durchaus 70dB bei einem Spulentonbandgerät möglich wären. Interessant ist, daß bei den PCM-Prozessoren immerhin um 10dB unterschiedliche Werte gemessen wurden, und zwar zwischen 71,5 und 81,5 dB, bei dem 16-bit-Gerät sogar 87dB.

Der Geräuschspannungsabstand erbrachte beim Spulentonbandgerät knapp 77dB, mit modernen Bändern könnten sogar durchaus auch 82 dB möglich sein. Interessant ist, daß PCM-Geräte hier nicht in jedem Fall mithalten können. Auch hier ergibt sich bei PCM-Geräten ein Unterschied bis zu 8,5dB, unter Berücksichtigung des 16-bit-Geräts sogar ein Unterschied bis zu 13,5dB. Hierbei wurden nur die Werte bei eingeschalteter Aufnahme-Höhenanhebung (Emphasis) ausgewertet. Aufnahmen ohne Emphasis sind nur sinnvoll bei außerordentlich hochtonreichen Signalen; dies kann man aus den Werten für die Höhendynamik bei 14 kHz ablesen. Bei der Höhendynamik erreicht das Spulentonbandgerät nach unseren Messungen 63dB, heute können aber bis zu 68dB durchaus möglich sein.

Dei Höhendynamik mit oder ohne Emphasis

Die PCM-Geräte sind in dieser Disziplin auch im ungünstigsten Fall noch deutlich überlegen. In puncto Höhendynamik zeigten sich bei den verschiedenen Geräten Unterschiede bis zu 9dB; berücksichtigt man das 16-bit-Gerät, dann bis zu 13,5dB. Auch diese Werte wurden bei eingeschalteter Emphasis ermittelt. Bei Geräten, die die Abschaltung der Emphasis erlauben, können nochmals 3,5 bis 6,5dB gewonnen werden.

Wie man sieht, lohnt sich nicht bei allen Geräten eine solche Umschaltung, weil der Gewinn oft nicht so groß ist. Bei der Höhendynamik ist zu berücksichtigen, daß wir für die digital arbeitenden Geräte einen Aussteuerungs-Grenzwert von 3dB unter der Begrenzung angenommen haben.

Verzerrungen schwierig abzuwägen

Um das Verzerrungsverhalten richtig einschätzen zu können, waren viele verschiedene Messungen notwendig, die natürlich auch alle ausgewertet werden mußten und deren Ergebnisse wir nicht pauschal, sondern nur getrennt darstellen konnten. Das hat uns viel Arbeit gemacht, und der Vergleich der vielen Verzerrungsdiagramme und ausgearbeiteten Verzerrungswerte wird Ihnen nicht viel weniger Mühe machen — leider.

Messungen Spulenbanderät kontra PCM

Bei Extremaussteuerungen zeigt das analoge Spulenbanderät einen sehr hohen Anteil an k3 (kubischen Verzerrungen); die Verzerrungsanteile höherer Ordnung (k > 6) können sich jedoch gegenüber einigen PCM-Geräten sehen lassen. Zu beachten ist auch, daß diese Verzerrungen beim analogen Gerät und noch höherer Aussteuerung nur noch schwach zunehmen, während sie bei den PCM-Prozessoren oberhalb der Aussteuerung von +6dB schlagartig ansteigen. Während die PCM-Geräte bei sehr hoher Aussteuerung - mit Ausnahme vielleicht des Sharp-Gerätes und evtl. des Sanyo Plus 5 - außerordentlich geringe Klirrgradwerte erreichen, nehmen die Klirrverzerrungen bei geringerer Aussteuerung deutlich zu.

Bei kleineren Aussteuerungen ist das analoge Spulenbandgerät kaum unterlegen, zumindest, was die Klirrkomponenten höherer Ordnung angeht. Hier können Digitalgeräte durchaus 10 bis 20dB schlechter sein. Während beim analogen Bandgerät die Verzerrungskomponenten im Rauschen verschwinden, sind bei der PCM-Aufzeichnung die Verzerrungskomponenten noch deutlich aus dem Rauschen heraushörbar.

Wie Bild 1.7 zeigt, gibt es auch manchmal quadratische Verzerrungen (k2) bei analogen Geräten. Sie sind in diesem speziellen Fall auf den von Revox schlecht konstruierten Wiedergabeexpander zurückzuführen.

Im Hochtonbereich: Differenztonverzerrung

In HiFi-Stereophonie Heft 09/1982 wurden die Vorteile der Differenztonmessungen im Hochtonbereich erläutert, und in Heft 10/1982 haben wir ihre besonderen Vorteile bei der Beurteilung von UKW-Empfangsteilen dargestellt. Gerade auch für analoge und digitale Bandaufzeichnungsgeräte eignet sich diese Messung sehr gut, um Verzerrungen im Hochtonbereich zu ermitteln. Dabei ist zu beachten, daß sich je nach Frequenzpaarung der aufgenommenen Signale Verzerrungskomponenten im tiefen Frequenzbereich bilden können, und zwar sowohl (!) durch quadratische als auch durch kubische Verzerrungen.

Bei diesen Meßergebnissen zeigt sich die deutliche Überlegenheit von digitalen Systemen. Allerdings bleibt anzumerken, daß eine analoge Aufzeichnung, gerade was Hochtonverzerrungen betrifft, durch eine gesteigerte Bandgeschwindigkeit oder, besser noch, durch geeigneteres Bandmaterial (Cr02 bzw. EE-Band bei unveränderter Emphasis) gewinnt.

Besonderheiten bei der Aussteuerung

Es ist zu beachten, daß die analoge Aufzeichnung nicht so hoch ausgesteuert werden konnte wie die digitale, es gelten daher für die analoge Verzerrungsanalyse andere Aussteuerungswerte! Während bei der analogen Aufzeichnung insbesondere hohe kubische Anteile auftreten, sind bei der PCM-Speicherung deutlich geringere Verzerrungswerte festzustellen. Bemerkenswert ist aber auch hier, daß die unterschiedlichen PCM-Prozessoren qualitativ ein stark streuendes Bild abgeben. Unterschiede von bis zu 15 bis 25dB (Faktor 5 bis 20) bei hohen Aussteuerungen brauchen nicht kommentiert zu werden. Bei etwas geringerer Aussteuerung ergeben sich sogar Unterschiede von 30 bis 44dB (Faktor 30—150).

Wer macht das Rennen?

Nach den bisher dokumentierten Meßwerten geht der Sony PCM F 1 als klar überlegen aus unserem Test hervor. Dagegen liegt der Sanyo Plus 5 am hinteren Ende der Skala, kurz davor ist der Sharp RX-1 angesiedelt.

Hier schon Sieger und Besiegte festzustellen wäre voreilig. In jedem Fall ist aber das Zweispur-Spulentonbandgerät noch keineswegs aus dem Rennen, zumindest unter Berücksichtigung des Preises und der Zuverlässigkeit. Zur Beurteilung der PCM-Recorder ist noch vieles über gehörphysiologische Besonderheiten zu sagen, insbesondere über sogenannte Granulateffekte (Rauschen und Verzerrungen bei kleinen Aufnahmelautstärken) wie auch über Impulsverzerrungen.

Auch wurden Kompensationseffekte bei einigen Geräten festgestellt, so daß sich die Ergebnisse doch noch verschieben können, wenn man die Austauschbarkeit berücksichtigt. Ferner können die PCM-Prozessoren unterschiedlich gut Fehler der Video- Bandspeicherung „verdauen". Manche Prozessoren reagieren zum Beispiel außerordentlich empfindlich auf Drop outs. Einige Prozessoren haben überhaupt keine Kontrollmöglichkeit über die Speicherfehlerhäufigkeit. Auffällig, aber auch peinlich, wird eine zu hohe Fehlerrate bei solchen Geräten erst dann, wenn der Ton kurzzeitig ganz aussetzt. Zusatzmessungen hierzu, aber auch eine ausführliche Darstellung der beiden im Handel erhältlichen Prozessoren Sanyo Plus 5 und Sony PCM F 1, werden folgen.

a.k.

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