Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  PCM Digital-Technik (1979)→  1983 - 5 PCM Wandler (2)

"PCM im Vergleich - Fünf Prozessoren und eine A77 (Teil 2)"

Auch hier zuerst einige Vorbemerkungen :

Dies ist ja schon der 2. Testartikel zu diesen 5 PCM Prozessoren.

Und Arndt Klingelnberg hatte zusammen 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. Hier werden die Meßergebnisse verfeinert. Da die Technologie außerordentlich komplex ist, ist auch das technische Niveau deser Artikel ganz oben angelangt. Fassen Sie es also nicht als (eigenen) Makel auf, wenn Sie Teile von der dargelegten Materie nicht oder nur unvollständig verstehen, ich (Gert Redlich) hatte damit auch schon meine Probleme.

.

PCM Wandler im Vergleich - Teil 2 (von 3) - 5 PCM-Prozessoren und ein Analog-Bandgerät mit Dolby-B (HS-1983 Heft-02)

von Arndt Klingelnberg im Frühjahr 1983

Vorwort von Arndt Klingelnberg

Sicher erinnern Sie sich: In HiFi-Stereophonie 12/1982 hatten wir uns als erste HiFi-Zeitschrift an eine Pioniertat gewagt, nachdem das Thema bereits vorher in mehreren theoretischen Beiträgen vorbereitet worden war.

Es galt, PCM-Prozessoren für digitale Musikaufzeichnung auf Videocassetten zu testen. Was heißt da überhaupt testen? Sagen wir's mal so: Es ging um eine dieser Technik angemessene Untersuchung. Ein gewichtiges Wort, und gewichtig ist auch der Umfang dieses Tests, den wir auf mehrere Ausgaben aufteilen mußten und der auch mit dieser zweiten Folge noch nicht beendet sein wird.

Weshalb soviel Aufwand? Wenn schon, dann richtig — mit anderen Worten: Wer sich mit Qualitätsunterschieden bei PCM-Aufzeichnungen beschäftigt, kommt mit einem (natürlich linealglatten) Frequenzgangschrieb und einer Angabe des Fremdspannungsabstands in dB nicht aus.

Wie wir im ersten Teil dieses Vergleiches gesehen haben, muß man sich hüten, PCM vorbehaltlos über den Klee zu loben. Auch darf man nicht einfach übliche Meßwerte direkt vergleichen. Um etwas über die Qualität von PCM-Systemen untereinander und auch im Vergleich zur konventionellen Analog-Magnetband-Speicherung auszusagen, sind aufwendigere Messungen und Auswertungen notwendig. Das Ohr muß dabei der Maßstab aller Dinge bleiben.

Rückblick auf "PCM im Vergleich" Teil 1

Aus dem ersten Teil dieses PCM-Tests konnte man ersehen, daß ein Zweispur-Spulentonbandgerät bei 19cm/s und mit Dolby-B-Rauschverminderung sowie hochwertigem Bandmaterial (beispielsweise EE bzw. Cr02) keineswegs durch die neue PCM-Pseudo-Videoaufzeichnung aus dem Rennen geworfen wird. Gerade im Rauschabstand - was ja für viele der Hauptvorteil von PCM zu sein scheint - muß die Analogaufnahme sogar bei einfachem Bandmaterial nicht zwangsläufig schlechter sein. Das ist nur dann mit Sicherheit der Fall, wenn die PCM-Prozessoren sorgfältig konstruiert sind, insbesondere die Aufnahme-Analog/Digital-Converter. Und das ist nicht billig.

Bei schlechten A/D-Wandlern können manche Verzerrungsarten durchaus stärker sein als bei dem bekannten Spulentonbandgerät.

In dieser Folge unserer Untersuchung greifen wir zum Teil auf die Ergebnisse des ersten Berichts zurück. Die hier genannten Diagrammnummern beziehen sich deshalb teilweise auf die Verzerrungsspektren in Heft 12/82; einige Diagramme werden hier mit passender Numerierung ergänzt. Außerdem wird auch mehrfach auf die Datentabelle des ersten Testteils verwiesen.

Hochtonverzerrungen beim Analogbandgerät

Beginnen wir mit einer Ergänzung — für Leute, die es ganz genau wissen wollen. Eines der Untersuchungskriterien im ersten Beitrag waren die Hochtonverzerrungen. Dabei stellten wir fest: Hier sind die PCM-Prozessoren dem analogen Spulengerät deutlich überlegen. Allerdings muß man eines anmerken: Bei der Differenztonmessung, die hier angewendet wurde (Frequenzpaar 14 kHz und 15 kHz), zeigen sich scheinbar deutlich schlechtere Ergebnisse als bei studioüblichen Werten. Wir haben deshalb eine ergänzende Messung durchgeführt, um Tonbandamateuren und Profis einen besseren Vergleich zu ermöglichen.

Die Messungen

Bei den Messungen 1.5 wurde die Revox A 77 zusammen mit dem Revox Band 601 im Spitzenwert ungefähr bis an die Sättigung *1) gefahren, bei Messung 1.6 lag die Aussteuerung wiedergabeseitig 10dB tiefer (26dB unter unserem Aussteuerungs-Bezugspunkt). Die wesentliche kubische Komponente der Differenztonverzerrungen betrug beim Frequenzpaar 14 kHz und 15 kHz (1.5a und 1.6a) -8dB bzw. -47dB, gleichbedeutend mit 4% bzw. 0,45%.

Unsere Ergänzungsmessungen wurden beim Frequenzpaar 7 kHz und 15 kHz vorgenommen; die Ergebnisse sind in den Diagrammen 1.5b und 1.6b dargestellt.

Die bei Tonbandgeräten vorherrschende kubische Komponente ist bei dieser Frequenzpaarung mit geringem Aufwand meßbar, da sie weit entfernt vom Nutzsignal und bei der Standardfrequenz 1 kHz liegt. Die Differenztonverzerrungen verbessern sich hierbei deutlich, da 7 kHz besser „verdaut" wird als 14 kHz und die Aufnahme-Preemphasis sich anders auswirkt als bei den Frequenzpaaren 14 kHz und 15 kHz.

Die Werte betragen dann -42 bzw. -60dB gleichbedeutend mit 0,8 bzw. 0,1%. Die quadratische Komponente (hier bei 8 kHz) nimmt bei dieser Zweitmessung leicht zu, sie beträgt -55 bzw. -62dB statt vorher -59dB bzw. kleiner -68dB. Diese Werte gelten ohne Dolby-B-System. Die Werte mit Dolby-B-System sind aufgrund einer Besonderheit bei Revox untypisch etwas schlechter.

PCM-Gerätepaarung

Werden PCM-Signale als Pseudo-Videobild auf Band gespeichert, so ist natürlich die Fernsehnorm zu beachten, nach denen die Video-Bandgeräte arbeiten. In den USA und Japan arbeitet man nach der NTSC-Fernsehnorm; das tun auch die meisten deutschen Profis.
(Anmerkung: Das mit dem NTSC in den Studios stimmt so schon lange nicht mehr.)

Hifi-Freunde dürften hierzulande dagegen CCIR-PAL wählen, ganz einfach, weil man dann mit dem Videorecorder Fernsehbilder aufnehmen kann. Neueren PCM-Prozessoren kann man problemlos beide Signalarten anbieten, die Geräte schalten automatisch auf die richtige Wiedergabe (Sanyo Plus 5 und Sony PCM F-1). Bei Sony ist die Systemwahl zumindest bei Aufnahme kritisch, es gibt zwei unterschiedliche Modelle für NTSC- und PAL-Aufnahme. Beim Sanyo Plus 5 ist ein Schalter für NTSC/PAL vorhanden. Neben diesen Grobunterschieden gibt es aber auch noch feine Unterschiede, die sich auf die Klang-Qualität auswirken.

Kombinierte A/D und D/A-Wandler

Bei den Geräten ohne "Hinterdigitalkontrolle" wird für die Analog/Digital- Umwandlung bei Aufnahme der Digital/Analog-Wandler mitverwendet. Dies spart teure Bauteile ein. Ein weiterer Effekt ist, daß sich systematische Fehler des D/A-Wandlers bei Aufnahme und Wiedergabe kompensieren. Solche Geräte können also bei Eigenaufnahmen eine deutlich bessere Qualität zeigen als bei Bandaustausch mit anderen Geräten (das gilt natürlich auch gegenüber anderen Geräten des gleichen Typs!): Nur der aufwendige Sanyo Plus 10 und der Sony PCM F-1 sind prinzipiell frei von diesen Effekten, da völlig getrennte A/D- und D/A-Wandler verwendet werden.

Unsere Prüfungen

Wir haben vier verschiedene Aufnahme-Wiedergabe-Gerätekombinationen geprüft (siehe Tabelle 1 und Diagramme 2/3.4, 3/2.4, 4/3.4 und 6/3.5). Aus Diagramm 2/3.4 sehen wir deutlich die negativen Auswirkungen solcher Geräte-Paarungen (Hitachi im Aufnahme-, Sanyo Plus 5 im Wiedergabebetrieb). Insbesondere die kubischen Verzerrungen (um 14 kHz und 15 kHz herum) sind extrem hoch, zudem nehmen die Verzerrungen höheren Grades kaum ab. Im Vergleich zu den Messungen der Einzelgeräte (2.4b und 3.4b aus Testteil 1, HiFi-Stereophonie 12/82) ergeben sich wesentlich ungünstigere Werte. Kombiniert man die Geräte in anderer Reihenfolge (Diagramm 3/2.4; Plus 5 im Aufnahme-, Hitachi im Wiedergabebetrieb), so ergeben sich zwar bessere, aber auch keine guten Werte.

Die Ergebnisse stimmen dann fast genau mit den Ergebnissen des Sanyo Plus 5 allein überein (vgl. Diagramm 3.4b). Zu beachten ist, daß der rechte Kanal ungünstiger als der linke abschneidet, und zwar um 9 bis 11dB! Das schlechtere Resultat im rechten Kanal scheint ein Konzeptionsfehler im Sanyo zu sein, da er bei zwei Geräten auftrat. Benutzt man den Sanyo Plus 10 im Aufnahme- und den Plus 5 im Wiedergabebetrieb, (4/3.4), so bestimmt auch hier das Aufnahmegerät (Analog/ Digital-Wandler) die Qualität. Quadratische Verzerrungen sind deutlich vertreten wie bei den Messungen zum Plus 10 (4.4b aus Teil 1).


Die Kombination von Sony F-l und Sanyo Plus 5 wurde bei einem geringeren Aussteuerungswert getestet. Die Verzerrungen sind sehr gering, allerdings fast 10dB schlechter als der Sony allein (Diagramm 6.5a) und auch noch etwas schlechter als der Plus 5 allein (Diagramm 3.5b).

Ergebnis unterschiedlicher Gerätekombinationen

Als Ergebnis kann man ablesen, daß insbesondere die Qualität des Analog/Digital-Wandlers, also des Aufnahmegerätes, wesentlich ist. Beim Hitachi zeigten sich in besonders starkem Maße Kompensationseffekte.

Benutzt man das Gerät V-300 E also in Kombination mit anderen PCM-Prozessoren, so erhält man bei weitem nicht die gute Qualität, die man mit dem Gerät allein erreichen kann. Das gute Abschneiden des Hitachi in Heft 12/82 muß man also relativieren.
.

  • "Granulat" - was ist digitales Granulat Rauschen ?
  • Schotter aus dem Steinbruch oder Feinsand vom Osteeestrand

.
Am Ende des ersten Testteils tauchte der im Hifibereich neue Begriff Granulat auf. Schaut man im Lexikon nach, so wird auf eine Masse mit körniger Struktur verwiesen, also eine Masse aus noch gut erkennbaren Einzelteilchen — eher ein Schotterhaufen denn ein Sandhaufen. Nun, was hat dies mit der Digitaltechnik zu tun?

Eine Vorstellung von Granulateffekten fehlte mir auch erst einmal selbst. Sie waren bisher bei analogen Systemen nicht vorgekommen, ich war überfragt.

Hörerfahrungen und ein theoretischer Einblick in die digitale Audiotechnik machten dann den Effekt klar. In der Digitaltechnik können nicht beliebige Spannungswerte gebildet werden, sondern nur eine Vielzahl (fein-)gestufter Werte. Steuert man nun zu niedrig aus bzw. betrachtet man eine (sehr) leise Musikpassage, so kann diese digital nur relativ grob, da in gestuften Spannungssprüngen, verarbeitet werden. Das Ohr reagiert hierauf natürlich anders als auf die feine Auflösung analoger Systeme, die diese grobe, feste Stufenstruktur prinzipiell nicht aufweisen.
.1
Das Rauschen digitaler Systeme klingt deshalb auch (soweit kein analoges Rauschen noch hinzu kommt) fast wie das Geräusch, wenn man Schotter oder Kies ausschüttet. Analoge Systeme klingen da eher, um im Vergleich zu bleiben, wie Feinsand.

Neben dem Granulation Noise (Rauschen) treten auch Verzerrungen des Nutzsignals bei diesen superkleinen Lautstärken auf. Ein Ton klingt dann eher leicht „verknattert": eine zeitlich wechselnde Stärke der einzelnen Obertöne, also kein relativ konstantes Obertonspektrum wie bei bisher bekannten Verzerrungsarten. Analog arbeitende Geräte zeigen bei solch niedrigen Lautstärken keine Verzerrungen, es sei denn, es wären extrem hohe Übernahmeverzerrungen (Cross-Over) vorhanden, die es heute aber (fast) nicht mehr gibt.

Realistische Dynamik

Um den Dynamikbereich zu erfassen, der von den analogen oder digitalen Systemen wirklich übertragen werden kann, haben wir drei kombinierte Hör-Meßreihen durchgeführt. Hierbei wurden verschiedene Parameter verändert, um praxisähnliche Ergebnisse im Mittel erzielen zu können.

Beachtet werden muß, daß man keinesfalls die wirkliche Abhörlautstärke dieser am unteren Ende des Dynamikbereiches angesiedelten Signale zu stark anheben darf. Der Testton muß also auch bei der gehörmäßigen Beurteilung leise abgehört werden, die Bewertung würde sonst falsch.

Als Testton wurde 1 kHz Sinus gewählt. Mit dem Ohr wurde der Pegel festgelegt, bei dem dieser Ton einerseits noch deutlich (aus dem Rauschen heraus) erkennbar und andererseits aber auch noch nicht unerträglich verzerrt war.

Völlig neu - es ist jetzt diametral umgekehrt

Bitte beachten Sie hierbei, daß bei digitalen Systemen die Verzerrungen zu kleinen Pegeln hin zunehmen (bei den bisher üblichen analogen Geräten ist man es genau andersherum gewohnt).

Dieser Pegelwert wurde in Relation zur wirklich ausnutzbaren oberen Aussteuerungsgrenze angegeben (k3 = 3% beim Analoggerät; 6dB unter der Begrenzung bei den digitalen Geräten).

Ein Blick auf unsere Tabellen

Für einen Testton mit dem Pegel entsprechend der Testreihe A (Tabelle 2) wurde auch eine Spektralanalyse der Verzerrungs- und Rauschkomponenten vorgenommen (Diagr. x.7; S. 208 oben).

Die Höhe der quadratischen, der kubischen und der höheren bzw. nichtharmonischen Verzerrungskomponenten sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Da Prozentzahlen bei der Beurteilung immer wieder zu falschen Einschätzungen führen, sind hier wieder die Klirrabstände in Dezibel angegeben.

Wenn das "Klirren" im Rauschen verschwindet

Beim analogen Spulentonbandgerät verschwinden die Klirrkomponenten im Rauschen, sie sind also nicht mehr meßbar. Trotzdem schlägt das Spulengerät den Prozessor Sanyo Plus 5 ganz deutlich, und das, obwohl der vom Spulentonbandgerät übertragene Testton 12dB(!) schwächer ist. Der Prozessor Sony F-l liefert zwar bessere Ergebnisse, beachtet man jedoch, daß auch hier das Spulentonbandgerät 11 bis 8dB leiser arbeitet, so ist das digitale Gerät keineswegs überlegen.

Mittelt man die Meßreihen der wirklich realisierbaren Systemdynamik, so ist das Spulentonbandgerät dem Sanyo Plus 5 um mehr als 10dB (!) überlegen. Auch der Sony F-l bleibt mit gut 6dB hinter dem Spulentonbandgerät zurück. Nur wenn man den Sony im 16-bit-Modus betreibt, kommt die Dynamik fast an die ehrwürdig alte Revox A77 heran. Zu beachten ist aber, daß der 16-bit-Betrieb nur mit Einschränkungen möglich ist (siehe unten).

Aliasing

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß digitale Systeme auch nicht-harmonische Verzerrungen bilden. Diese Verzerrungen sind besonders leicht hörbar, da sie der natürlichen Obertonfolge nicht entsprechen und vom Nutzton gehörmäßig auch nicht verdeckt werden. Die Bilder 3.13 und 3.14 zeigen solche Verzerrungen (Aliasing Distertion). Sie entstehen als Kombinationstöne mit der Abtastfrequenz 44,10 kHz.

Die tiefer gelegenen Verzerrungsprodukte stören besonders, hier 1,5 kHz mit -57dB ^ 0,14% und 2,1 kHz mit -59dB ^ =0,11%.

Deglitcher

Solche Verzerrungen haben oft ihre Ursache in einem schlecht ausgelegten oder gar nicht vorhandenen Deglitcher-Schaltkreis. Digital/Analog-Wandler erzeugen am Ausgang stark springende Spannungswerte. Nachfolgende Analogverstärker können diesen Sprüngen nur mit Verzögerungen (Verzerrungen) folgen. Mit einem Deglitcher-Kreis können diese Sprünge der von Analogschaltkreisen noch verdaubaren Schnelligkeit angepaßt werden. Bei analogen Tonbandgeräten treten solche Verzerrungsarten nicht auf. Ähnliche Effekte ergeben sich allerdings auch dort bei zu billig gebauten Geräten oder bei Fehlabgleich durch Mischtöne mit dem Vormagnetisierungs-/Löschoszillator.

Impulsverzerrungen

Möglichst geringe Impuls-(Laufzeit-) Verzerrungen gehören ebenfalls zu den wichtigen Qualitätskriterien von HiFi-Komponenten. Worauf sind solche Verzerrungen zurückzuführen, und weshalb können sie bei PCM-Adaptern auftreten?

Den physikalischen Gesetzen entsprechend wird von jedem Übertragungssystem, dessen Frequenzgang nicht von Null bis Unendlich völlig geradlinig verläuft, die Form bzw. der zeitliche Ablauf eines Impulses (eines Tons mit Anfang und Ende) verändert.

Für HiFi-Übertragung wird maximal fast immer nur der Bereich von 20 bis 20.000 Hz ausgenutzt. Impulsverzerrungen sind also immer vorhanden, insbesondere, wenn die wesentlichen Teiltöne des Impulses in die Randbereiche dieses Übertragungsbereiches fallen.

Nur auf dem Oszillographenschirm zu sehen

Zwei Geräte, die den gleichen Amplituden-Frequenzgang haben (das ist der Frequenzgang, von dem wir normalerweise sprechen), können aber trotzdem unterschiedliche Impulsverzerrungen erzeugen. Auf dem Oszillographenschirm abgebildet, ändert sich durch Impulsverzerrungen das Erscheinungsbild des Tones. Die Ursache liegt in der unterschiedlichen Gruppenlaufzeit in den Geräten.

Werden Töne nicht mit der genau gleichen Laufzeit in einem Gerät verarbeitet, so kommen sie am Ausgang des Gerätes zu unterschiedlichen Zeiten an. Die einzelnen spektralen Anteile, aus denen sich jeder Impuls zusammensetzt, können zusammengesetzt nicht mehr das gleiche Erscheinungsbild ergeben. Vereinfacht spricht man auch vom Phasenverhalten der Geräte.

Digitale Zwänge - das steilflankige Tiefpaßfilter

Digitalgeräte müssen mit einem besonders steilflankigen Tiefpaßfilter ausgerüstet sein, da alle Frequenzanteile oberhalb der halben Abtastfrequenz vollkommen unterdrückt werden müssen.

Nur bei besonders aufwendigen Konstruktionen lassen sich hierbei Laufzeitverzerrungen vermeiden. Natürlich sind auch normale Tonabandgeräte keineswegs frei davon, ja man sagt ihnen sogar oft besonders hohe Laufzeitverzerrungen nach.

Unsere Messung der Laufzeitverzerrungen

Als Testimpuls für den Nachweis von Laufzeitverzerrungen haben wir eine 15-kHz-Sinusschwingung verwendet, die mit einer Frequenz von 880 Hz wiederholt werden. Die Bilder  x.15 zeigen die Oszilloskopschirmbilder. Das Original zeigt natürlich keinerlei Einschwing- und Ausschwingeffekte, alle Teiltöne des zugehörigen Frequenzspektrums haben die richtige Zuordnung zueinander.

Bei der Speicherung auf der Revox A 77 wird der Impuls schon deutlich verändert. Der negative Schwingungsteil erreicht nicht seinen vollen Wert, dafür kommen ein deutlich negativver Nachschwinger und noch ca. drei weitere Oszillationen. Schaltet man das MPX-Filter ein, was bei vielen Aufnahmen bessere Ergebnisse im praktisch realisierten Frequenzgang bringt, so sind die Nachschwinger noch etwas ausgeprägter (ca. vier Oszillationen).

Anders ist es aber beim PCM-Prozessor (als Beispiel Sanyo Plus 5). Die Nachschwinger wollen gar nicht mehr aufhören, man kann noch sechzehn Oszillationen zählen.

Nun erscheint dies im Oszillographenbild sehr viel kritischer als es sich gehörmäßig zeigt. Solche Laufzeitverzerrungen sind nur von besonders geübten Hörern mit guten Kopfhörern oder allerbesten Lautsprechern erkennbar. Aber hier (im High-End-Bereich) will ja gerade PCM eine Alternative bilden. Gute (= teuere) Filter oder der Trick des Oversampling (siehe folgende Beiträge) helfen.

Drop In, Drop Out

Von so gut wie allen Cassettenrecordern her sind Drop-Out-Effekte hinreichend bekannt: Kurzzeitig wird der Ton leiser oder auch nur dumpfer. Eventuell ist das nur in einem Kanal der Fall; dann verschiebt sich die Klangbalance zu einer Seite hin. Beim Videorecorder können solche Effekte wegen der noch kleineren Spurbreite verstärkt auftreten.

Die "Schwächen" des Magnetbandes

Ursache sind Fehler im Band wie Kratzer in der Oberfläche, Fettspuren von Fingerabdrücken, Beschichtungsfehler, Beulen durch Dehnung im Band oder auch Fehler im Band-Kopf-Kontakt durch Schmutz auf dem Magnetkopf, Luftpolster, mechanische Fehler, die ein leichtes Flattern des Bandes bewirken können, Synchronfehler oder Gleichlauffehler zwischen Band und Kopftrommel, die zu einer Bahn des Kopfspaltes außerhalb der Aufzeichnungsspur führen und vieles andere mehr.

Das kommt bei "mir" nicht vor

Nun wird der Video-Freund hier einwenden, so oft gebe es keine Drop Outs, man würde kaum welche sehen (kometenhafte, horizontale weiße oder schwarze Störungen). Hier ist einzuwenden, daß die Drop-Out-Häufigkeit stark vom verwendeten Band abhängt. Messungen in unserem Testlabor für unsere Schwesterzeitschrift "Video Spezial" ergaben Unterschiede im Drop-Out-Verhalten von bis zu Faktor 20 oder 37, je nach Dauer der Drop Outs.

Der Recorder verschleiert's

Und wenn solche Drop Outs dem Auge nicht immer so deutlich auffallen, so ist das einem Trick zu verdanken, den sich die Konstrukteure von Videorecordern haben einfallen lassen. Kann eine Information vom Band nicht sauber gelesen werden, so schaltet der Videorecorder auf eine Verzögerungsleitung um und gibt an den Ausgang das Signal von der vorher auf dem Bildschirm geschriebenen und in der Verzögerungsleitung gespeicherten Bildzeile.

Da sich diese Bildinformation von der gewünschten oft nur wenig unterscheidet, wird der Drop Out verschleiert. Nur bei Bildern mit feinen horizontalen Linien deutlich unterschiedlicher Farbe oder Helligkeit fallen solche Drop-Out-Effekte stärker auf.

Da übrigens bei dem eng beschriebenen Videoband auch fehlerhafte Informationen von der Nachbarspur übersprechen können, gibt es auch Drop Ins, das heißt, es kommt zusätzliche Fehlinformation auf den Videokopf.

Egal — das PCM-Signal wird verfälscht

Egal ob Drop In, Drop Out oder korrigiertes Drop Out — das PCM-Signal wird verfälscht. Dabei ist der nach optischen Kriterien korrigierte Drop Out sogar noch der schwierigste Fall, da hier ein in der Qualität (fast) einwandfreies Signal mit einem total falschen PCM-Informationsinhalt angeboten wird.

Bei PCM ändert sich nämlich die Verteilung der schwarzen und weißen Bildpunkte von Bildzeile zu Bildzeile ganz erheblich. Auch nur ein einziger falsch gelesener Bildpunkt führt zu deutlichen Störungen im digital codierten Wert. Um solche Störung zu vermindern bzw. möglichst sogar ganz zu vermeiden, ist die digitale Information mit Redundanz aufgezeichnet. Man zeichnet also mehr digitale Worte auf als wirklich benötigte und dargestellte Spannungswerte.

Fehlerkorrektur

Zu jeweils drei Spannungswerten für den linken und drei für den rechten Kanal gehören ein CRCC-Wort, ein P- und ein Q-Wort. CRCC dient zur Erkennung und Ortung eines Übertragungsfehlers, die P- und Q-Informationen gestatten durch mathematische Operationen etwaige fehlerhafte digitale Spannungswerte auf exakt den richtigen Wert zu korrigieren.

Interleaving

Weiterhin verschachtelt man die zusammengehörigen Digitalworte so, daß sie auf unterschiedlichen Stellen des Bandes abgespeichert werden und zu nicht direkt aufeinanderfolgenden Zeiten vom Videokopf gelesen werden. Dieses Verschachteln (auch Codespreizung genannt, engl. Bezeichnung: Interleaving) führt dazu, daß (örtlich begrenzte) Bandfehler und (kurzzeitige) Abtaststörungen nur Teilbereiche der zusammenhängenden Digitalinformation zerstören können. Solange nicht die gesamte Information zerstört ist (drei links, drei rechts, P-, Q-, CRCC) kann sie in digitalen Rechenschaltungen nachträglich wieder fehlerfrei regeneriert werden.

Dabei dürfen 31 Bildzeilen zerstört sein, bevor diese Fehlerkorrektur versagt. Allerdings müssen die vorangegangenen und folgenden Bildzeilen fast ohne Fehler sein.
.

Interpolation - noch eine Korrekturmethode

Versagt diese Fehlerkorrektur, kann also die digitale Information nicht fehlerfrei wiederhergestellt werden, so kann ein guter PCM-Prozessor einen Schätzwert aus den vorangegangenen und den folgenden ungestörten Werten bilden. Je nach Aufwand kann diese Schätzung (mathematisch: Interpolation) mehr oder minder gut sein, also zu mehr oder minder hörbaren Störungen führen. Beachtet werden muß, daß eine Schätzung bei Tonsignalen im oberen Frequenzbereich notwendigerweise
mehr oder minder versagt, da aufeinanderfolgende Werte sich stark unterscheiden. Fehler durch falsch übertragene Digitalinformationen fallen oberhalb von 2 kHz, insbesondere aber oberhalb von 10 kHz ganz deutlich auf.

Neben unterschiedlichen Interpolationstechniken können PCM-Prozessoren aber auch ein unterschiedliches Verhalten bei der Verarbeitung der Video-Eingangssignale zeigen. Sie reagieren unterschiedlich auf verrauschte Videosignale oder geänderte Video-Frequenzgänge oder auch einfach nur nicht ganz standardgemäße Pegel des Videosignals. Manche Prozessoren sind auch mit einer einfacheren digitalen Fehlerkorrektur ausgestattet.

Grundsätzliches zur Fehlerkorrektur

Fehlerkorrektur kostet Speicherplatz und Rechenschaltungen; somit Geld und auch Volumen im Gerät.

Auch aus einem anderen Grund kann die Fehlerkorrektur vermindert sein. Wenn der Prozessor mit 16 bit statt, wie üblich, mit 14 bit arbeitet (bei Sony F-l möglich), so wird der Platz auf dem Band, der für die Q-Fehlerkorrektur zur Verfügung steht, benötigt, um die über 14 bit hinausgehenden restlichen bits zu übertragen.

Bei 16-bit-Betrieb ist also auf höchstwertiges Bandmaterial und einen guten, gepflegten Videorecorder zu achten! Wird Zuverlässigkeit verlangt, so wählt man 14 bit! Während bei 14 bit Fehler bis zu 31 Bildzeilen unterdrückt werden können (siehe oben), so kann der Prozessor bei 16 bit nur noch Fehler bis zu 15 Zeilen korrigieren.

Um also die bestmögliche PCM-Speicherung mit einem Videorecorder zu erreichen, sollte dieser speziell auf PCM vorbereitet sein. Er verfügt dann über einen Schalter, mit dem man ihn von Bildwiedergabe auf PCM umschalten kann. Dabei wird unter anderem die (für das Video- Bild gedachte) Drop-Out-Kompensation ausgeschaltet. Besser ein schlechtes oder kein Signal am Ausgang, als das aus einer früheren Bildzeile.

Drop-Out-Empfindlichkeit

Wir haben getestet, wie die verschiedenen Prozessoren auf Fehler bei der Videobandspeicherung reagieren. Dabei haben wir teilweise (Video-)Bandmaschinen verwendet, bei denen die Drop-Out-Korrektur nicht ausgeschaltet wurde, teilweise haben wir bewußt ein leichtes Mistracking durch Synchronisationsverschiebung herbeigeführt (dabei läuft der Videokopf leicht neben der Aufzeichnungsspur, erhält also ein schwaches Signal von der richtigen Spur sowie verstärkte Einstreuungen der Nachbarspur).

Das hierbei festgestellte Verhalten der PCM-Prozessoren ist ganz entscheidend für die Betriebssicherheit, also Störungsfreiheit der Aufnahmen. Ich erinnere mich noch mit einer gewissen Verbitterung daran, wie gerade dieses Problem mir vor zweieinhalb Jahren beim Erstellen von Mutterbändern wochenlang schlafarme Nächte bereitet hat.

Viele Tage mühsamer Arbeit waren für die Katz. Meine besondere Skepsis gegenüber der Betriebssicherheit digitaler HiFi-Geräte bitte ich deshalb zu verzeihen. In den vergangenen Jahren wurden Videorecorder und PCM-Prozessoren ganz wesentlich verbessert; daß dies aber immer noch nicht ausreicht, zeigen meine derzeitigen Erfahrungen. Die folgenden Messungen sprechen (fast) für sich.

Bewußt etwas überzeichnet:
Sanyo Plus 5 - Bewertung: 5 Minus

Als außerordentlich empfindlich gegenüber Fehlern der Bandspeicherung erwies sich der Sanyo Plus 5. Vergleicht man das Diagramm 3.8b mit 3.4b aus dem Testteil 1, so erkennt man deutlich den unruhigeren Verlauf und die neu hinzugekommenen Störtöne. Die Ergebnisse sind aber noch tolerierbar. Kritisch wird es bei einer 6dB geringeren Aussteuerung. Diagramm 3.10b zeigt gegenüber 3.5b extreme Störungen über den gesamten hörbaren Frequenzbereich. Dieses äußert sich in einer rauschähnlichen Störung, die völlig unakzeptabel ist.

Wohlgemerkt gilt dies für Videorecorder mit nicht abgeschaltetem und für PCM-Zwecke ungünstig ausgelegtem Drop-Out-Kompensator. In Bild 3.12b ist das gleiche bei 400 Hz Nutzton dargestellt. Im Vergleich zu Bild 3.2b (Testteil 1) zeigt sich eine Rauschstörung, die 20dB über dem sonst üblichen Rauschen liegt.

Der Sanyo Plus 10

Der Sanyo Plus 10, der Prototyp für Erprobungszwecke, zeigte ein deutlich besseres Verhalten unter gleichen Randbedingungen (Diagramm 4.8.b). Das Problem des Plus 5 scheint schon in der Aufnahme zu liegen. Vielleicht ist der Fehlerkorrekturcode nicht so aufwendig wie bei anderen Geräten.

Immerhin scheint der Sharp RX-1 aber die Information des Plus 5 besser lesen zu können als der Plus 5 selbst. Diagramm 3/5.8 zeigt die Spektralanalyse der Störungen bei einem 14-kHz- und 15-kHz-Doppelton, Aufnahme mit Sanyo Plus 5 und Wiedergabe mit Sharp RX-1.

Interessant ist, daß hier auch starke Störungen bei dem höheren Aufnahmepegel auftreten, nicht dagegen bei dem geringeren wie beim Plus 5 allein (3.8b und 3.4b). Bild 3/5.9 zeigt das Ergebnis bei ausgeschalteter Drop-Out-Kompensation. Es ergibt sich fast das gleiche Verzerrungsverhalten wie für den RX-1 allein (Diagramm 5.4).

Der Sharp RX-1

Verwendet man den Sharp RX-1 bei Aufnahme und Wiedergabe, so ergibt sich trotz der eingeschalteten Drop-Out-Kompensation das für den Sharp typische Ergebnis (Bild 5.8), das nur an unwesentlichen Stellen etwas unruhiger geworden ist.

Wägt man diese und weitere Ergebnisse ab, so ist der nachteilige Einfluß des Plus 5 bei Aufnahme auf die ausreichend gut arbeitende Fehlerkorrektur bei der folgenden Wiedergabe zu erkennen. Je nach Aufbau der verwendeten Digital/Analog-Wandler ergeben sich die stärksten Störungen bei unterschiedlichen Pegeln. Der Sharp verfügt über einen echten 14-bit-Wandler, beide Sanyo Geräte über einen 12 +2-bit-Wandler. Die besondere Fehlerhäufigkeit scheint dort aufzutreten, wo der 2-bit-Zusatz den 12-bit-Wandler umschaltet.

EDV-Chinesisch : MSB oder LSB?

Wichtig ist bei der Störung nämlich auch, welcher Teil des digitalen Wortes fehlerhaft ist. Der vordere Teil des Wortes gibt die großen Spannungssprünge an, aus denen sich die gesamte Stufenskala aufbaut, und der hintere Teil die kleinen feinen Sprünge. Wird der wichtige Teil gestört (MSB = Most Significant Bit), so ist die Störung stark (und damit hörbar), ist „nur" der „unwesentliche" Teil gestört (LSB = Least Significant Bit), so ist die Störung schwach (und eventuell noch tolerierbar).

Störstellen im Detail

Solche Fehler in der digitalen Übertragung kann man sich natürlich auch im Detail ansehen. Die Fehler müssen so stark sein, daß sie die Fehlerkorrekturfähigkeit des Prozessors übersteigen. Wie schon erwähnt, werden solche Fehler im Hochtonbereich deutlicher. Bei klassischer Musik mit durchschnittlichem Obertongehalt fallen sie daher möglicherweise kaum auf.

Kritisch wird es bei allen Klangkörpern, die ein weit nach oben ausgedehntes Klangspektrum aufweisen mit lauten Hochtonanteilen.

Diagramm 3.16 zeigt das dem Originalsignal sehr ähnliche Ergebnis bei Benutzung des Prozessors Plus 5 mit einem Recorder ohne Drop-Out-Kompensation. Wird die Drop-Out-Kompensation nicht ausgeschaltet, so ergibt sich 3.17.

Weitere Feinheiten der Messungen

Je nachdem, welches Teil des Digitalwortes wie verfälscht ist, springt die Ausgangsspannung auf einen zu hohen positiven, zu hohen negativen oder auch auf einen zu kleinen Wert. Die Störung kann sehr kurz sein (nur eine Schwingungsperiode) oder länger anhalten.

Wurde dieselbe Aufzeichnung mit dem RX-1 zurückverwandelt, so erhielten wir die in den Diagrammen 3/5.17a und 3/5.17b dargestellten Ergebnisse. Beide gelten für die kritische nicht ausgeschaltete Drop-Out-Kompensation. Um überhaupt einen Fehler zu finden, mußte bei diesem Prozessor die Tracking-Justage (Spurlage) verstellt werden. Ein Fehler entsprechend 17a konnte nur bei 10% der Versuche, also selten, festgestellt werden. Bei starker Dejustage der Spur ergab sich 17b. Die hierbei dargestellte Fehlerhäufigkeit wurde auch nicht immer erreicht.

Auch bei diesem Versuch zeigten sich die qualitativen Probleme der Fehlerkorrektur des Sanyo Plus 5.

Optisch interessant sehen die Fehler bei einem 14- und 15-kHz- Doppel-Tonsignal aus, wie wir es für unsere (Differenzton-) Verzerrungsmessungen gebrauchen. Die Störungen sind offensichtlich. Auch hier wieder mit dem Plus-5-Prozessor!

Bei 4 kHz sind die Fehler schon bei weitem nicht mehr so gravierend. Hier kann die Interpolation das Schlimmste verhüten helfen. Extreme Spannungseinbrüche oder volle Durchsteuerung der maximalen Ausgangsspannung treten nicht auf. Es wird „lediglich" die Sinusform verbogen, also verzerrt. Auch hier wieder mit Plus 5, weil dieser Effekt mit den anderen Prozessoren kaum erreichbar war.

Last but not Least - das Positive von PCM

Nachdem wir nun vielzuviel Negatives über den PCM gesagt haben, wird es Zeit für positive Meldungen:

PCM ist preisgünstig! Sofern alles klappt, kann eine PCM-Anlage für 6500 DM ein Studio-Tonbandgerät für über 15.000 DM ersetzen. Das gilt für die Klangqualität, wenn man einen guten Prozessor auswählt. Studio-Ein- und -Ausgänge sowie eine Bandschneidemöglichkeit fehlen dabei allerdings. Nun ist die 8.500-DM Ersparnis für einen HiFi-Enthusiasten sicherlich „etwas" unrealistisch. Wer stellt sich schon ein Studio-Magnetbandgerät von gut 30 kg Lebendgewicht ins Wohnzimmer?

Kostenkalkulation

Aber man kann auch noch andere Rechenkunststücke anstellen:
Bei 19cm/s Zweispur kostet die Musikminute 60 Pfennig bis 1 Mark. Videoband bekommt man in sinnvoller Qualität für 20 bis 30 Pfennig je Minute. Das sind ungefähr 50 Pfennig Ersparnis je Minute. (Für jeden Schlager einen halben Liter Wein, oder wie man das auch immer umrechnen mag.) Beim Überspielen einer üblichen Langspielplatte spart man das Geld für eine gute Langspielplatte ein (ca. 2 mal 22,5 Minuten ergibt 22,50 DM).

Die Mehrkosten einer PCM-Aufnahmeanlage gegenüber einer HiFi-Bandmaschine betragen etwa 4.000 DM. Um die hereinzuholen, sind (mindestens) 8.000 Aufnahmeminuten notwendig. 133 Stunden Musik, 89 große Spulentonbänder, 66 120min-Videobänder oder 177 Langspielplatten.

Lohnt sich das? Sicherlich dann, wenn sowieso schon ein Videorecorder (fürs Fernsehen) vorhanden ist, sonst (finanziell) nur für musikalische Vielfraße.

Aber: Kopieren!

Warum aber ist PCM dann bei Profis so beliebt? Manche auffälligen Fehler analoger Magnettonbandgeräte sind hier kaum vorhanden. Das wichtigste ist aber das Kopieren.

Viele schöne Analogaufnahmen werden auf dem Weg zur Schallplatte buchstäblich „totkopiert". Oft genug gedankenlos, oft aber auch unvermeidlich. Denn wer gibt schon gern sein (wirklich wertvolles) Originalband aus der Hand, verschickt die Rock-, Jazz- oder Klassikaufnahme z.B. über den Ozean als Original.

(Anmerkung: Das Platten-Schneid-Studio Brüggemann in Frankfurt bekam die kopierten Master-Bänder von RCA und EMI usw. aus USA)

Das geht immer als Kopie, als Kopie der Kopie usw. usf. Und das bedeutet Verschlechterung, Verschlechterung, Verschlechterung. (Anmerkung: Pro Kopiervorgang gehen 2 bis 3dB Rauschabstand verloren.)

Dieser Prozeß hat nun bei Digital-Bändern ein Ende. Falls die Fehlerkorrektur nicht überfordert wird - und das wird sie bei gepflegten Geräten mit guten Bändern und doppelter Fehlerkorrektur nicht (also nicht unbedingt 16 bit auf normalen Heimrecordern!) und erst recht nicht auf Profi-Videorecordern (Sony U-Matic) - so wird das digitale Signal durch die „Digital-Copy"-Schaltung bei jedem Überspielprozeß vollständig original, d.h. ohne jeden Fehler, kopiert. Ein Problem fürs Urheberrecht, ein Vorteil für den HiFi-Hörer und Kopierpiraten !
.

Ausblick

Eine Zusammenfassung dieses bisher einzigen umfangreichen PCM-Tests (der Teil 3) wird im nächsten (?) Heft folgen. Die derzeit lieferbaren Geräte Sanyo Plus 5 und Sony F1 werden später ganz ausführlich vorgestellt, einschließlich ihrer zum Teil völlig inadäquaten Mikrophoneingänge.

a. k.

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite ----- © 2007 / 2018 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - Zum Telefon der Redaktion - - - - NEU : Zum Flohmarkt
Bitte einfach nur lächeln: Diese Seiten sind garantiert RDE / IPW zertifiziert und für Leser von 5 bis 108 Jahren freigegeben - kostenlos natürlich.

Privatsphäre : Auf unseren Seiten werden keine Informationen an google, twitter, facebook oder andere US-Konzerne weitergegeben.