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1989 - Der Profi-DAT-Recorder in Theorie und Praxis

ein Artikel von Elke Hastreiter aus FERNSEH- UND KINO-TECHNIK - Nr.7 / 1989
Dipl.-Ing. Elke Hastreiter ist Mitarbeiterin der Abteilung Professionelle Audiotechnik der Sony Deutschland GmbH, Köln.

Einleitung:

Es werden die Einsatzmöglichkeiten von DAT-Recordern in der professionellen Studio-Technik diskutiert. Technische Grundlagen des neuen digitalen Formats, wie Bandaufzeichnung, Spurformat und Sub-Codes, und die daraus resultierenden Vorteile für die Studio-Technik werden besprochen.

  • Anmerkung 1 : Bei den DAT-Recordern unterscheiden wir die Consumer-Geräte, mit denen der normale Anwender hochqualitative Musik aufnimmt und wiedergibt und weiter keine der möglichen Funktionen nutzt. Auf der anderen Seite sind die Professionals, die ihre Tonstudio-Produktionen auf dieses Niveau gehoben haben oder noch heben wollen oder müssen.

  • Anmerkung 2 : SONY hatte nach JVC bereits 1979/81 einen PCM Wandler für Videorecorder entwickelt und erst für das U-matic Format dann für das Betamax Format auf den Markt gebracht. Damit hatten die SONY Ingenieure sehr viel Erfahrung, wo die Schwächen des "Verpackens von digitalisierten Audiodaten" in analog aufgezeichnete Fernsehbilder liegen. Aufbauend auf diesem Wissen wurde 1985/86 das SONY-DAT- Format entwickelt. Es sollte alle diese Schwächen umrunden bzw. verbessern.

  • Anmerkung 3 : Dieser Artikel erläutert die dem normalen DAT- Heim-Anwender NICHT bekannten Möglichkeiten für die profesionelle Tonaufnahme in Ton-Studios, sogar in Verbindung mit Produktionen für Film- oder Fernsehen.

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Vergleich : Compact Disc und DAT Magnetbandaufzeichnung

Bild 1 (Beta)
Bild 1 (VHS)
Bild 1 (8mm)
Bild 1 (DAT)

Neben der auch im Consumerbereich etablierten Compact Disk (CD von Philips/Sony), haben sich im professionellen Bereich andere digitale Datenaufzeichnungs- formate durchgesetzt. Diese Formate lehnen sich im allgemeinen an die Magnetbandaufzeichnung in der Videotechnik an.

Sie basieren durchgehend auf dem Prinzip der Aufzeichnung der digitalen Information mit einem PCM-Prozessor in Verbindung mit einem höherwertigen Videorecorder, der die hohe Datenrate verarbeiten kann.

So sind sowohl Aufzeichnungen im EIAJ-Format (PCM-F1-Format von SONY) mit einem herkömmlichen Videorecorder und dem PCM-1610/1630-Format (auch von SONY) in Verbindung mit einem U-matic-Recorder verbreitet.

Generell bedeutet dies, daß bei bisherigen digitalen Formaten wegen der hohen Datenrate der "Umweg" über einen Videorecorder in Kauf genommen werden mußte.

Ziel bei der Entwicklung des DAT-Systems war es, ein neues digitales Format zu schaffen, daß der etablierten analogen Compact Cassette (von Philips) überlegen ist. Das neue Format sollte eine bessere Klangqualität bieten, und es sollte Funktionen aufweisen, die bisher nicht zu realisieren waren.

Schließlich sollten geringe Betriebskosten gewährleistet sein. Vorbild der Entwicklung waren zweifellos die bestehenden Videosysteme (Beta, Video-8, VHS) als Basis für die PCM-Ton- aufnahme. Die Gegenüberstellung im Bild 1 macht dies deutlich.

Alle Systeme arbeiten im Schrägspurverfahren

Bei allen Systemen wird das Schrägspurverfahren mit rotierender Kopftrommel verwendet. Ebenfalls arbeiten alle Systeme mit einem Äzimutwinkel. Die Breite des Bandes, die Spurbreite, der Aufzeichnungs- und der Azimutwinkel sind unterschiedlich, doch das Prinzip der Aufzeichnung ist bei allen Systemen ähnlich.

Ein weiterer Vergleich im Bild 2 zeigt, daß trotz der Ähnlichkeiten das DAT-System viele Parameter aufweist, die den Unterschied zu den anderen Systemen im wesentlichen bestimmen.
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Bild 2. Trommel und Bandführung bei verschiedenen Video-Aufzeichnungsformaten und DAT

Zunächst haben U-matic-, Beta- und VHS-Systeme eine Kontrollspur, auf denen Signale aufgezeichnet werden, die der Spurnachführung dienen. Dazu ist ein zusätzlicher stehender Tonkopf notwendig, der exakt positioniert sein muß.

Beim DAT-System wird die Spurnachführung, ähnlich wie beim Video-8-System, mit ATF (auto-matic track finding) durchgeführt. Dazu ist kein zusätzlicher Kopf erforderlich.

Des weiteren ist in allen VTR-Systemen ein Löschkopf notwendig. Im DAT-System erfolgt die Löschung durch Überschreiben bereits aufgezeichneter Signale.

Ein weiterer Unterschied ist die Kopfumschlingung des Bandes. Bei VTRs ist eine 180°-Umschlingung notwendig, da die Signale kontinuierlich aufgezeichnet werden müssen. Beim DAT-System dagegen liegt nur eine 90°-Umschlingung vor.
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Die Spezifikationen des DAT-Formats sind in Tabelle I zusammengefaßt :
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Tabelle I. Spezifikationen des DAT-Formats


Die Standard-Abtastfrequenz liegt bei 48 kHz. Die in Zukunft für den Satellitenrundfunk wichtige Abtastfrequenz von 32 kHz ist ebenfalls vorgesehen. Dabei ist es in Zukunft denkbar, durch eine nichtlineare Quantisierung von 12 bit die Spieldauer zu erhöhen, oder bei linearer Quantisierung von 16 bit vier Kanäle aufzuzeichnen. Die bei der CD verwendete Abtastfrequenz von 44,1 kHz ist den industriell vorbespielten Kassetten vorbehalten; die Aufnahme bei dieser Frequenz ist nur bei Studiogeräten möglich.
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1. Bandaufzeichnungsformat

Bild 3 Anordnung der Köpfe auf der Trommel

Das DAT-Band ist 3,81mm breit. Es ist somit genauso breit wie das Band in einer herkömmlichen Compact-Cassette. Es wird mit einer Geschwindigkeit von 8,15mm/s an einer mit 2.000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Kopftrommel vorbeigeführt.

Dies sind nur 17 % der Bandgeschwindigkeit einer CompactCassette. Bei den DAT-Geräten ergibt sich so eine relative Aufzeichnungsgeschwindigkeit von 3,13m/s.

Da die Kopftrommel gegenüber der Bandlaufebene leicht geneigt ist, werden Schrägspuren auf das Band aufgezeichnet. Auf der Kopftrommel sind zwei um 180 ° versetzte Tonköpfe aufgebracht {Bild 3). Sie weisen einen einander entgegengesetzten Äzimutwinkel von ±20° auf. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Übersprechdämpfung zwischen benachbarten Spuren erzielt, so daß die Aufzeichnung der Daten ohne Spurrasen (Zwischenraum zwischen zwei Spuren) erfolgen kann.

Während bei den Videorecordern das Band die Kopftrommel in einem 180°-Winkel umschlingt, trifft man bei den DAT-Systemen nur eine 90°-Umschlingung an. Das Band hat dadurch auch nur 50% der Zeit mit der Kopftrommel Berührung.
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Bild 4

Um die Unterbrechung des Datenstroms wieder auffangen zu können, werden die Daten zeitlich komprimiert (Bild 4).

Jede aufgezeichnete Spur hat eine Länge von 23,5mm. Der Winkel zwischen den aufgezeichneten Spuren und der Bandbezugskante beträgt 6°22'.

Des weiteren befindet sich jeweils am oberen und unteren Bandrand eine Longitudtnalspur (Optional Tracks), also eie ganz normale Tonbandspur, die zum Beispiel zur Aufzeichnung analoger Signale herangezogen werden kann.

2. Spurformat

Bild 6 : Die Spuraufteilung bei DAT

Jede Spur wird in 196 Blöcke aufgeteilt. Davon entfallen nur 128 Blöcke auf die Aufzeichnung der eigentlichen Audiodaten. Sie befinden sich in der Mitte einer jeden Spur.

2x8 Blöcke stehen für die Aufzeichnung der Sub-Codes zur Verfügung, und weitere 16 Blöcke, ebenfalls aufgeteilt in 2*8 Blöcke, werden für die Spurnachführung eingesetzt. Diese Blöcke befinden sich jeweils rechts und links vom PCM-Audiobereich.

Alle weiteren Blöcke dienen zum einen der Synchronisation, zum anderen der Trennung der einzelnen Blöcke. Die Spuraufteilung zeigt Bild 6.
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Die höchste Frequenz, die in den Blöcken aufgezeichnet wird, liegt bei 4,7 MHz. Daraus ergibt sich eine kleinste aufzuzeichnende Wellenlänge von 0,67um. Pro Block können 288 Datenbits aufgezeichnet werden. Es ergibt sich so eine Aufzeichnungsdichte von 155kbit/cm (61 kbit/inch).

Bei der automatischen Spurnachführung (ATF) werden in den ATF-Blöcken vier unterschiedliche Frequenzen aufgezeichnet (Bild 7).

Da der Kopf breiter ist als die aufgezeichneten Spuren, liest er nicht nur die momentan auszulesende Spur, sondern auch ein Viertel der benachbarten Spuren. Die beiden resultierenden Übersprechsignale werden für die Spurnachführung ausgenutzt.

Sind beide Signale gleich groß, so wird die Spur exakt in der Mitte ausgelesen. Bei einer auftretenden Differenz wird der Kopf nach geführt.

Um die hohe Datenrate sicher wiedergeben zu können, ist eine zuverlässige Fehlerkorrektur notwendig. Das DAT-System arbeitet mit zwei in sich verschachtelten Reed-Solomon-Codes, die eine wirkungsvolle Fehlererkennung und -korrektur gewährleisten.

Mit dieser Fehlerkorrektur können Fehler in Längsrichtung des Bandes von 2,6mm und Fehler quer zur Bandlaufrichtung bis zu einer Länge von 0,3mm korrigiert werden. Größere Fehler werden durch Interpolation verdeckt (Bild 8).

Titelsuche mit Abhörmöglichkeiten

Eine Forderung bei der Entwicklung des DAT-Systems war die Möglichkeit einer schnellen Titelsuche bzw. eines schnellen Vor- und Rücklaufs mit Abhörmöglichkeiten.

Da das DAT-Band die gleiche Beschaffenheit aufweist wie ein herkömmliches Kassettenband, kann man auch gleiche mechanische Belastbarkeit voraussetzen. Setzt man die übliche Umspulgeschwindigkeit mit dem 50fachen der Normalgeschwindigkeit an, ergibt sich für die Audiokassette eine Umspulgeschwindigkeit von 2,4 m/s.

In den DAT-Geräten wäre dies bei einer Transportgeschwindigkeit von 8,15mm/s das etwa 300fache der Normalgeschwindigkeit. Bisher wird das Umspulen mit der 200fachen Normalgeschwindigkeit realisiert. Es kann so eine 2-Stunden- Kassette in 42 Sekunden umgespult werden. Das Auffinden bestimmter Stellen auf dem Band ist so nur mit Hilfe der ID-Codes möglich.

3. Band und Kassette

Die DAT-Kassette hat die Abmessungen 73 mm x 54 mm x 10,5 mm und ist somit kleiner als die herkömmliche CompactCassette.
Ebenso wie diese hat das Band selbst eine Breite von 3,81 mm.

Die Banddicke ist 13um. Die Bandlänge ist abhängig von der Bandgeschwindigkeit und der gewünschten Spielzeit. Bei einer Spielzeit von 2 Stunden pro Kassette ergibt sich eine Bandlänge von 60m.

Das Band befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse und ist so von allen Seiten vor Berührung (Fingerabdrücke, Staub usw.) geschützt.
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4. Sub-Code-Codierung

Die Codierung der Sub-Codes beim DAT-System ist vergleichbar mit der Sub-Code-Codierung bei der CD. Allerdings ist die Sub-Code-Kapazität im DAT-System um den Faktor 4,6 größer als bei der CD, so daß sich weitaus mehr Möglichkeiten ergeben.

Die gesamte Sub-Code-Kapazität läßt sich, wie aus Bild 9 ersichtlich, in zwei große Bereiche unterteilen :

  • zum einen in die PCM-IDs,
  • zum anderen in die eigentlichen Sub-Codes.


Die PCM-IDs (Identifikations-Bits) werden in den Blöcken der eigentlichen Audiodaten aufgezeichnet, während die Sub-Codes in den speziell dafür vorgesehenen Sub-Code-Datenblocken gespeichert werden. Die PCM-IDs unterteilen sich ihrerseits in ID 1 bis ID 8 und in die sogenannten Optional Codes, die sich wiederum in Äuxiliary Codes (AC) und Search Codes (SC) aufgliedern.

Der Sub-Code in den Sub-Code-Datenblöcken unterteilt sich in die Sub-Code-IDs, die nicht zu verwechseln sind mit den obengenannten PCM-IDs, und den eigentlichen Sub-Code-Daten.

Die PCM-IDs

Im folgenden sei zunächst auf die Sub-Code-Codierungsmöglichkeiten in den PCM-IDs eingegangen.

Die Gesamtkapazität in diesem Bereich beträgt 68,3 kbit/s bzw. umgerechnet 1024 bit/Spur. Wie bereits erwähnt, werden die PCM-IDs in den Blöcken der Audiodaten gespeichert, die sich in der Mitte einer jeden Spur befinden (Bild 10).

Dabei weist jeder der 128 Blöcke dieselbe Blockstruktur auf:

8 Bits dienen der Synchronisation,
8 Bits stehen für die Sub-Code-Codierung zur Verfügung.

Jeder Block ist fest verbunden mit einer Blockadresse zu je 8 Bits, und mit 8 Bits werden diese Daten durch ein Parity-Wort vor Fehlern geschützt. Erst dann erfolgt die Aufzeichnung der Audiodaten.

Wichtig für die weitere Betrachtung sind die 8bit-ID-Codes (= W1) im Zusammenhang mit der Blockadresse (= W2). Bild 3 zeigte im einzelnen die Aufteilung der Daten in 16 aufeinanderfolgenden Datenblöcken.

Die 8 Bits für die IDs unterteilen sich in das eigentliche ID und in eine Frame-Adresse. Im ersten Block werden die ersten beiden IDs (das heißt ID1 und ID2) mit einer Frame-Adresse und einer Block-Adresse gespeichert.

Im übernächsten Block werden die folgenden IDs mit entsprechender Adressierung aufgezeichnet usw. Nach 8 Blöcken wiederholt sich die Aufzeichnung der IDs.

In den PCM-IDs können nun jeweils mit 2 Bits die folgenden Informationen gespeichert werden:
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  • - ID1: Format
  • - ID2: Emphasis ("on" oder "off }
  • - ID3: Abtastfrequenz (48 kHz, 32 kHz oder 44,1 kHz)
  • - 1D4: Anzahl der Kanäle (2 oder in Zukunft im Long-Play-Betrieb 4 Kanälen)
  • - ID5: Quantisierung (16 bit linear oder 12 bit nichtlinear)
  • - ID6: Spurbreite (13,59 oder 20,4um)
  • - ID7: Kopierschutz (spätere Kopie möglich oder nicht)

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Es ist offensichtlich, daß diese IDs im direktem Zusammenhang mit den aufgezeichneten Signalen stehen. Sie stellen so eine Art Kontrollsignal dar, das für die Wiedergabe von besonderer Wichtigkeit ist, da auf diese Art Lesefehler vermieden werden.

Das ID8 nimmt in diesem Zusammenhang eine gesonderte Stellung ein. 32 IDS mit gleicher Block-Adresse bilden ein zusätzliches freies Datenpaket, ein "Pack", das heißt, es wird weiterer Speicherplatz von 64 Bits geöffnet.

Da die Codierung in diesem Pack der Codierung in den Sub-Code-Datenblöcken sehr ähnlich ist, sei hier nicht weiter darauf eingegangen.

"Optional Codes" und "Auxiliary Codes"

In den Zwischenblöcken werden die "Optional Codes" gespeichert, die durch "Auxiliary Codes" und "Search Codes" eine interessante Möglichkeit der Codierung bieten. Die Aufteilung der Daten kann Bild 11 entnommen werden.

Es wird hier zunächst ein "Area Flag" gesetzt, das die Numerierung der folgenden PNOs (Programm-Nummern) aktiviert. Ein "Start Flag" kennzeichnet den Beginn eines neuen Programmteils. Mit den PNO und Indizes werden die dazugehörigen Zeiten in Stunden, Minuten und Sekunden festgehalten.

In den Auxiliary Codes sieht die Programmierung etwas anders aus: Es wird zunächst ein vierstelliges Item angewählt, das bestimmt, welche Daten in den übrigen freien Speicherplätzen aufgezeichnet werden. Es können hier Spielzeiten einzelner Programmteile, Gesamtspielzeit einer Kassette und Indexzeiten programmiert werden. Es werden Start-Flags, Index-Flags und außerdem Zusatz-Flags aufgezeichnet.

Beispiele nützlicher Zusatzinformationen

Mit einem Item kann man festlegen, ob diese Daten zu Beginn in ein Inhaltsverzeichnis eingelesen werden sollen. Es lassen sich Kalenderdaten, zum Beispiel die Daten einer laufenden Produktion, als auch Katalogdaten auf dem Band festhalten.

Ein mühseliges Buchführen bei Produktionen entfällt, da alle Informationen auf dem Band festgehalten werden können. Außerdem kann der ISRC (International Standard REecording Code) eingegeben werden.

Wie eine Programmierung mit den SC- und AC-Daten aussehen kann, zeigt Bild 12. Es läßt auch erkennen, welche Zusatz-Flags gesetzt werden.

So kennzeichnet F1 den sogenannten "Lead In"-Bereich, das heißt den Bereich, in dem die TOC-Daten (Table of Content) gespeichert werden.

Entsprechend kennzeichnet F4 den "Lead Out"-Bereich, in dem keine Datenaufzeichnung mehr möglich ist.

F2 beschreibt den umgekehrten Fall; Es wird eine "1" gesetzt in dem Bereich, in dem eine Aufzeichnung stattfinden kann.
F3 ist identisch mit SC2, den Start-Flags.

Mit F5 wird festgelegt, ob zu Beginn des Bandes ein TOC aufgezeichnet werden soll. Wird dieses Flag nicht aktiviert, so ist eine Programmierung der Daten im TOC nicht möglich.

Diese Programmierung im TOC ist bereits von der CD her bekannt. Ähnliche Daten hat auch die CD auf der ersten Spur gespeichert. Der Anwender kann sich so des gleichen Komforts wie bei der CD bedienen.
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Die Sub-Code-Datenblöcke

Betrachtet man im folgenden die Möglichkeiten der Sub-Code-Codierung in den Sub-Code-Datenblöcken, wird man einige Ähnlichkeiten feststellen. Hier steht eine Sub-Code-Kapazität von 273,1 kbit/s zur Verfügung.

Die Sub-Code-Datenblöcke setzen sich zusammen aus Sub-Code 1 und Sub-Code 2, die jeweils rechts und links neben den PCM-Audioblöcken liegen. Sie nehmen je 8 Blöcke pro Spur in Anspruch. Dabei ist die Blockstruktur mit der Blockstruktur in den PCM-Datenblöcken identisch, doch enthalten Wl und W2 unterschiedliche Daten (Bild 13).

Die Informationen in W1 und W2 werden zunächst nach jedem zweiten
Block wiederholt, und die Block-Adresse ist nur vier Bit lang; die Frame-Adresse entfällt.

In W1 steht ein Control-ID (C-ID), das sich aus vier einzelnen Bits zusammensetzt, die unterschiedliche Funktionen haben. Unter anderem werden hier das Start-ID und das Skip-ID gesetzt. Mit dem Skip-ID kann man unerwünschte Programmteile auf dem Band überspielen, das heißt, der Recorder spult im schnellen Vorlauf bis zum nächsten Start-ID. Mit Hilfe der Skip-IDs können zum Beispiel Fehlstarts bei Produktionen gekennzeichnet werden.

In W2 steht dann zunächst das Pack-ID. Es bestimmt, wieviele Informationen in den Sub-Code-Daten gespeichert werden sollen. Im übrigen werden dreistellige Programm-Nummern aufgezeichnet, wobei jede Ziffer einzeln mit vier Bits codiert wird.

Die eigentlichen Sub-Codes werden dann in den Sub-Code-Datenblöcken aufgezeichnet. Diese Bereiche haben die gleiche Kapazität wie die PCM-Datenbereiche, das heißt, 256 bit stehen als freier Speicherplatz
pro Block für die Sub-Codes zur Verfügung.

Die Daten in den "Packs"

Die Aufzeichnung der Daten erfolgt dabei in sogenannten Packs. Pro Block können 4 Packs aufgezeichnet werden. Jedes Pack hat dabei eine Kapazität von 64 bit. Sie teilen sich, wie bei den Auxiliary Codes, in ein vierstelliges Item, das festlegt, welche Daten aufgezeichnet werden, und in die entsprechenden Daten auf (Bild 14).

Die Daten, die hier aufgezeichnet werden können, sind mit denen, die in den Optional Codes gespeichert werden können, identisch.

Im Gegensatz zu den Sub-Codes im PCM-Datenbereich können die Daten im Sub-Code-Datenbereich auch nach der Aufnahme noch beeinflußt werden. Man kann sowohl Start als auch Skip-IDs nachträglich setzen oder löschen, ohne daß die PCM-Audiodaten manipuliert werden.

Dies bedeutet, daß im PCM-Datenbereich die Sub-Codes für industriell vorbespielte Kassetten gespeichert werden, da sie nicht wieder gelöscht werden können.

Durch die hohe Sub-Code-Rate und die einfache Bedienung der Geräte ist der Einsatz in verschiedenen Bereichen denkbar.

So wäre es in Zukunft zum Beispiel vorstellbar, Graphiken oder Videostandbilder aufzuzeichnen. Ebenso wäre der Einsatz des DAT-Systems nicht nur in der Audiotechnik, sondern auch generell als Datenträger denkbar. Da sehr viele Daten auf dem Band gespeichert werden können, die bisher eine sehr genaue Buchführung erforderten, bedeutet dies für den Anwender eine enorme Zeitersparnis und eine geringe Fehlerquelle beim späteren Aufsuchen von Bändern.
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5. Praktische Anwendungen

Eine Archivierung der DAT-Bänder ist leicht zu realisieren. Die auf dem Band gespeicherte Katalognummer kann zum Beispiel auf die Kassettenhülle übertragen werden, Mittels einer entsprechenden Leseeinrichtung wäre es möglich, diese Nummer in einen Computer einzulesen.

Er enthält die Daten, die in den Sub-Codes der entsprechenden Kassette gespeichert sind. Man kann sehr schnell und unproblematisch erfahren, was auf einer Kassette gespeichert ist, ohne das Band abhören zu müssen.

Der Inhalt der Kassette ist eindeutig festgelegt. Es treten keine Verwechselungen durch eventuelles Vertauschen von Bändern, durch mit der Zeit unleserlich gewordene Beschriftung oder ähnliches auf.

Nicht zuletzt bieten tragbare DAT-Systeme die Möglichkeit, hochqualitative Außenaufnahmen ohne großen Aufwand zu produzieren.

So bietet das DAT-System Möglichkeiten, die heute noch nicht voll erschöpft sind, aber auf eine Erleichterung im professionellen Einsatz hoffen lassen.
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Das war ein Artikel aus dem Hause SONY, dem DAT Erfinder.

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