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Digital ABC Nr 1 - Eine alphabetische Einführung in das PCM-Zeitalter der HiFi-Stereophonie (aus Heft 03/1983)

Nachfolgend wurde versucht, all die neuartigen (und oft genug englischen) Ausdrücke aufzulisten und zu erklären, die die radikale Umwälzung der HiFi-Stereophonie durch die Digitaltechnik begleiten und die man benötigt, um die ungewohnten Zusammenhänge in ihrer ganzen Vielfalt besser verstehen zu können.

In diesem Spezial-Heft zur Markteinführung der Compact Disc mußte eine Auswahl unter den wichtigsten Ausdrücken getroffen werden. Ein wesentlich erweitertes Digital-ABC zum Nachschlagen können Sie sich aus den nächsten Ausgaben der HiFi-Stereophonie zusammenstellen.

Die Erklärungen beziehen sich speziell auf die Anwendung digitaler Systeme in der Elektroakustik und die hierdurch oft etwas abweichende Funktion bzw. Bezeichnung.

Die Digital- bzw. PCM-Technik ist ganz wesentlich vom englischen Sprachraum beeinflußt, sei es durch die Militär-/Raumfahrttechnik, Halbleiter-Bauelemente aus den USA oder wesentliche PCM-Elektroakustik-Impulse aus Japan. Zudem ist Englisch die inoffizielle Sprache auch deutscher Ton- und Elektroakustikingenieure. Englische Ausdrücke sind daher gerade im PCM-Bereich besonders häufig.

Im Gegensatz zur „ordinären" HiFi-Technik hat sich ein deutscher Ausdruck oft noch nicht eingebürgert bzw. ist in seiner Aussagekraft und Kürze dem englischen Ausdruck unterlegen. Nicht zuletzt muß sich der deutsche Verbraucher mit den englischen Frontplattenaufschriften abmühen. Gerade bei PCM kommt man daher um die englische Sprache nicht herum.

Soweit der deutsche Ausdruck relativ gebräuchlich ist, wurde dieser verwendet, die englische Übersetzung ist zusätzlich angegeben, um eine Hilfestellung auch für englische bzw. unzureichend übersetzte technische Unterlagen zu geben. Wenn ein deutscher Ausdruck kaum gebräuchlich ist bzw. in der üblichen Literatur (wie auch in Prospekten) nicht verwendet wird, beschränke ich mich auf den englischen Ausdruck.

zusammengestellt von Arndt Klingelnberg im Frühjahr 1983
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Es geht los :

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  1. Abtastfrequenz (sampling frequency)
    Entscheidend für die obere Grenzfrequenz (-»Aliasingfilter), indirekt auch für die -»Gruppen-laufzeitverzerrungen, -»Over-sampling.

  2. Abtasttheorem
    Von Shannon abgeleitete Gesetzmäßigkeit, daß für die exakte Darstellung eines Signals von begrenzter Bandbreite die Abtastfrequenz mindestens gerade mehr als doppelt so hoch sein muß wie die Frequenz des höchsten vorkommenden Spektralanteils. Unter idealen Vorraussetzungen reicht daher für einen Hörbereich bis 20 kHz eine Abtastfrequenz von 40 kHz aus. (Einschränkungen durch die Güte des -»Aliasingfilters).

  3. Aliasing
    Durch die Abtastung verändert sich das Spektrum des Signals, und zwar wiederholt sich das Spektrum im Abstand der Abtastfrequenz. Reicht das Ausgangsspektrum über die halbe Abtastfrequenz hinaus, so überschneiden/überlappen sich die Spektren. Diese Mehrdeutigkeit führt dann später bei der Rückwandlung in den analogen Bereich zu Tönen, die im Original nicht vorhanden waren (-»Aliasingverzerrungen). Vermieden wird das Überlappen durch ein -»Aliasingfiler.
  4. Aliasingfilter (besser: Antialiasingfilter)

    Tiefpaßfilter, das den Frequenzbereich oberhalb der halben Abtastfrequenz extrem stark unterdrücken muß. Da die halbe Abtastfrequenz aus Kostengründen knapp an der oberen Begrenzung des Hörbereichs liegt, müssen solche Filter extrem aufwendig sein, z.B. bis 20kHz linear, dann innerhalb einer sechstel Oktave (bis 22,05 kHz) Abfall auf mindestens 60 dB (9-poliges Konsumgerätefilter) bzw. bis über 100 dB Dämpfung (13-poli-ges professionelles Filter). Um diese hohe Steilheit zu erreichen, werden elliptische Filter verwendet. Ohne Desondere Vorkehrungen haben solche Filter einen sehr großen Einfluß auf die -»Gruppenlaufzeit.

  5. analog
    Kontinuierlich veränderliche Größen, die beliebig kleine Veränderungen ermöglichen; eine Größe wird durch eine andersartige dargestellt (Analogie), z.B. wachsender Schalldruck durch eine wachsende Spannung oder eine wachsende Rillenauslenkung (Plattenspieler). Geringe Anforderungen können mit analogen Systemen sehr preiswert erfüllt werden. Bei hohen Anforderungen wachsen die Kosten extrem an (günstiger-»digital).

  6. binär
    Darstellung der digitalen Werte (Zahlen) durch eine zweiwertige Logik bzw. zwei verschiedene Zustände: 1/0, high/low, true/ false. (-»ternär)

  7. bit (binary digit)
    Kleinste digitale (bzw. logische) Informationseinheit. Sie kann zwei binäre Zustände annehmen.

  8. bit-Anzahl
    Bei PCM spricht man z.B. von 14- oder 16-bit-Systemen. Je mehr Bit zur Darstellung eines Datenwertes zur Verfügung stehen, desto genauer kann der Wert digital dargestellt werden, desto feiner ist die Auflösung bei der -»Quantisierung, die Stufung zwischen den digitalen Werten wird kleiner. Eine höhere bit-Zahl bedeutet eine erhöhte -»Dynamik und ein geringeres -»Quantisierungsgeräusch. Eine höhere Bit-Anzahl erfordert höhere Kosten für A/D- und D/A-Wandler sowie alle anderen Schaltungen, wie auch erhöhten Speicherplatz (Bandverbrauch usw.). Man unterscheidet weiterhin z.B. echte und unechte 14-bit-Systeme, die unechten bezeichnet man dann auch gerne als 12 + 2-bit-Systeme, hierbei wird ein 12-bit-D/A-Wandler durch 2 zusätzliche bit (in jeweils 6dB-Stufen) umgeschaltet. Die Folgen sind ein erhöhtes -»Quantisierungsgeräusch und höhere Verzerrungen. Für Musikaufzeichnung hat sich entgegen ersten Versuchen (Sony PCM-1) eine lineare (gleichmäßige) Stufung als vorteilhaft erwiesen. In anderen Fällen verwendet man dagegen gerne eine einfache Kompandie-rung durch ungleichförmige Stufung, dabei wird bei großen Werten eine gröbere Stufung zugelassen.

  9. digital
    Diskrete (nichtkontinuierliche) Darstellung von Größen durch Abzählen (lateinisch digitus = Finger) bzw. Ziffern (Digits). Die Stufung digitaler Werte ist zu beachten, Werte werden durch eine Zahl dargestellt, die notwendigerweise mit dem kleinsten Stellenwert bei Veränderungen springen. Mit digitalen Systemen wird es insbesondere durch vergleichsweise preiswerte -»LSI-Schaltkreise möglich, höchste Genauigkeiten zu erreichen.

  10. Digital Copy
    Wichtigster Vorteil von PCM-Magnetbandaufzeichnung. Gegenüber der nicht zu vernachlässigenden Qualitätsverschlechterung bei der Überspielung von Analogbändern kann man bei PCM durch die dazwischengeschaltete Fehlerkorrektur Kopien erstellen, die im Idealfall sogar eine geringere -»Fehlerhäufigkeit als das Original (vor dem Fehlerkorrekturkreis) haben können. Da immer einige wenige unkorrigierbare Fehler vorhanden sind, kann dann allerdings doch eine (minimale) Verschlechterung eintreten. Das Kopieren von PCM-Aufnahmen ohne Fehlerkorrektur ist nicht zu empfehlen, da sich hierdurch die Fehlerhäufigkeit drastisch erhöht und zum vollständigen Ausfall des Systems führen kann (-»Muting).

  11. Drop-Out
    Allgemein: falsche Abspeicherung bzw. falsches Auslesen einer Information, führt zu erhöhter -»Fehlerhäufigkeit. Bei Videorecordern ist mit einer Fehlerrate von 10 -6 aufgrund von Drop Outs zu rechnen, 1/3 davon werden als sehr störend empfunden, wenn keine -»Fehlerkorrektur erfolgt.

  12. Dynamikbereich
    Hierbei muß man klar vier unterschiedliche Dynamikbereiche klar trennen: Systemdynamik, Aufnahmedynamik, Programmdynamik, Originaldynamik.

    Die Systemdynamik gibt den Pegelbereich zwischen dem maximalen gerade noch unverzerrt verarbeitbaren Pegel und dem Störgeräusch wieder. Die nutzbare Systemdynamik ist etwas kleiner, da je nach Art des Systems und je nach Anwendungsfall gewisse Reserven vorhanden sein müssen (bei unseren Tests von PCM-Aufnahmesystemen liegt die von uns angegebene Dynamik 6dB unter der Systemdynamik).

    Die Aufnahmedynamik ist in jedem Fall kleiner als die Systemdynamik und entspricht üblicherweise der nutzbaren Systemdynamik, wird aber noch eingeschränkt z.B. durch Mikrophonrauschen und akustische Störgeräusche bei der Aufnahme.

    Die Programmdynamik ist nochmals deutlich kleiner, da die leisesten Passagen der Musik immer noch deutlich über dem Rauschen liegen müssen, zudem ist der Original-Programmdynamikumfang, der im Konzertsaal möglich ist, keinesfalls im Wohnraum nutzbar und wünschenswert. Die Programmdynamik ist daher bewußt durch eine Anpassung an die Abhörbedingungen eingeschränkt. Die Systemdynamik von PCM-Systemen hängt ab von der -»Bit-anzahl, der Güte des A/D- bzw. D/A-Wandlers, der -»Fehlerhäufigkeit und damit der -»Fehlerkorrektur und der -»Fehlerverdeckung. Der Fremdspannungsabstand digitaler Systeme ohne -»Emphasis errechnet sich zu (Bitanzahl x 6dB + 1,8dB), also: 14bit = 86dB; 16bit = 98dB.

  13. dual
    bedeutet: auf der Zahl 2 basierend (duales Zahlensystem, im Gegensatz zum gebräuchlichen Dezimalsystem). Die fast immer binäre Arbeitsweise von Digitalschaltkreisen führt fast zwangsläufig auf eine (interne) Zahlenverarbeitung im Dualsystem.

  14. Fehlererkennung
    Genaue Ortung eines gestörten Datenbits durch -»CRCC-Datenwort.

  15. Fehlerkorrektur
    Neben den eigentlichen Datenworten werden zusätzlich (-»Redundanz) Daten zur Fehlerkorrektur übertragen/gespeichert. Durch spezielle Rechenverfahren können erkannte Fehler korrigiert werden, je nach Bauteileaufwand und Korrekturfähigkeit des Codes können sehr oft sogar alle Fehler vollständig korrigiert werden. Die Fehlerkorrektur ist sehr entscheidend für die Übertragungsqualität im Hochtonbereich.

  16. Fehlerrate
    Anzahl der falschen Bits im Vergleich zur Anzahl der insgesamt empfangenen Bits, Werte von weniger als 10 -7 sind (nach der Fehlerkorrektur) anzustreben, Sprachübertragung ist noch bei 10 -4 möglich. (In manchen Fällen wird auch die Fehlerhäufigkeit je Zeiteinheit angegeben, diese muß dann anhand der je Zeiteinheit übertragenen Datenmenge umgerechnet werden.) Die Fehlerrate ab Speicher oder Übertragungsstrecke wird durch die -»Fehlerkorrektur entscheidend vermindert. Die für den D/AWandler maßgebliche Fehlerrate kann bei Überschreiten eines Grenzwertes für das Störgeräusch (Rauschen, -»Dynamik) entscheidend sein. Vermindert werden die Effekte durch die -»Fehlerverdeckung.

  17. Fehlerverdeckung (error concealement)
    Kann ein Fehler digital nicht mehr vollständig korrigiert werden, so wird das gestörte Datenwort möglichst durch eines ersetzt, das dem Original am nächsten kommt. Hierbei muß der PCM-Prozessor einen Schätzwert bilden, der je nach Aufwand und Kosten unterschiedlich gut ist und damit gehörmäßig mehr oder weniger auffällt. Die einfachste Methode ist -»Muting; weit weniger stört es, wenn man den letzten Wert einfach wiederholt (Hold-Funktion). Für HiFi ist aber eine -»Interpolation das einzig richtige.

  18. Granulation Noise
    (Granulat-Rauschen - Verzerrungen) Spezielle Art von -»Modulationsrauschen, das nur bei digitalen Systemen auftritt. Das -»Quantisierungsrauschen im Bereich sehr kleiner Pegel wird auf Grund des Höreffekts treffend als Granulatrauschen bezeichnet. Es klingt wie das Ausschütten/Aneinanderreihen von Kies oder Schotter. Sehr leise Störgeräusche oder Nutztöne rufen eine grob gestufte (rechtwinklige) Modulation hervor, diese „Zerstückelung" stört auffällig (ca. 12dB stärker als weißes Rauschen). Analoge Systeme klingen dagegen eher wie Feinsand (was bei gleichem Meßwert weniger stört). Granulat-Störungen treten z. B. bei Ausklingvorgängen auf.

  19. Interleaving (Verschachtelung, Überlappung, Codespreizung)
    Spezielle Anordnung zusammengehöriger Datenwörter, um ein PCM-System weniger störanfällig zu machen. Zusammengehörige Datenwörter werden räumlich/zeitlich getrennt übertragen und bei der Wiedergabe wieder in der richtigen (Original-)Reihenfolge zusammengesetzt. Hierdurch können kurzzeitige oder räumlich nicht zu weit ausgedehnte Fehler nur einen geringen Einfluß auf die Übertragungsqualität ausüben. Bei der CD bedeutet dies, daß die Plattenoberfläche über mehrere mm Länge vollkommen zerstört sein darf oder bei Video, daß für maximal 15 oder 31 Zeilen die Wiedergabe gänzlich ausfallen darf. Allerdings dürfen dann keine weiteren Fehler in der unmittelbaren Umgebung eines derartig großen gestörten Bereiches auftreten.

  20. Modulationsrauschen
    Diese Art von Rauschstörungen tritt auch in der Digitaltechnik auf, jedoch in anderer Art als bei herkömmlichen Magnetbandgeräten. Modulationsrauschen analoger Bandgeräte ähnelt einem Schleier, mit dem insbesondere komplexe Musik bisher überdeckt bzw. „verschmiert" wurde. Bei linear arbeitenden Systemen (-»Bitanzahl) und gutem A/D-Wandler ist der Effekt sehr gering und nur bei lauten schmalbandigen Tönen oder bei sehr geringen Lautstärken zu hören (-»granulation noise). Bei Systemen mit nichtlinearer/kompandierter Kennlinie jedoch möglicherweise auch bei PCM störend.

  21. MSB (most significant bit)
    Höchstwertiges bit in einem digitalen Wort. Ist dieses bit fehlerhaft, so wird das Vorzeichen der analogen Ausgangsspannung verändert. Fehler bei höherwertigen bits müssen wegen ihrer besonders auffälligen Hörbarkeit vermieden werden. (-»LSB)

  22. Muting
    Stummschalten des analogen Tonausganges, D/A-Wandler können bei nicht vorhandenem oder auch bei fehlerhaftem Digitalcode stummschalten.

  23. Oversampling
    Abtasten des analogen Spannungswertes im A/D-Wandler mit einem vielfachen derjenigen Abtastfrequenz, die später bei der Speicherung/Übertragung verwendet wird. Es ergibt sich ein günstigerer Aufbau des -»Aliasingfilters (-»Gruppenlaufzeit). Mit einer anschließenden digitalen Filterung (spezielle Mitteilung in einer Rechenschaltung) kann die Signalqualität durch Erhöhung der Quantisierungsstufen (-»Bitanzahl) bei Absenkung auf die übliche Abtastfrequenz verbessert werden. Ein 14-bit-Wandler mit 4-facher Abtastfrequenz kann ähnliche Qualität wie ein „normaler" 16-bit-Wandler bieten. Dabei wird die volle Dämpfung des Aliasingfilters erst nach über 2 Oktaven (20 kHz bis 88 kHz) gefordert (statt 1/6 Oktave von 20 bis 22 kHz). In umgekehrter Weise kann bei Wiedergabe die Abtastfrequenz in einer Interpolationsrechenschaltung wieder erhöht werden. Der D/A-Wandler arbeitet dann bei höherer Frequenz. Es ergeben sich dabei die gleichen qualitativen Verbesserungen wie oben beschrieben. (Oversampling bei Aufnahme oder Wiedergabe sind voneinander unabhängig und mit normalem Sampling kombinierbar.)

  24. Pit
    Die optische Spur auf einer CD setzt sich aus einer Aneinanderreihung von länglichen Zonen unterschiedlicher Reflexionseigenschaften zusammen. Eigentlich sind es keine Vertiefungen (Pits), sondern Oberflächenhöhensprünge. Länge 0,8 bis 3,6um. Tiefe 0,1um, Breite 0,5um. Ein Pit kann mehrere -»bit markieren.

  25. Quantisierung
    Stufung durch die endliche Auflösung der digitalen Zahlendarstellung. Es ergibt sich immer ein Fehler zwischen echtem und quantisiertem Wert, durch feine Stufung (hohe Auflösung) wird dieser Fehler klein gehalten. (-»Bitanzahl)

  26. Quantisierungsrauschen (quantizlsing noise)
    Der durch die -»Quantisierung bedingte kleine Fehler des Signals ist von quasizufälliger Struktur und ergibt daher als Störsignal ein Rauschen. Nur bei nichtlinearen (kompandierten) Systemen liegt das Quantisierungsrauschen über dem Grundrauschen (-»Dynamik). (-»Bitanzahl, -»Granulation Noise, -»Modulationsrauschen).

  27. Ratterstörung
    Treten erhöhte Fehlerraten in festen zeitlichen Abständen auf, so kann sich dies gehörmäßig durch ein leichtes Rattern insbesondere bei hochtonreicher Musik auswirken.

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