Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  PCM Digital-Technik (1979)→  1988 - Digtaltechnik Wissen

Technik-Artikel 14 - teilweise aus einem Büchlein von 1988

Die beiden Autoren Michael Janitz und Claus Römer sind oder waren Ingenieure beim Südwestfunk Baden Baden (damals noch SWF, inzwischen SWR) und haben mehrere Aspekte der 1988 modernen Rundfunk- und Studiotechnik beschrieben. Die Didaktik ist vorbildlich und der Schreibstil ist mustergültig, darum hier ein paar Auszüge.
Dies ist der letzte von mehreren Artikeln. Zur Übersicht über alle Artikel

.

Die digitale Tonaufzeichnung von 1988

Als Mitte der 1970er Jahre die ersten digital aufgenommenen Langspielplatten erschienen, dachte niemand daran, daß das PCM-Verfahren einmal die gesamte Hi-Fi-Szene und den Studio-Produktionsbereich erfassen würde.

Bei der digitalen Aufnahmetechnik wird - vereinfacht dargestellt - das analoge elektrische Signal in einem Wandler in ein digitales Signal umgesetzt. Das geschieht durch Abtasten der wellenförmigen Analogspannung und nachfolgende Codierung in binäre Pulse (A/D-Wandlung).

Dabei wird die gesamte Wellenkurve in sehr kleine Abschnitte zerlegt und für jeden Abschnitt eine Spannungsmessung nebst Codierung durchgeführt. Die Abtastfrequenz muß mindestens doppelt so groß sein wie die obere Grenzfrequenz des Tonbereiches, damit die Nachbildung des Kurvenverlaufes möglichst genau erfolgen kann. Den gesamten Vorgang der Zerlegung von Signalkurve in Zeitintervalle, Abtastung der Spannungswerte und Codierung nennt man Digitalisierung.

Die digitale Codierung (aus der Sicht von 1988)

In der Nachrichtentechnik verwendet man zur Codierung das Binärsystem (das Zweiziffernsystem) mit den zwei Ziffern (Bits) 0 und 1. Die beiden Zustände reichen natürlich nicht aus, um den analogen Signalverlauf vollständig zu beschreiben. Man verwendet daher mehrstellige Bitreihen.

In der Hi-Fi- und Studiotechnik hat sich die 16-Bit-Digitalisierung bewährt, die eine Auflösung des Analogsignals in 2*6 = 65.536 Pegelstufen erlaubt. Diese Abstufung ist fein genug, um auch kritische Klanggemische bei hoher Qualität exakt digitalisieren zu können. Bei der Rückwandlung werden die Pulse in einem Decoder in die ursprüngliche analoge Signalform zurückgeführt (D/A-Wandlung).

Die digitalen Impulsfolgen lassen sich ebenso wie analoge Signale auf Band oder Platte aufzeichnen. Allerdings ist dies wegen der hohen Impulsraten nur mit sehr breit-bandigen Speichersystemen möglich. Für die Magnetbandaufzeichnung eignen sich modifizierte Videorecorder, während für plattenförmige Tonträger mit der Compact Disc ein neues, zukunftsweisendes Verfahren entwickelt werden mußte.

Die Vorteile der Digitaltechnik (aus der Sicht von 1988)

Der Vorteil der Digitaltechnik liegt in der Unempfindlichkeit des Nutzsignales gegenüber äußeren Störeinflüssen. Gleichlaufschwankungen und Verzerrungen sind aufgrund besonderer Vorkehrungen so gering, daß es Mühe bereitet, sie meßtechnisch erfassen zu können.

Ähnlich gute Eigenschaften weisen der Frequenzgangverlauf und das Phasenverhalten auf. Der Geräuschspannungsabstand ist von der Anzahl der verwendeten Bits abhängig. Nach einer Faustregel errechnet sich der Dynamikumfang aus dem sechsfachen Wert der Bitrate.

Bei einer 16Bit-Digitalisierung ergibt sich daher ein (theoretischer) Rauschabstand von 96 dB. Unter Berücksichtigung der in der Studiomeßtechnik üblichen Bewertungsverfahren (Ohrkurve und Quasi-Spitzenanzeige) schrumpft dieser Zahlenwert auf 84 dB, was immer noch recht ansehnlich ist. Man hat sich geeinigt, hiervon 10 dB für eine Übersteuerungsreserve abzuzweigen.

Bei der herkömmlichen Magnetbandtechnik kann man sich einen derartigen Luxus nicht leisten, da der gesamte Dynamikbereich nur etwa 60dB beträgt. Da sich Übersteuerungen in der Digitaltechnik schlagartig bemerkbar machen, ist ein Sicherheitsabstand, genannt Headroom, unumgänglich, da bei der Aufnahme von Sprach- und Musikprogrammen immer wieder unvorhergesehene Pegelspitzen auftreten.

Man hat außerdem beschlossen, auch im unteren Pegelbereich einen Sicherheitsabstand (Footroom) vorzusehen, und dafür 20dB veranschlagt. Damit soll vermieden werden, daß Pianopassagen im (auch bei der Digitaltechnik vorhandenen) Störgeräusch untergehen bzw. daß dieses in den Modulationspausen hörbar wird.

Nach Abzug der Sicherheitsreserven von insgesamt 30dB verbleibt eine Programmdynamik von 54dB, die auch verwöhnten Ohren noch genügen dürfte. Es ist gar nicht sicher, ob dieser weite Spielraum je ausgenutzt werden wird. Die Tonmeister haben ihre Aufnahmegewohnheiten bisher nicht den vergrößerten dynamischen Möglichkeiten angepaßt, zumal Einspielungen in der Regel nicht ausschließlich für die Compact Disc produziert werden, sondern weiterhin auch für Langspielplatten und Musikassetten, und weder die Hörgewohnheiten der Konsumenten noch ihre Abhörbedingungen haben sich seit Einführung der CD grundlegend gewandelt.

(Anmerkung in 2012 - das war der Wissensstand von 1988 - das hat sich gewaltig eändert.)

Der Vorteil der neuen Silberplatte liegt also weniger in der vergrößerten Programmdynamik, sondern vor allem darin, die bereits bestehende Programmdynamik ohne Einbußen, also ohne Verzerrungen und Nebengeräusche, realisieren zu können.

Noch keine großen Veränderungen bei der digitalen Musikproduktion

Die digitale Musikproduktion unterscheidet sich nur wenig von den herkömmlichen Gepflogenheiten. Bei Verwendung von PCM-Spulengeräten kann wie bisher mit der Schere geschnitten werden. Sehr häufig wird allerdings das U-matic Kassettensystem eingesetzt, wie es bei der Videoproduktion benutzt wird. Bei der Kassettentechnik ist ein mechanischer Schnitt aus technischen Gründen nicht möglich. Wie bei der Nachbearbeitung von FS-Bildsignalen muß daher auch bei der PCM-Tonaufzeichnung der elektronische Schnitt angewandt werden.

Dabei werden - vereinfacht gesagt - die benötigten Bandpassagen von einem Zuspiellaufwerk auf eine Aufnahmemaschine fliegend, d.h. innerhalb des akustischen Geschehens, aneinandergesetzt. Es findet ein Überspielvorgang statt, bei dem dank der Digitaltechnik jedoch kein Qualitätsverlust entsteht.

Mit Hilfe eines mitaufgezeichneten Zeitcodes und mit der Unterstützung eines kleinen Rechners können alle Passagen nahezu automatisch zusammengefahren werden. Der Schnitt selbst kann mit mannigfachen Einstellungen wie Pegel, Einstiegs- und Ausstiegszeit sowie Überblendungszeit beliebig variiert werden.

Die elektronischen Schnittmöglichkeiten sind bei weitem größer als bei der bisherigen Bandmontage. Bevor der Schnitt wirklich ausgeführt wird, kann man ihn mit allen Variationsmöglichkeiten simulieren, ohne daß das Originalband dabei zerstört wird.

Die CD-Platte (die heutige CD - aus der Sicht von damals 1988)

Die Wurzeln der CD-Technik reichen bis in das Jahr 1938 zurück, als ein Mitarbeiter der amerikanischen Firma Bell in deren Pariser Laboratorium vorschlug, Nachrichtensignale mit Hilfe der sogenannten Pulscode-Modulation digital zu verschlüsseln. Damals war dieser Gedanke mit der üblichen Röhrentechnik und den einfachen und langsamen elektronischen Schaltungen überhaupt nicht zu realisieren. Erst die Erfindung des Transistors und die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen haben die Voraussetzungen für einen praktischen Einsatz der Pulscode-Modulation, abgekürzt PCM, geschaffen.

Bei der CD-Technik verwendet man eine kleine Platte zur Speicherung des digitalen Tonsignals, das in Form winziger Vertiefungen, den sogenannten Pits, eingraviert wird. Unter einem Mikroskop sieht man diese unzähligen Pits entlang einer Spur aufgereiht, die nur etwa einen tausendstel Millimeter breit ist.

Insgesamt 40 CD-Spuren nebeneinander entsprechen einer Rillenbreite bei einer normalen Langspielplatte oder dem Durchmesser eines menschlichen Haares. Beim Abspielen einer CD müssen diese winzigen Pits wieder in ein Tonsignal zurückverwandelt werden, an den Abtastvorgang schließt sich also eine Umwandlung in analoge Tonsignale an. Diese Aufgabe übernimmt der Digital/Analogwandler, der direkt im Abspielgerät untergebracht ist. Die Glättung der unvermeidlichen Treppenstufen vollzieht sich dabei in einer speziellen Filterschaltung.

Die Technik der CD

Die CD hat einen Durchmesser von 12cm und ist aus fertigungstechnischen Gründen nur auf einer Seite bespielt. Die zweite Seite ist für das Titeletikett reserviert. Die Spieldauer einer CD ist auf maximal 70 bis 75 Minuten begrenzt.

Die Herstellung einer CD verlangt höchste Präzision: Die Dicke der Platte muß einheitlich 1,2 mm betragen, und die Durchbiegung darf am Rand 0,5 mm nicht überschreiten. Die Pits müssen bis auf einige millionstel Millimeter genau in der vorgeschriebenen Spur liegen.

Die digitale Bearbeitung

Die Digitalisierung des Tonsignals hat gegenüber der analogen Übertragung den Vorteil, daß ein kleiner Computer die digitalen Datenströme nach bestimmten mathematischen Vorschriften bearbeiten kann. Deshalb lassen sich auch Aufzeichnungsfehler und Übertragungsstörungen nachträglich so ausgleichen, daß sie in der Regel nicht mehr wahrgenommen werden können. Allerdings muß man auch bei der Digitalisierung mit zwei Arten von Fehlern rechnen, die mit der Abtastrate und der sogenannten Quantisierung zusammenhängen.

Die Abtastrate gibt an, wie oft innerhalb einer Sekunde das Analogsignal auf seinen Spannungsverlauf abgetastet wird. Ist die Abtastrate zu gering, dann gehen zwangsläufig Spannungswerte verloren. Man kann andererseits auch sagen, daß die Spannungsänderungen des analogen Tonsignals in diesem Fall für das Aufnahmesystem zu schnell erfolgen.

Kommt es dann später wieder zur Rekonstruktion des Analogsignals, dann fehlen wichtige Informationen aus dem ursprünglichen Signalverlauf.

Über die digitalen Fehler

Eine wichtige Regel der Pulscode-Modulation lautet nun, daß immer dann Informationen verloren gehen, wenn die Tonfrequenz größer ist als die halbe Abtastrate. Bei der CD beträgt die Abtastrate einheitlich 44,1 kHz. Da die halbe Abtastrate also bei 22,05 kHz liegt, werden Tonfrequenzen oberhalb von 22,05 kHz nicht mehr erfaßt, wie es für eine korrekte Signalverarbeitung wünschenswert wäre.

Sollten Frequenzen oberhalb von 22,05 kHz im Signal enthalten sein, so entsteht eine Frequenzkomponente, die der Differenz zwischen Originalfrequenz und Abtastrate entspricht. Diese sogenannte Aliasing-Frequenz fällt dann als nichtharmonischer Anteil in den hörbaren Bereich zurück und sorgt dort für z.T. erhebliche Tonstörungen. Diese Art von Störung kann vermieden werden, indem die Abtastrate möglichst groß gewählt wird. Auf jeden Fall sollten alle wichtigen Obertöne miterfaßt werden.

Bei der Pulscode-Modulation kann noch ein weiterer Fehler entstehen, und zwar durch die Quantisierung des Signals. Die Quantisierung beschreibt den Vorgang, in dem die Spannungswerte des Analogsignals einzelnen Abstufungen zugeordnet werden. Ist die Anzahl der Abstufungen zu gering, dann gehen auch hier Informationen über den ursprünglichen Signalverlauf verloren. Die Folge ist eine typische Störung bei allen Digitalsystemen, die mit Pulscode-Modulation arbeiten, das sogenannte Quantisierungsrauschen. Es tritt immer gleichzeitig mit dem Tonsignal auf.

Die Quantisierung

Bei der CD vollzieht sich die Quantisierung in genau 65.536 Abstufungen. Vom Spannungswert 0 bis zum Spitzenwert ist die Werteskala also in mehr als 65.000 Abschnitte eingeteilt. Trotz dieser scheinbar ausreichenden Quantisierung tritt jedoch auch bei der CD das Quantisierungsrauschen auf, allerdings in den meisten Fällen nicht als störendes Geräusch. Aufgrund seiner statistischen Verteilung wird es bereits bei der Aufnahme durch analoge Rauschanteile überdeckt.

Die Größe der Quantisierung ist gleichzeitig ein Maß für die maximale Systemdynamik. Sie gibt an, wie groß der Abstand zwischen dem leisesten und dem lautesten Tonsignal sein kann, ohne daß Rauschstörungen oder Verzerrungen auftreten. Für die Darstellung von mehr als 65.000 Quantisierungsschritten benötigt man in der Digitaltechnik 16-stellige Bitfolgen, eine 16-Bit-Quantisierung. Da jedes Bit den Rauschabstand um den Faktor 2, also 6 dB verbessert, ergibt sich rechnerisch eine maximale Systemdynamik von 6 x 16 = 96 dB. Damit liegt die Dynamik der CD um mehr als 30dB über der von sehr guten Analogplatten.

Die Fehlerkompensation

Auf dem Signalweg können noch weitere unerwünschte Effekte hinzukommen. Wenn z.B. die CD beschädigt ist, sei es durch äußere Einflüsse, sei es durch einen Fehler bei der Herstellung, erweist sich die digitale Umwandlung einerseits als besonders anfällig, andererseits gelingt es aber mit Hilfe einer Fehlerkorrektur, einen akzeptablen Ausgleich zu schaffen.

Kratzer oder Verschmutzungen auf der Plattenoberfläche machen sich deshalb bis zu einer bestimmten Größe nicht bemerkbar, und selbst Ausfälle in der Informationsspur bis zu einer Länge von 2,5 mm können problemlos kompensiert werden.

Für die Fehlerverarbeitung gibt es drei verschiedene Möglichkeiten: Eine konsequente Stummschaltung bei Fehlerstellen, eine Übernahme des letzten fehlerfreien Abtastwertes und eine Mittelwertbildung zwischen dem letzten fehlerfreien und dem nächstmöglichen fehlerlosen Abtastwert. Der Ersatz der Störstelle durch einen errechneten Mittelwert hat sich in der Praxis am besten bewährt. Diese Methode wird deshalb überwiegend bei der CD eingesetzt.

Weitere technologische Tricks

Bei der Einprägung der Pitspur werden die digitalisierten Abtastwerte zusätzlich noch so verschachtelt und auch räumlich versetzt, daß eventuelle Störstellen nicht zwangsläufig zu einem Totalausfall führen. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine leistungsfähige Speicherkapazität des CD-Abspielgerätes und einen komplizierten Rechenaufwand. Die CD-Technik ist in der Lage, auch diese Aufgabe fast mühelos bewältigen zu können.

Der CD-Spieler = der "Compact Disc Player"

Das Abspielgerät für die Compact Disc, der CD-Player, zählt zu den interessantesten Geräten der HiFi-Technik. Wenn die CD eingelegt ist und das Startzeichen gegeben wird, dann setzt sich in den CD-Playern eine Abspielautomatik in Gang, die soviel technische Raffinesse umfaßt, daß alle anderen HiFi-Geräte dagegen fast hausbacken wirken.

Zur Abtastung einer CD wird der Lichtstrahl einer Laserdiode verwendet, der berührungslos über die Pits hinweggeführt wird. Genaugenommen wird eine CD nicht abgetastet, sondern abgeleuchtet. Der Aufbau einer Abtasteinheit besteht somit aus einer Laserdiode und optischen Bauteilen. Der Laser sendet übrigens unsichtbares Infrarotlicht aus, das sich vom Sonnenlicht noch zusätzlich dadurch unterscheidet, daß es nur aus Wellenzügen gleicher Phase besteht. Erst durch diese besondere Eigenschaft wird die Abtastung einer CD überhaupt möglich.

Der Laser

Der Weg des Laserstrahls führt zunächst durch ein halbdurchlässiges Prisma, gelangt dann in eine Sammellinse und wird schließlich durch ein Objektiv auf die Plattenoberfläche gerichtet. Hier entsteht dann ein Brennfleck von etwa einem tausendstel Millimeter Durchmesser. Dieser Brennfleck befindet sich exakt auf der Informationsebene der CD; das optische System darf also in dieser Hinsicht keine Fehler aufweisen.

Wenn der Laserstrahl auf einen glatten Abschnitt der CD trifft, wird das phasengleiche Licht einheitlich reflektiert und gelangt über die verschiedenen Linsen wieder zurück zu dem halbdurchlässigen Prisma, welches jetzt allerdings den Lichtstrahl rechtwinklig auf eine lichtempfindliche Fotodiode umlenkt. Hier wird die Lichtintensität in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Solange eine einfache Reflexion des Laserstrahls an einer glatten Oberfläche stattfindet, registriert die Fotodiode keine Intensitätsschwankungen. Nähert sich der Laserstrahl jedoch einem Pit auf der Oberfläche, dann entsteht durch den winzigen Wegunterschied eine Phasenverschiebung, die von der Fotodiode als Abnahme der Lichtintensität wahrgenommen wird. Entsprechend ändert sich dann auch der elektrische Strom der Fotodiode.

Die Intensitätsänderungen und die digitale Information auf der Platte hängen folgendermaßen zusammen: Eine glatte Oberfläche entspricht immer der digitalen Information 0. Jede Intensitätsänderung, die am Anfang und Ende eines Pits entsteht, ist dagegen ein Zeichen für die Information 1. Mit diesem ausgeklügelten Erkennungssystem lassen sich also die verschlüsselten Tonsignale und zusätzlichen Steuersignale der CD einwandfrei erkennen.

Alles auf 4,5cm Länge

Das gesamte Abtastsystem des CD-Players einschließlich der Laserdiode ist in einem Gehäuse untergebracht, das etwa 4,5 cm lang ist und einen Durchmesser von etwas mehr als einen Zentimeter besitzt. Die gesamte Einheit ist beweglich eingebaut, damit der Laserstrahl allen Unebenheiten der Plattenoberfläche exakt folgen kann.

Dazu ist ein sehr empfindliches Nachführsystem erforderlich, das ähnlich arbeitet wie die Schwingspule eines dynamischen Lautsprechers. Auch hier werden winzige Ströme in Bewegungen umgesetzt. Sie entstehen als Steuersignale am Abtastkopf selbst oder werden von einem Mikroprozessor geliefert.

Der Wissensstand zum Ende 1988

Damit wären bereits die wesentlichen Aufgaben eines CD-Players beschrieben: das Auslesen der mikroskopisch kleinen Pits und die genaue Nachführung des Laserstrahls. Doch es gibt noch weitere Funktionsgruppen im CD-Player. Eine davon ist die Drehzahlsteuerung der CD.

Eine CD wird immer von innen nach außen abgelesen. Dabei bewegt sich die Plattenoberfläche ständig mit gleicher Geschwindigkeit von 1,25 m/s am Ablesekopf vorbei. Aus diesem Grund ist die Drehzahl am Beginn der Abtastung größer als am Ende. Sie beträgt zunächst 500 Umdrehungen pro Minute und nimmt dann bis auf 200 Umdrehungen pro Minute ab. Die Informationen für die entsprechende Drehzahl erhält der Motor direkt aus dem digitalen Signal von der Platte; sie wurden bereits bei der Plattenherstellung dort gespeichert.

Neben diesen rein mechanischen Steuereinheiten sind in einem CD-Player schließlich auch die wichtigen Bauteile für die Digital/Analogwandlung des Tonsignals sowie für die Fehlerfeststellung und Korrektur untergebracht. In einem Mikroprozessor laufen alle Rechenvorgänge ab. Von hier aus werden auch die Tastenfunktionen gesteuert und das Anzeigenfeld bedient.

Da das gesamte CD-System einheitlich aufgebaut ist, gleichen sich alle CD-Player im prinzipiellen Aufbau. Qualitätsunterschiede zwischen den einzelnen Geräten beziehen sich nur auf die Fähigkeit der Fehlererkennung und der Korrektur, die Abtastsicherheit sowie einige Kleinigkeiten wie etwa die Zugriffszeit auf einzelne Plattentitel. Allerdings gibt es heute im Gegensatz zu den Anfängen der CD-Technik immer mehr Unterschiede zwischen den Abtastsystemen der CD-Player. Die dazu passenden Stichworte sind: direkte Abtastung mit 16 Bits und Oversampling in verschiedenen Variationen.

Anmerkung in 2012 - da haben sich ganze Welten verändert.

Erstens ist die CD und Laser- Technologie (bei den rotierenden Medien) in 2012 nahzu ausgereizt und auch so ziemlich am Ende. Und zweitens ist nach der Magnetbandtechnik auch die CD/DVD usw. als Datenspeicher so gut wie obsolet.

-

Die CD-Wandler-Verfahren von 1988

Die Abspielgeräte für CDs verwenden fünf verschiedene Verfahren, mit denen das digitale Tonsignal in ein Analogsignal umgewandelt wird. Zwei dieser Verfahren bedienen sich dabei der direkten Wandlung, die drei anderen Verfahren haben sich auf Oversampling spezialisiert, die sogenannte Überabtastung des Tonsignals.

Innerhalb ein und desselben Wandlerverfahrens gibt es allerdings Unterschiede, die durch abweichende Längen des Digitalwortes auftreten, also z.B. 14 Bit oder 16 Bit Wortlänge. Trotz einer Normung der Compact Disc hat sich also eine Differenzierung bei den Wandlerverfahren durchgesetzt.

Schon bei der Einführung der neuen Technik wurden die Käufer mit zwei unterschiedlichen Wandlertypen konfrontiert; bei Philips mit dem 14Bit-Oversampling und beim Konkurrenten Sony mit der 16Bit-Direktwandlung.

Die Feinheiten und die Filterung

Es ist bekannt, daß auf allen CDs einheitlich ein 16-Bit-codiertes Tonsignal mit einer Abtastrate von 44,1 kHz gespeichert ist. Wird dieses Signal notwendigerweise in einem Digital/Analogwandler verarbeitet, so entsteht im Takt der Abtastfrequenz prinzipiell ein treppenförmiges Signal. Dieses Treppensignal weist allerdings einen bemerkenswerten Nachteil auf: Es besteht nicht nur aus den gewünschten Audiofrequenzen, sondern auch aus zahlreichen hochfrequenten Komponenten, die zur Wiedergewinnung des Tonsignals nichts beitragen.

Da diese Frequenzanteile bereits im Ultraschallbereich liegen, können sie im ungünstigsten Fall Störungen im Radioband verursachen. Außerdem besteht die Gefahr von Überlastungen des Verstärkers und der Lautsprecher. Aus diesem Grund ist es ein Anliegen, diese Frequenzanteile möglichst wirkungsvoll zu unterdrücken.

Dieses Ziel wird mit analogen Tiefpaßfiltern erreicht, wenn das Filter richtig berechnet ist und den entsprechen Aufbau vorweisen kann. Ein derartiges Filter sollte alle Audiofrequenzen bis 20 kHz ungeschwächt passieren lassen, ab etwa 24 kHz jedoch mit einer starken Dämpfung einsetzen. Bei der direkten Digital/Analogwandlung wird trotz des relativ großen Aufwandes bei der Filterdimensionierung dieser Weg beschritten.

Selbst wenn das Tiefpaßfilter die gewünschte Dämpfung der Ultraschallkomponenten bewirkt, ergeben sich noch weitere Probleme bei dieser Technik. Durch die besonders steile Flanke des Filters entstehen bereits bei etwa 10kHz - also noch im Audiobereich - leichte Absenkungen des Tonsignals, die natürlich unerwünscht sind. Außerdem sind steilflankige Filter für Abweichungen des Frequenzganges und für Phasenverzerrungen, speziell bei hohen Frequenzen, anfällig.

Das Oversampling

Ausgangspunkt für das Oversampling ist der Wunsch, Ultraschallkomponenten erst gar nicht in Erscheinung treten zu lassen. Die hochfrequenten Störsignale entstehen bekanntlich an den Treppenübergängen. Könnte man diesen Stufen ihre ausgeprägte eckige Form nehmen, so ließen sich die Ultraschallanteile wirkungsvoll ausschalten. Der Effekt wäre eine Gratisfilterung zugunsten eines ungestörten Audiosignals.

Die Verfeinerung des Treppensignals, seine weniger eckige Abstufung, erzielt man durch eine höhere Abtastrate. Es wird also nicht mit der Norm 44,1 kHz abgetastet, sondern mit dem doppelten oder vierfachen Wert. Da jedoch auf der CD die Anzahl der Abtastwerte entsprechend der Norm festliegt, müssen beim Oversampling die fehlenden Zwischenwerte nachträglich ermittelt werden.

Die Digitaltechnik löst dieses Problem durch den Einsatz eines Digitalfilters, eines winzigen Rechenwerkes. Hier werden blitzschnell die zusätzlichen Abtastwerte berechnet und dem ursprünglichen Signal hinzugefügt. Nachdem auf diese Weise ein neues Treppensignal entstanden ist, dessen Treppenstufen nur noch sehr schwach ausgebildet sind, reicht ein einfaches Analogfilter aus, die wenigen verbleibenden Störfrequenzen zu unterdrücken. Da einfache, flache Analogfilter keine Phasenverzerrungen produzieren, hat das Oversamplingverfahren Vorteile gegenüber der direkten Wandlung mit aufwendigen Tiefpaßfiltern.

DAT, ein digitaler Kassettenrecorder

Die CD-Technik hat bis heute für viele HiFi-Freunde einen ganz entscheidenden Nachteil: Digitale Audiosignale lassen sich bislang über eine CD nur wiedergeben, eigene Digitalaufnahmen sind dagegen nicht möglich - mit Ausnahme spezieller Techniken mittels Videorecorder und PCM-Prozessor. Kein Wunder also, daß allerseits ein handlicher Kassettenrecorder mit den dazugehörenden Kassettenbändern ganz oben auf der Wunschliste steht.

Parallel zur Entwicklung der CD wurde auch an der digitalen Tonbandtechnik gearbeitet. Als Ergebnis dieser Bemühungen ist inzwischen das normierte DAT-System (Digital Audio Tape) entstanden. Alle heute bekannten Recorder arbeiten nach der R-DAT-Norm. Daneben werden auch Überlegungen für sogenannte S-DAT-Versionen angestellt.

Die diversen Abkürzungen

Hinter diesen Abkürzungen verbergen sich zwei unterschiedliche Funktionen der Aufnahme bzw. Wiedergabe. Bei S-DAT-Geräten wird - ähnlich wie beim herkömmlichen Analogrecorder - ein stationärer, also feststehender Tonkopf verwendet, während bei den R-DAT-Recordern ein schnell rotierender Tonkopf (Schrägspurverfahren) eingesetzt wird.

Die DAT Kassette

Nach diesen mehr allgemeinen Bemerkungen zum DAT-System, nun einige detaillierte Angaben über die technischen Eigenschaften. Eine DAT-Kassette besitzt eine Spieldauer von maximal zwei Stunden und ist nur etwa halb so groß wie die herkömmliche Kompakt-Kassette. Die Größe des DAT-Recorders richtet sich nach dem Verwendungszweck. Auto-Recorder sollen dieselben Abmessungen erhalten wie heutige Geräte. Für den Heimgebrauch gilt als Vorbild ein CD-Abspielgerät.

Doch nicht nur an den äußeren Abmessungen orientieren sich die Hersteller, sondern auch am Bedienungskomfort eines CD-Players. So ist ein DAT-Recorder mit fast denselben Handgriffen zu bedienen wie ein CD- Abspielgerät. Das Einlegen der Kassette geht allerdings wie bei einem analogen Recorder vonstatten.

Das DAT Bandmaterial

Die Breite des Kassettentonbands ist mit knapp 4mm dieselbe wie beim herkömmlichen CC-Kassettenband.

  • Anmerkung: Das ist hier leider falsch, es sind eben nicht genau 4,00 mm - es ist absichtlich die gleiche Breite wie beim analogen CC Kassettenband (nur anderes Material) und hat damit auch nur 3,81mm mit all den Problemen dieser geringen Bandbreite. Doch anders als bei den analogen Tonaufzeichnungen werden beim DAT-Band die Tonsignale in ihrer digitalisierten Form auf einzelnen schrägen Spuren und nicht hintereinander und vor allem nicht über die ganze Breite des Bandes aufgezeichnet. Es wird oben und unten ein freier Raum von fast 1mm unbenutzt gelassen, man weiß bei SONY auch warum.

.

  • Auch das war nicht korrekt. Beim DAT Band werden die Daten im Prinzip hintereinander aufgezeichnet, auch wenn die einzelnen kurzen Spuren dann schräg nebeneinander liegen.

.
Die Diagonalaufzeichnung bringt den großen Vorteil mit sich, daß gewaltige Mengen von Digitalsignalen auf vergleichsweise geringen Bandlängen gespeichert werden können. (Bei einer Längsspuraufzeichnung würde sich der Bandverbrauch erheblich steigern).
.

  • Anmerkung: Auch das stimmt nicht. Die DLT Technik (Digital Linear  Tecnology) zeichnet seit 1984 große Datenmengen in Längsspuraufzeichnung auf, in 2010 waren es netto 800 GB auf einer Band Beite von 12,7mm (1/2") auf über 620 Spuren und mit 1000m Band in einer DLT oder LTO Kassette.

.
Die einzelnen Schrägspuren haben eine genau festgelegte Länge von 23,5 mm, in der nahezu 200 Datenblöcke untergebracht sind, die sämtliche Informationen über das Tonsignal enthalten. Außerdem sind Datenblöcke für die Steuerung des Bandantriebs sowie für die Fehlerkorrektur bei sogenannten Dropouts, den gefürchteten Aussetzern bei der Aufnahme oder Wiedergabe vorhanden.

Doch nicht nur die Schrägaufzeichnung ermöglicht eine große Speicherkapazität auf dem Band, sondern man bedient sich zusätzlich eines schnell rotierenden Tonkopfes. Trotz einer sehr geringen absoluten Bandgeschwindigkeit (des Bandes) von nur etwa 8mm/s wird durch den mit 2.000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Tonkopf eine scheinbare Bandgeschwindigkeit von 3m/s simuliert. Das entspricht fast dem zehnfachen Wert der Bandgeschwindigkeit, wie sie bei Studiobandmaschinen verwendet wird.

Die DAT-Technik ermöglicht auch einen schnellen Programmsuchlauf. Dazu wird die Bandgeschwindigkeit um das 200fache erhöht. Gleichzeitig muß sich die Kopftrommel entsprechend langsamer drehen, damit die Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Tonkopf konstant bleibt.
.

Anmerkung:
Hier müssen wir Nachsicht walten lassen,
denn das SONY DAT Thema war 1988 noch sehr jung und es gab nur großspurige Werbebroschüren mit oberflächlichen Informationen. Hier finden Sie im Hifi-Museum einen geschichtlichen Anriß der DAT Entwicklung mit dem Focus auf die enorme Edel-Qualität. Bereits 10 Jahre später war das DAT Band bereits wieder Geschichte.

.

Dies ist der letzte von mehreren Artikeln.
Die Übersicht über alle diese Artikel steht hier.
.

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite © 2007/2018 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - DSGVO - Privatsphäre - Zum Telefon der Redaktion - 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.