Dynamik, Abtastrate, Datenrate - bitte Aufklärung

[raphael]

a) Nein ich höre kein Radio, weil's mich nicht interessiert.

b) Werden hier Dinge als Argumente angeführt, die nichts damit zu tun haben, ob eine Erhöhung der Samplerate sinnvoll ist oder nicht. Man kann nicht über "Sonderfälle" darauf schließen, daß es auch für den "Normalfall" gilt.

c) Habe ich nicht gesagt, daß es besser klingt, wenn >20kHz wiedergegeben wird, sondern lediglich, daß die Wissenschaft sich nicht sicher ist, ob es wahrgenommen wird und welche Auswirkungen es hat.

d) Muß man noch zwischen akustischer Welt und digitaler Welt unterscheiden. Eine Erhöhung der Abtastrate hat auch noch andere Vorteile in der digitalen Welt, die sich auf den hörbaren Bereich auswirken (weniger Klirr bei Signalverarbeitung, je nachdem, was man macht etc.). Bsp. aus der Praxis: Ich habe arbeite gerade an einem Algorithmus für eine DSP-Anwendung, dabei wird unvermeidlich ein wenig Klirr erzeugt (systembedingt). Arbeitet man mit 48kHz tauchen diese Klirrspektren wieder im unteren Frequenzband auf und sind deutlich wahrnehmbar. Tastet man jedoch zunächst auf 192kHz hoch und rechnet dann den Algorithmus, dann hat man das Problem nicht. Akustisch ist das nicht zu erklären, sondern durch die Eigenschaften zeitdiskreter Signal bedingt. Da funktioniert das 44.1kHz-wegen-Hörgrenze-Argument schon nicht mehr. :P

Was ich letztlich sagen will, ist, einfach zu behaupten, 44.1 kHz reicht, weil ich ab 18kHz eh nichts mehr höre, zeugt davon, daß man sich nicht eingehend genug mit der Materie befaßt hat, um nicht zusagen, ist absoluter Blödsinn in der Argumentation. (PS. bitte nicht als Beleidigung auffassen, sondern einfach mal als klare Aussage).

Raphael

[agossi]

Hallo zusammen,

es gibt schon handfeste Argumente für hohe Abtastraten, das hat nicht primär was mit dem "über 18kHz hört man ja sowieso nichts"-Problem zu tun.

So erhöht sich beispielsweise der Rauschabstand bei gleicher Bitzahl des Wandlers je höher die Abtastfrequenz ist, weil das Quantisierungsrauschen (durch Abtastfehler, bzw. "Runden" des analogen Signals in die digitalen Entsprechungen) sich auf ein grösseres Spektrum verteilt und somit im hörbaren Spektrum weniger Rauschenergie auftritt.

Dieser Effekt kommt insbesondere beim Sigma-Delta-Verfahren zur Anwendung, wo mit 256-facher Überabtastung (also 11.28Mhz), aber nur einem Bit abgetastet wird. Ausserdem können so die Aliasingfilter sehr einfach gestaltet werden, was den analogen Schaltungsaufwand enorm vereinfacht.

Es gibt also hauptsächlich technische Gründe für höhere Abtastfrequenzen, wie Raphael ja auch oben schon einleuchtend geschildert hat.

[harry_m]

Die Schallplatte und die Frequenzen...

Beim allen Schwärmen für die Schallplatte darf ruhig erwähnt werden, dass die Plattenspieler damals nach einer DIN-Norm einen Frequenzbereich bis 12,5kHz hatten.

In den meisten Vor-, und Phono-Verstärkern wurde schon vor der Einführung der CD oberhalb von 20kHz weg gefiltert. Da sollte man die Schaltpläne aus den 80gern herausholen. Ich kann mich noch an die Begründung erinnern: "wozu die Endstufen mit unnötigem Rauschen belasten?!" Anfang der 80ger habe ich mir einen Vorverstärker für meinen Plattenspieler gebaut: und in der Schaltung war eben dieser Tiefpass mit der Eckfrequenz von ca. 20kHz vorgesehen. Ich habe ihn probeweise abgeklemmt: und merkte überhaupt nichts. Getestet habe ich mit einer der wenigen "SuperLP's" mit 45U/Min, die ich damals in die Pfoten bekam.

Also wieder eingelötet. Damit war für mich das Thema gegessen.

Die Frequenzgänge der Studiomikrofone sollte man sich auch mal ansehen: Quatisierung hin, unbewusste Wahrnehmung her: auf der LP hat es nie ein Nutzsignal mit Frequenzen jenseits der 20kHz gegeben. Abgesehen davon: auch in den 70gern hat man nicht direkt auf die Platte geschrieben: nein, da war noch eine Mehrkanal-Bandmaschine dazwischen: bis es abgemischt und auf den Master geschrieben wurde, ist das Signal über sehr, sehr viele Glieder mit Tiefpass-Funktion gelaufen. Denn die Bänder rauschten vorzüglich: da hat man vorsichtshalber gefiltert - um es im Endergebnis nicht all zu schlimm aussehen zu lassen.

Trotz alle dieser Fakten habe ich einige DVD-Audios und bin ganz glücklich diese zu besitzen.

Erstens finde ich die Mehrkanal-Aufnahmen sehr schön.
Zum anderen war es eben etwas exotisches und die Techniker im STudio haben sich richtig Mühe gemacht, um eben überdurchschnittlich gute Aufnahmen zu erzeugen. Insbesondere was die Dynamik betrifft: hier war Kompressor wohl Tabu.

Aber ich habe auch eine ganz schlechte DVD-Audio Aufnahme: der beste Beweis dafür, dass der Tonträger an sich kein Garant der Qualität ist.

Keine Frage, ein schöner Plattendreher und eine LP im Cover tragen schon sehr zum vornehmen Musikgenuss bei. Da kann weder CD noch eine SACD mithalten.

Nur lache ich heute noch, wenn ich an den Tag denke, als ich so ein Rudel "Grauer Panter" in einem High-End laden sah, die bedächtig den dumpfen Flötenklängen lauschten und über den unerreichten Klang der LP dozierten.

Es ist ganz putzig, wenn ausgerechnet die Herrschaften weit jenseits der 40 Jahre über 20kHz diskutieren. Bevor so ein "High-Ender" mir ein einziges Wort über die "unbewusste Wahrnehmung" der Frequenzen jenseits von 20kHz erzählt, muss er mir erst mal einen aktuellen Hörtest vom HNO-Arzt zeigen: dann sehen wir, ob er über 10kHz überhaupt reden darf.

P.S.: erinnert mich irgendwie an den Sketch aus der Reihe "Alt und durchgeknallt"...

Zwei ältere Herren sitzen vor dem Ferseher. Der eine:
- Ja, diese Shakira hätte ich gerne mal hier gehabt!
Der andere:
- Und dann?!
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[raphael]

Schallplatte und LP? Was ist das überhaupt? Hat man das vor dem Krieg benutzt?

Ansonsten erinnert mich Dein Beitrag an den generellen Zustand der Rentnerrepublik Deutschland: Sinnvoll ist nur das, was für Senioren ausreichend erscheint und danach haben sich alle zu richten.

Und jetzt noch mal im Ernst. Vielleicht sollte man sich bei der Diskussion um höhere Abtastraten endlich mal von der Vorstellung verabschieden, dass es nur darum geht, höhere Frequenzen wiedergeben zu können. Selbst die Rekonstruktion eines bei 15kHz bandbegrenzten Signals wird mit 96 kHz besser gelingen als mit 48kHz (wenn man den Wandler richtig konstruiert...).

[harry_m]

...Selbst die Rekonstruktion eines bei 15kHz bandbegrenzten Signals wird mit 96 kHz besser gelingen als mit 48kHz (wenn man den Wandler richtig konstruiert...).

Wenn man den Wandler richtig konstruiert, reichen für 15kHz ca. 33kHz völlig aus.



Alles, was darüber hinaus besser gelingen wird, ist Verschwendung.

[raphael]

0.5*fs sagt die Theorie. Die geht aber auch davon aus, daß man einen idealen Wandler zur Verfügung hat und daß die analogen Filterstufen rauschfrei so wie mit rechteckiger Flanke und maximaler Sperrdämpfung arbeiten.
Das ist in der Praxis nicht machbar.
Daher wird in jedem zeitgemäßen (sic!) DA-Wandler zunächst ein Hochtasten auf ein Vielfaches der Abtastrate (z.Bsp. 384kHz) durchgeführt. Dadurch kann die Ausführung des analogen Filters einfacher gestaltet werden. Zwar hat man dann das Problem des analogen Filters deutlich verbessert, man führt aber eine andere Schwierigkeit ein.
DA-Wandler haben naturgemäß nur begrenzte Rechenkapazität so daß nur einfache Interpolationsverfahren für das Hochtasten in Frage kommen. Solche Interpolationen führen aber zu durchaus hörbaren Verzerrungen, wenn das orignale Signal Energie im Bereich oberhalb von 6kHz (wenn mit 48kHz abgetastet worden ist) enthält. Und das trifft auf viele Signale zu. Es gibt jetzt mehrer Möglichkeiten, was man tun kann: Entweder einen zusätzlichen Filter in den Hochtastalgorithmus im DA-Wandler einbauen (schwierig, wegen der begrenzten Rechenkapazität) oder schlauer: Man setzt vor den DA-Wandler einen DSP der die Hochtastung übernimmt und programmiert einen aufwendigen Algorithmus nach allen Regeln der Kunst (kostet dann richtig Geld das Gerät hinterher) oder die billigste Lösung: Man geht nicht mit 48kHz in den Wandler sondern mit 96kHz oder gar 192kHz und verschiebt so die Probleme in einen Bereich, der definitiv nicht mehr hörbar ist.

Raphael

P.S. Die Nyquist-Bedingung von 0.5*fs gilt übrigens nur für stationäre Sinussignale. Das trifft auf Musik oft nicht zu, da Musik viele Transienten enthält. Man kann mit einem Oszilloskop und einem Signalgenerator zeigen, daß bestimmte Signale schon ab 1kHz nicht mehr korrekt rekonstruiert werden durch den DA-Wandler. Selbst dann, wenn die Nyquistbedingung erfüllt ist.

[Violoncello]

Da bin ich nicht ganz einverstanden - um ein Signal einer bestimmten Frequenz digital erfassen zu können muss im Allgemeinen gelten:

Samplerate >> Nutzfrequenz

Deutlich wird dies an dem Bild in meinem Anhang, das ich in Audacity erstellt habe. Alle drei Tonspuren enthalten das gleiche 20kHz-Sinus-Signal, weisen aber eine unterschiedliche Samplerate auf - der Unterschied ist frappierend, erst das Signal bei 192kHz erinnert an einen Sinus. Besonders unerwünscht dürfte die deutliche Aufmodulation einer tieferen Frequenz sein, welche bei 44,1kHz entsteht.

Ich möchte keinesfalls behaupten dass ich persönlich in der Lage wäre, einen Unterschied zwischen Sampleraten zu hören, ich habs aber auch noch nie probiert. Den Klang eines Beckens wird eine Deformation wahrscheinlich weit weniger stören als ein reines Sinussignal, dazu kommt dass die Ohren in diesen Bereichen eh fast taub sind.

Ich möchte lediglich klarstellen, dass die 2,2-fache Abtastrate auf keinen Fall ausreicht um ein Signal perfekt zu übertragen, welche Konsequenzen das auch immer haben mag.

edit: das Bild:
edit2: Beitrag bezieht sich auf harry_m, ein anderer war schneller

[Chaomaniac]

Diese Punkt-zu-Punkt Darstellung von Audacity würde ich nicht gerade als Ausgangsbasis nehmen. Wäre die Wirklichkeit so, dann wäre das kein 20 kHz-Ton, sondern ein Klang, basierend auf der Dreiecksspannung mit all seinen Oberwellen.
DA-Wandler lesen sich aber nicht nur von punkt zu punkt durch, sondern legen noch eine Art Spline durch die Punkte hindurch, interpoliert also Zwischenwerte. Dann sieht das ganze schon besser aus...

[Violoncello]

Das ist schon richtig und effektiv wird das Signal nicht ganz so schlimm aussehen. Jedoch ist der Ton exakt so auf der Festplatte bzw. der CD abgespeichert. Und bei den Samples aus dem 44,1kHz-Beispiel wird sich der DA-Wandler sehr schwer tun, wieder ein ordentliches 20kHz-Signal zu gewinnen.

[harry_m]

Chaomaniac war schneller.

Eben! Wirft man einen Blick auf die Signal-DDarstellung von Audacity, fällt sofort auf, dass in diesem Fall nichts anderes gemacht wird, als die Messpunkte mit einer Linie miteinander zu verbinden. Das ist für den Zweck dieser Darstellung völlig ausreichend, hat aber mit dem, was in ein DA-Wandler mit angeschlossenen Tiefpass erzeugen nichts zu tun.

Abseits aller Theorien will ich folgendes nochmals herausstreichen:

Tatsache ist, dass der Unterschied zwischen der CD und den hochauflösenden Medien wie DVD-Audio und SACD minimal ist.

Ich war absolut erstaunt festzustellen, dass auch die 24Bit-Aufnahmen keinen signifikanten Vorteil brachten.

Es begann schon damals, als dts versucht hat zu erklären, die höhere Datenrate bei dts bringe bessere Ergebnisse, als Dolby Digital.

Es gab mehrere Versuche, den Unterschied zwischen Dolby Digital und DTS herauszuhören: und die scheiterten allesamt an der Tatsache, dass die unterschiedliche Abmischung im Tonstudio mehr Einfluss hatte, als das System selbst.

Genau so verhält sich es mit CD und SACD bzw. DVD-Audio: hat man im Tonstudio gut gearbeitet, ist die CD über jeden Zweifel erhaben. Hat man im Studio geschlampt, helfen keine 196kHz und keine 24Bit. Scheiben aus meinem Regal belegen das eindrucksvoll.

...bei den Samples aus dem 44,1kHz-Beispiel wird sich der DA-Wandler sehr schwer tun, wieder ein ordentliches 20kHz-Signal zu gewinnen.

Nein, wird er nicht. Wie ich bereits schrieb: im Tandem "DA-Wandler/Tiefpass" spielt sich etwas mehr ab, als nur die Punkte mit Linien zu verbinden, wie wir (und Audacity) es tun, wenn wir versuchen, diese Arbeit nachzuahmen.

Es gibt viele Physische Prozesse, die auf dieser Ebene nicht mehr nachvollzogen werden können. In solchen Situationen ist unsere Interpretation eher irreführend als hilfreich.

Das, was auf dem Bild mit 44kHz Abtastrate zu sehen ist, zeigt das 20kHz Signal, welches durch Oberwellen "verhunzt" ist. Passiert dieses Signal den obligatorischen Tiefpass, werden diese Oberwellen heraus gefiltert, und wir bekommen die 20kHz "Grundfrequenz" mit minimalsten Verzerrungen zu sehen.

Wenn wir jetzt daran denken, dass das 20kHz Signal an sich bestenfalls die 5. Harmonische eines Grundsignals ist, die mit einem Pegel von wenigen Prozent der Grundwelle im Gesamtspektrum auftaucht, müsste sich die "Problematik" doch sehr stark relativieren, nicht wahr?

[Violoncello]

Tatsache, ein in 192kHz aufgenommenes Loopack dieses Signals schaut astrein aus... Man lernt also nie aus, danke für die Berichtigung.

Also hat die Samplerate sogar noch weniger Einfluss als ich dachte.

[raphael]

Provokante Frage: Warum konzentriert ihr Euch eigentlich ausschließlich auf die Signalrekonstruktion nach dem DA-Wandler? Es ist ja nun nicht so, daß die Rechenstufen vor dem eigentlichen Wandler nicht Verzerrungen und Rauschen erzeugen würden. Die digitale Welt ist nicht so sauber, wie man denkt, ein hoher THD+N-Wert ist schnell erzeugt. Und es gibt keinen DA-Wandler, der nicht in der digitalen Domain noch einwenig rechnet (=>digitale Interpolationsfilter).

Noch ein Denkanstoß: Die maximale Zeitauflösung einer CD beträgt 22µs (je höher die Abtastrate umso besser die Auflösung), der Mensch hat aber bei Schallereignissen eine zeitliche Auflösung von 10µs.

Raphael

PS. Es kann helfen mal ein gutes Buch über digitale Signalverarbeitung zu lesen anstatt sich irgendwelches Halbwahrheiten ausm Internet zusammenzusuchen oder sich seine Hörwelt schön zu reden.

P.P.S. Versucht mal ein Signal, daß starke Transienten (wie es beim Anblasen einer Trompete oder beim Ansetzen des Bogens bei einem Streichinstrument entsteht) enthält, mit einer Bandbegrenzung bei 20kHz zu rekonstruieren. Ihr werdet staunen...

[harry_m]

...PS. Es kann helfen mal ein gutes Buch über digitale Signalverarbeitung zu lesen anstatt sich irgendwelches Halbwahrheiten ausm Internet zusammenzusuchen oder sich seine Hörwelt schön zu reden.

Ich habe 5 Semester Elektrotechnik, 6 Semester Höheren Mathematik und 5 Semester Physik hinter mir. Ist zwar eine Weile her, aber das wichtigste habe ich mitgenommen. Daher bin ich nicht darauf angewiesen, mir im Internet irgendwelche "Halbwahrheiten" zusammen zu suchen.

[raphael]

Und warum ignorierst Du dann bekannte Tatsachen?
Bis zum Ende des 4 Semester Grundstudium dachte ich auch noch, daß in der Digitalwelt alles ganz einfach ist. Ein echtes Verständnis dafür, daß es eben nicht mit so simplen Regeln wie 0.5*fs getan ist und vorallem warum das so ist kam erst im 8. Semester wenn im Hauptstudium die ersten selbstständigen wissenschaftlichen Arbeiten anstehen und später im Beruf, wenn man tagtäglich mit digitaler Signalverarbeitung im Audiobereich zu tun hat.

Das mit dem Buch habe ich eigentlich nicht gesagt, um Dir zu nahe zu treten oder Dich zu diskreditieren. Es war vieleher allgemein gemeint. Ich beobachte in der letzten Zeit, daß man in irgendwelchen Erkenntnissen verharrt, die vor 20 Jahren mal publiziert worden sind, aber die Augen vor neueren Entwicklungen/Forschungsergebnissen etc. verschlossen werden.

Und schließlich, wenn 48kHz ausreichend wären, warum wird dann der Aufwand getrieben, daß DA-Wandler intern hochtasten auf z.Bsp 384kHz? Das machen die Hersteler ischer nicht als Marketing-Gag, weil soetwas auch bei Chips gemacht wird, deren Zielapplikation nicht der "High-Ender" ist. Ganz so abwegig kann eine höhere Abtastrate also nicht sein.

Raphael

[fabi]

raphael, auf die Gefahr hin auch "abgewatscht" zu werden, aber was meinst du mit Transienten? Ich kenne das nur als High-Ender-Sprache. Als Transient Response wird hier in England der Einschwingvorgang bezeichnet. Du meinst also wohl die hochfrequente Oberwellen, die beim Anblasen erzeugt werden? Und warum reicht es nicht, das mit einer Bandbegrenzung von 20Hz..20kHz abzubilden? Gilt Fourier nicht?

Aus der Digitaldiskussion halte ich mich raus!