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Elektronik > Signalquellen

Signalquellen: wie geht das?

Schall ist eine Luftdruckschwankung und kann eine Membran in Schwingungen versetzen - die Membran ist der wesentliche Bestandteil eines Mikrofons. Die Schwingungen der Membran könenn gespeichert werden. Entweder kann die Speicherung dadurch erfolgen, dass die mikrofonierte Schwingung mechanisch in ein Oberfläche gekratzt wird. Wird später mit einer Nadel dieser Kratzer abgetastet und die Schwingung an eine Membran zur Schallerzeugung weitergeleitet, kann das gespeicherte Tonsignal wieder gehört werden.

Die älteste erhaltene Tonaufnahme (natürlich analog) stammt aus dem Jahr 1860 und wirkt aus heutiger Sicht etwas unbeholfen: Édouard-Léon Scott de Martinville befestigte eine Schweineborste an einer Membran. Diese ließ er auf einer sich drehenden, rußgeschwärzten Walze vibrieren. Das Gerät diente zur Visualisierung von Schwingungen und hieß Phonautograph.




Abbildung 1: Schallplattenrillen könnten immer noch mit einer Schweineborste ausgelesen werden



Die Speicherung wurde im Laufe der Jahre zunehmend eleganter gelöst. Der Signaltransport zwischen Mikrophon und Speichermedium erfolgt bei den meisten modernen Geräten elektrisch. Während beim Plattenspieler die Informationen immer noch mechanisch in Form einer Rille gespeichert sind, werden bei Tonbändern die Informationen auf Magnetbändern gespeichert. Ein magnetischer Schreibkopf sorgt für eine Vormagnetisierung eines ferromagnetischen Bands, später kann das gespeicherte Signal mit einem hochsensiblen magnetischen Tastkopf wieder ausgelesen werden.

Eine direkte Speicherung des Signalverlaufs wird als analog bezeichnet - egal ob die Speicherung mechanisch (Rille auf einer Schallplatte) oder magnetisch (Kassette) ist.


Digitale Signalspeicherung

Die Grundlage der modernen Signaltechnik ist die bistabile Kippschaltung, Spitzname: FlipFlop. Diese elektronische Schaltung kann zwei unterschiedliche Zustände speichern. Ähnliche Speicher mit zwei Zuständen kann man mit magnetisiertem Eisen erreichen (Magnetisiert, nicht magnetisiert = Festplatte) oder optisch (reflektiert Licht, reflektiert nicht = CD)

Auf den ersten Blick scheint es etwas merkwürdig, dass man auf einem derart primitiven Speichermedium arbeiten möchte. Wenn man mit der deutschen Sprache seine Gedanken auf Papier "speichern" möchte, hat man immerhin 24 Buchstaben, Satzzeichen, Sonderzeichen und Groß/Kleinschreibung zur Verfügung.

Schon einenige Sätze in der deutschen Sprache mit dieser Limitierung zu speichern scheint unnötig kompliziert. Die Begeisterung für diese primitive Technik liegt recht einfach: Auf einem Chip in der Größe eines Fingernagels können Milliarden dieser Speicherelemente untergebracht werden - und es können Milliarden von Rechenoperationen mit Binärtechnik in einer Sekunde ausgeführt werden. Tendenz steigend.

Wie kann man mit solchen digitalen Speicherelementen komplexere Informationen speichern?

Beispiel: Wenn drei digitale Speicherelemente zur Verfügung stehen könnte man z.B. für einen Anwendungsfall die folgenden Definitionen willkürlich festlegen. Wer die Definition kennt, kann problemlos die enthaltenen Informationen in dem Wort "010" rekonstruieren. Durch die gigantischen Rechengeschwindigkeit moderner Computer kann er Milliarden von Werten speichern, unzählige Rechenoperationen in Sekunden auf diese Werte anwenden - oder sie dank des Internets quer um den Globus versenden.


Ein Nachteil der Digitaltechnik ist die Endlichkeit der Speichergenauitkeit. Mit den oben gezeigten 3 FlipFlops sind insgesamt nur 16 Zustände speicherbar. Wer ein elektrisches Musiksignal zwischen 1 und 16 Volt speichern möchte, hat zunächst ein Problem.

Angenommen das Musiksignal ist zu einem Zeitpunkt 5,71258 Volt. Wie soll dieses Signal gespeichert werden? Es stehen nur 5 oder 6 Volt zur Verfügung.

Die Quantisierungsfehler bei 7 bzw. 80 möglichen Zuständen sind nachfolgend dargestellt:





Wer ausreichende Mengen an Speicherlementen verwendet, kann Signalformen beliebig aber niemals unendlich genau speichern.

Das Signal kann übrigens nicht kontinuierlich (=immer) gespeichert werden da unendlich viele Speicher benötigt würden. Es liegt daher immer eine gewisse Zeit zwischen den den Abtastzeitpunkten. Diese Zeitschlitze können natürlich sehr klein ausfallen.

Bei der handelsüblichen Musik-CD werden mit

  • 16 Bit

  • 44000 Abtastwerden pro Sekunde


...abgetastet. Für professionelle Audioanwendungen gibt es auch deutlich höhere Werte (24Bit, 96000 Abtastungen/sec), falls man beim Abmischen z.B. extrem leise Musikphasen verstärken oder komplexe Filter anwenden möchte.

Wer nur Musik hört kann jedoch beruhigt sein: Die klassische MusikCD ist beim Auflösungsvermögen ganz klar überdimensioniert.


Vorteile von Digitaler Musik


Zwischen digital und analog gibt es qualitativ zwei fundamentale Unterschiede:

  • Wer sehr feine Signaländerungen analog speichern oder übertragen möchte hat diverse Probleme: z.B. das Grundrauschen von Transistoren, Störeinkopplung durch EMV oder die Masseträgheit eines Tonabnehmers bei einer Schallplatte.

  • Wer sehr feine Signaländerungen analog speichern oder übertragen möchte benötigt einfach mehr Speicher, jeder der Speicher arbeitet in einem Bereich in dem EMV oder Transistorrauschen keine Probleme darstellen. Durch die gigantischen Rechengeschwindigkeit bei der Informationsverarbeitung kann jederzeit eine effektive Fehlerkorrektur integriert werden.


Aus dem Grund sind analoge Übertragungen (z.B. Analogradio) immer verrauscht, digitale Übertragungen sind dagegen rauschfrei.

Interessant ist der Vergleich von Schallplatte (analog) und CD (digital):

Klirrfaktor:

Schallplatte: 1-10%
CD: 0,01%, oft besser

Frequenzgang
Schallplatte: Bei einigen Testplatten im Aussenrillenbereich 20kHz, üblicherweise ist aber schon bei unter 13kHz Schluss - und das auch nur stark abgeschwächt. Vollpegel gibt oft erst ab 1kHz.
CD: Bis 20kHz ohne Einschränkung

Dynamik
Schallplatte: 40dB ist möglich, bei mehr kann die Nadel aus der Rille springen.
CD: 90dB

Fehlerkorrektur bei Beschädigung oder Verschmutzung des Datenträgers
 Schallplatte: Nein
 CD: Ja


Es ist auf den ersten Blick verblüffend, dass man mir Schallplatten überhaupt Musik genießen kann. Aber immerhin ist der Schallplattenspieler nur selten die Schwachstelle einer Anlage - immerhin ist die Signalqualität des Lautsprechers unter Einfluss einer üblichen Wohnraumakustik noch deutlich schlechter.

Dennoch: Wer sich für das Ritual und die Haptik eines Plattenspielers nicht begeistern kann, sollte um Schallplattenspieler einen Bogen machen. CDs und MP3s sind aus signaltechnischer Sicht deutlich besser.


Wenn Vinyl zu alltäglich ist: Masteringbänder


Auf einer Messe konnte ich einen neuen Trend bestaunen. Das Hören mit den Orginal-Masterbändern für Privatleute. Ein Hersteller schwärmte davon, dass die analogen Orginaltapes von unbekannten Konzerten nur wenige hundert Euro kosten würden. Mit diesen Bändern zu Hören sei eine ganz andere Welt! Für jeden echten High-Ender ein Pflichtkauf!




Abbildung 2: Bandgeräte für Privathörer als neuer Trend im High-End



Digital und analog sind mehr als nur technische Begriffe, längst sind die Worte zu Schlachtrufen im Marketing geworden. Moderne Technikfreaks versucht der Verkäufer gezielt mit digitalen Lautsprechern zu ködern, klassische Hifi-Freaks lockt man dagegen besser mit CD-Playern die besonders analog klingen.


Analog ist das neue Bio

Viele Menschen lese die Uhrzeit lieber auf einer mechanischen Uhr als auf meinem Handy ab. Obwohl man einige mechanische Uhren sogar regelmäßig per Hand aufziehen muss und die Genauigkeit sehr viel schlechter ist als bei einer Funkuhr aus dem nächsten Kaufhaus.

Trotzdem macht das Ablesen auf einer mechanischen Uhr mehr Spaß. Auch wenn man die Uhr einfach nur trägt, und die Zeit auf dem Handy abliest.

Bei Hifi gibt es für das gleiche Phänomen. Auf einem modernen PC oder einem Tablet kann mit drei Mausklicks in seiner Musikbibliothek das richtige Lied finden. Da das Wechseln des Tracks so einfach ist, schaltet man schon nach wenigen Sekunden zum nächsten Lied um, weil der "Kick" ausbleibt. Bei einer Schallplatte ist das Auflegen dagegen das reinste Ritual.

Eine Schallplatte hört man fast immer zu Ende. Man zwingt sich dazu, sich auf die Musik einzulassen - und entdeckt seine Alben neu.


Der Abstand zwischen digitaler Musik und Vinyl wird immer größer. Waren früher noch Vollautomaten üblich, muss man heute bei fast allen Geräten manuell die Nadel auflegen. Bei digitalen Medien geht der Weg in die andere Richtung - 24 Bit Audio und kinderleichte Bedienung des Hifi-Systems über das Tablet sind nur zwei Entwicklungen für das digitale "Fast Food'".


Schallplattenspieler erleben derzeit ein Comeback. High-End Plattenspieler ín der Preisklasse von Sportwagen als Statussymbol, Klassiker vom Flohmarkt für den Nostalgiker, preiswerte Geräte in den Elektronikgroßmärkten, Designgeräte für den den Hipster. Der Markt boomt - und solange die Musik Spaß macht ist das auch gut so.

 
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