Kompromisslos musikalisch – zum Selbstbau		 Was ist

Oversampling und Upsampling ?

Eindeutschung: Englische und technische Begriffe sind für "durchschnittliche" Köpfe nicht immer leicht verständlich, versuchen wir eine Übersetzung:

Wahrscheinlich wissen viele nun immer noch nicht mehr. Deshalb eine kurze Einführung in die Besonderheiten der digitalen Signal-Verarbeitung:

Was heißt digital? Digital kann nur die Höhe der Spannungswerte einer Hüllkurve (z.B. Musik) zu einem bestimmten Zeitpunkt beschreiben, dazu müssen vom analogen Signal "Proben" genommen werden. Die "Häufigkeit" der Probennahme wird durch die >Abtastrate< beschrieben. Eine Schwingung (~) besteht, maximal vereinfacht, aus einem positiven und einem negativem Teil; um sie digital beschreiben zu können, müssen wenigstens 2 "Proben" genommen werden.

Die Abtastrate: Um Audio-Frequenzen bis 20kHz digital darstellen zu können, muss die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein. Die 44,1kHz der heutigen CD liegen nur ganz knapp über dem geforderten Wert, was problematisch ist, weil bei der Analog/Digital-Wandlung und der Digital/Analog-Wandlung reichlich höherfrequente Störungen entstehen, die natürlich ausgefiltert werden müssen. Die ersten Störungen treten bereits bei 24,1kHz (44,1 - 20kHz) auf.

Analoge Filter: Ein Tiefpass-Filter muss einerseits die 20kHz Audio-Frequenz noch unbeschadet durchlassen, ab 24,1kHz aber maximal sperren. Mit analogen Filtern 9. -11. Ordnung ist das machbar, allerdings werden an die Toleranzen der Bauteile und deren Langzeit-Stabilität extreme Anforderungen gestellt. Werden statt der passiven LC-Filter aktive RC-Filter gewählt, müssen die verwendeten OP-Amps extremen Anforderungen bezüglich Grenzfrequenz und Phasen-Linearität genügen. Beides ist mithin nicht praxisgerecht. Ausweg bietet die digitale Filterung mittels Oversampling.

Digitale Filter: Die Taktfrequenz vor dem digitalen Filter wird z.B. um den Faktor 8 (=8-fach Oversampling) erhöht. Die nicht zur Musik gehörenden Störungen werden natürlich ebenfalls um den Faktor 8 erhöht, und sind dadurch jetzt um diesen Faktor mehr vom Nutzsignal "entfernt", und lassen sich so relativ leicht ausfiltern, jetzt reicht in der analogen Ausgangs-Stufe ein einfacher Tiefpass z.B. 2. Ordnung aus. Die oben beschriebenen Probleme der analogen Filter haben die digitalen Filter nicht, da die Filterparameter als numerische Konstanten festgelegt sind, die rein digital in einen ROM-Speicher geschrieben wurden.

Bild 1: Breitband-Übertragungsverhalten des digitalen Filters des BurrBrown PCM1728:

Links in der Tabelle ist die Dämpfung in dB angegeben, die entsprechenden Frequenzen sind als Vielfache der Sampling-Frequenz fs angegeben. Für 0,5fs, also die maximal mögliche obere Grenzfrequenz, beträgt die Dämpfung bereits 80dB. 0,5fs entspricht bei 44,1kHz Abtastrate 22kHz Audio-Frequenz.

Die Einheit dB (=Dezibel): Die Maßeinheit dB ist eine logarithmische Verhältniszahl und bezeichnet den Pegelunterschied zwischen dem leisestem, gerade noch hörbaren Ton und dem lautesten Ton. Übersetzt bedeuten -20dB eine Dämpfung auf ein Zehntel des ursprünglichen Pegels, -40dB eine Dämpfung auf ein Hunderstel, -60dB auf ein Tausendstel usw.

Bild 2: Welligkeiten des digitalen Filters im Übertragungsbereich beim BurrBrown PCM1728.

Einheiten des Meßschriebs wie oben, allerdings ist der Audio-Übertragungs-Bereich extrem gespreizt. 0,46 fs entspricht bei 44,1kHz Abtastrate 20kHz, man beachte, dass die Abweichungen von der Ideal-Linie weniger als 0,002dB betragen !!

Oversampling: Weil aufgrund der Bandbegrenzung kein digitales Wiedergabe-Medium störungsfrei die Daten in analoge Schwingungen zurückwandeln kann, wird Oversampling praktisch grundsätzlich eingesetzt, unterschiedlich ist nur die Oversampling-Rate. Die HiFiWERKSTATT setzt generell auf 8-faches Oversampling, egal mit welcher Abtastrate das digitale Signal angeliefert wird. Denn schließlich sollen unsere DA-Wandler nur das hörbar machen, was tatsächlich auf der CD gespeichert wurde, und nicht auch noch die Artefakte, die durch die Digital-Analog-Wandlung zwangsweise entstehen !! Das Oversampling gilt jedoch nur für das digitale Filter, nicht für den eigentlichen DA-Wandler.

Upsampling: Jetzt braucht es nicht mehr viel zur Erklärung. Das Upsampling findet vor dem digitalen Filter statt, das 8-fache Oversampling wird anschließend genauso wie ohne Upsampling ausgeführt, nur ist die Taktrate des Signals bereits 96 oder 192 kHz. Deshalb arbeiten die DA-Wandler auf den Platinen der HiFiWERKSTATT z.B. mit 768-facher oder sogar 1536-facher Datenrate !!, unabhängig von der Taktrate der "Quelle". Außerdem werden die digitalen Daten grundsätzlich auf 24Bit hochgerechnet, so dass besonders leise Informationen, die nur mit vielleicht 1-2Bit codiert sind, nach der Hochrechnung mit 4-6 oder mehr Bit codiert sind! Eine genauere Rückwandlung der Daten wird so stark vereinfacht, und die ohnehin schon geringen Störkomponenten im Audiosignal werden nochmals deutlich geringer. Außerdem lässt sich durch das asynchrone Upsampeln (von 44,1kHz auf z.B. 96kHz, und nicht auf 88,2kHz) der Jitter des Ursprungs-Signals deutlich verrringern. Trotzdem lohnt sich nach wie vor die Investion in ein gutes CD-Laufwerk, denn "was da nicht geliefert" wird, kann auch der beste DAC nicht wandeln !!

Bild 3: Störspektrum des PCM1728 bei 16Bit/44,1kHz:

Links ist die Höhe des Störpegels angegeben, die zusätzlich entsteht bei der Digital/Analog-Wandlung eines 1kHz-Tones, der lange, dünne Strich im Spektrum bei 1 (=1kHz). Die Beschriftung der unteren Achse ist etwas verwirrend, links beginnt es mit 20Hz und endet rechts bei 20kHz.

Bild 4: Störspektrum des PCM1728 bei 24Bit/44,1kHz:

Gleiche Meßbedingungen und Beschriftung wie oben, jetzt wurde der 1kHz-Ton jedoch mit 24Bit codiert. Man sieht, dass die "Geistertöne" wesentlich weniger geworden sind und fast nur noch als "Rauschen" in Erscheinung treten. Wollte man einen Pegel von -130dB prägnant mit Worten beschreiben, könnte man sagen, dass das etwa dem "Lärm" einer fallenden Feder gleichkommt !! Bei 24Bit/96kHz werden die Störungen nochmals geringer.

Quelle: Alle Messungen wurden dem BurrBrown Datenblatt zum PCM 1728 entnommen.

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