Im modernen Homestudio ist Digitaltechnik, und vor allem digitale Signalverarbeitung, fast überall zu finden. Zwei der Grundprinzipien mit denen du als Musikproduzent in Berührung kommst, sind die Analog-Digital-Wandlung (AD-Wandlung) und als Gegenstück die Digital-Analog-Wandlung (DA-Wandlung). In diesem Beitrag werden wir die Funktionsweise dieser beiden Prinzipien genauer betrachten.

Um neue und kreative Verwendungsmöglichkeiten für dein Equipment zu finden, musst du zuerst die grundlegenden Funktionsprinzipien verstanden haben. Bei der Digitaltechnik kann die Sache aber recht schnell komplex werden, wobei ein großes mathematisches oder physikalisches Verständnis meist gar nicht nötig ist. Es reicht oft schon eine einfache Erklärung, um eine Vorstellung davon zu bekommen, was in deinen Geräten oder Plugins passiert, wie du diese kreativ einsetzen kannst und unter welchen Bedingungen du sie besser nicht betreiben solltest.

1. Kurzübersicht


Wie die Begriffe schon vermuten lassen, werden bei der Analog-Digital- und der Digital-Analog-Wandlung Signale zwischen dem analogen- und dem digitalen Zustand hin und her gewandelt. Dabei wird versucht diese Wandlung so verlustfrei wie möglich zu gestalten. Das würde im Falle eines Signals, das analog-digital- und gleich darauf wieder digital-analog-gewandelt wird, bedeuten, dass zwischen Ein- und Ausgangssignal so wenig Information wie möglich verloren geht. Im Folgenden werden diese beiden Prinzipien kurz anhand eines einfachen Homerecording-Setups erklärt.

1.1 Analog-Digital-Wandlung (AD)


Nach dem Mikrofonvorverstärker oder Instrumenteneingang ist dein Audio-Interface für die Analog-Digital-Wandlung des ankommenden Signals verantwortlich. Dabei wird das Signal abgetastet und in sogenannte Samples unterteilt. Wie oft das Signal abgetastet wird gibt die Abtastrate in Hertz (Hz) an. Anhand dieser weiß dein PC wieviele Stellen des Signals (Samples) er sich merken muss, um es später ohne hörbaren Verlust reproduzieren zu können. Typische Abtastraten sind z.B. 44,1; 48; 88,2 und 96 kHz, wobei mit steigender Abtastrate auch die Anforderungen an deinen Rechner steigen. Die Amplitude, also die Lautstärke deines Signals, wird pro Abtastpunkt als Digitalwert (binär) gespeichert. In den meisten Audio-Interfaces sind Analog-Digital-Wandler verbaut, die fast allen Anforderungen genügen sollten und bei einer Signalkette, die aus Musiker, Instrument, Mikrofon, Mikrofonvorverstärker und Analog-Digital-Wandler besteht, hat letzterer sicher den geringsten Einfluss auf die Signalqualität.

1.2 Digital-Analog-Wandlung (DA)


Bevor das Signal über die Ausgänge an deine Studiomonitore oder Kopfhörer geschickt wird, muss es digital-analog-gewandelt werden. Das Prinzip ist umgekehrt zum Analog-Digital-Wandler. Es wird also aus den zuvor gespeicherten Abtastpunkten wieder ein durchgehendes, analoges Signal, erzeugt. Dabei müssen die bei einem Digitalsignal üblichen Stufen noch geglättet werden, was durch Anti-Aliasing-Filter erreicht wird. Es gibt bei Digital-Analog-Wandlern natürlich preislich nach oben hin keine Grenze, wobei du dir hier Anfangs keine Sorgen über den in deinem Audio-Interface verbauten Digital-Analog-Wandler machen musst.

2. Ablauf einer AD/DA-Wandlung


Der Ablauf einer Analog-Digital-Wandlung, und nachfolgend einer Digital-Analog-Wandlung, kann in mehrere logische Schritte unterteilt werden. In diesem Zusammenhang kannst du dir auch die Begriffe AbtastrateDynamikumfang und Bit-Tiefe etwas näher ansehen. Wir gehen hier davon aus, dass ein Signal über einen Mikrofonvorverstärker oder einen Line-Eingang ankommt und anschließend analog-digital- und wieder digital-analog-gewandelt wird.

2.1 Analogsignal (zeit- und wertkontinuierlich)


Das Analogsignal ist in unserem Fall jene Spannung, die nach dem Mikrofonvorverstärker oder dem Line-Eingang am Digitalwandler ankommt. Es ist ein sogenanntes zeit- und wertkontinuierliches Signal. Das heißt, es weist einen stufenlosen und beliebig feinen Verlauf auf und kann im Dynamikbereich theoretisch unendlich viele Werte annehmen. Bei realen physikalischen Größen ist die Auflösung allerdings durch Störungen wie Rauschen oder Verzerrungen begrenzt. Einmal hinzugefügte Störungen können in einem Analogsignal auch nicht mehr rückgängig gemacht werden.

2.2 Die Abtastung (zeitdiskret und wertkontinuierlich)


Das Analogsignal ist in unserem Fall jene Spannung, die nach dem Mikrofonvorverstärker oder dem Line-Eingang am Digitalwandler ankommt. Es ist ein sogenanntes zeit- und wertkontinuierliches Signal. Das heißt, es weist einen stufenlosen und beliebig feinen Verlauf auf und kann im Dynamikbereich theoretisch unendlich viele Werte annehmen. Bei realen physikalischen Größen ist die Auflösung allerdings durch Störungen wie Rauschen oder Verzerrungen begrenzt. Einmal hinzugefügte Störungen können in einem Analogsignal auch nicht mehr rückgängig gemacht werden.

2.3 Digitalisierung (zeit- und wertdiskret)


Bei der Digitalisierung werden aus den 48.000 analogen Werten, die pro Sekunde abgetastet werden, 48.000 digitale. Das Signal wird also von einem wertkontinuierlichen in ein wertdiskretes umgewandelt. Das heißt, dass wie vorhin bei der Abtastrate, aus unendlich vielen möglichen Werten eine begrenzte Anzahl gemacht wird. Diese begrenzte Anzahl an Werten wird von der Bit-Tiefe repräsentiert und sie werden üblicherweise als Binärzahlen kodiert. Die heutzutage übliche Bit-Tiefe beim Aufnehmen beträgt 24 Bit. Damit können über zwei Millionen Werte pro Abtastpunkt abgebildet werden, was einem Dynamikumfang von 144 dB entspricht und weit über dem von analogem Equipment liegt. Zum Vergleich können bei 16 Bit nur 65.536 Werte abgebildet werden – das entspricht einem Dynamikumfang von 96 dB. Bei einem Digitalsignal können auch Störungen im Signal kompensiert werden, solange diese unter bestimmten Grenzwerten bleiben.

2.4 Das Digitalsignal


Das Digitalsignal ist immer ein Kompromiss aus einer möglichst hohen Auflösung, möglichst geringem Speicherplatzbedarf und möglichst niedrigem Rechenleistungsaufwand. Dabei wird versucht das Analogsignal so gut es geht abzubilden, wobei Quantisierungsfehler auftreten können, die gewisse Anteile des Signals nicht richtig abbilden. Das kann bei der Rückwandlung von digital nach analog zu einem verfälschten Ergebnis führen. Wenn z.B. ein Spannungswert an einem Abtastpunkt genau zwischen zwei möglichen Bit-Werten liegt, muss dieser auf- oder abgerundet werden und kann somit zu einem leicht veränderten Endergebnis führen. Das hat bei einer Auflösung von 16 Bit größere Auswirkungen als bei 24 Bit, weshalb eine höhere Bit-Tiefe eigentlich immer von Vorteil ist – und der erhöhte Speicherplatzbedarf ist heutzutage schon vernachlässigbar.

2.5 Digital zu Analog


Bei der Rückwandlung des digitalen in ein analoges Signal werden die gespeicherten Werte wieder in Spannungen umgewandelt – in unserem Fall wieder 48.000 mal pro Sekunde. Dabei wird der jeweilige Spannungswert bei jedem Abtastpunkt so lange gehalten, bis der nächste Wert ausgelesen wird. Es entsteht ein treppenförmiges, zeitkontinuierliches aber noch wertdiskretes Signal, das jedoch in diesem Zustand vielfältige höherfrequente Signalverläufe zulassen würde. Um dies zu verhindern, werden die höheren Frequenzanteile, und damit weitere mögliche Signalverläufe, durch Anti-Aliasing-Filter auf analoger Seite entfernt. Weitere mögliche lineare Verzerrungen werden durch zusätzliche Filter auf digitaler Seite kompensiert.

2.6 Reproduziertes Signal


Wenn die Digital-Analog-Wandlung erfolgreich war, sollte das reproduzierte Analogsignal den Verlauf des zuvor abgespeicherten Signals wiederspiegeln. Es sollten dabei keine Unterschiede zwischen dem analogen Anfangssignal und dem gewandeltem Endergebnis hörbar sein. Das ist aber nur möglich, wenn bei der Abtastung die Regeln des Nyquist-Shannon-Abtasttheorem befolgt und die Bit-Tiefe hoch genug gewählt wurde.

Fazit


Die Qualität der Wandlung von analog zu digital und von digital zu analog ist ein vieldiskutiertes Thema im professionellen Audio- und Hi-Fi-Bereich. Obwohl es unwiderlegbare Qualitätsunterschiede zwischen Digitalwandlern gibt, solltest du dir darüber nicht zu sehr den Kopf zerbrechen. Wie schon erwähnt, haben Analog-Digital- bzw. die Digital-Analog-Wandler aus all den Komponenten, die zu einem guten Klang beitragen, sicher den geringsten Einfluss auf eben diesen. Fürs Erste sind also die Wandler in deinem Audio-Interface mehr als ausreichend. Wenn du aber doch einmal mehr Kanäle benötigst, hilft dir das hier erlangte Wissen hoffentlich bei der Auswahl des richtigen Wandlers und falls du dich noch näher mit dem Thema beschäftigen möchtest, lies dir am Besten den Thomann Ratgeber über Digitalwandler durch.

Wenn du mehr Fragen zum Thema Recording hast, kannst du gerne in meinen Homerecording Beiträgen nach Antworten stöbern oder mein gratis E-Book „5 Tipps für einen erfolgreichen Start ins Homerecording“ herunterladen.

Beitragsbild: Chris Hörmann
Quellen: Wikipedia (2017)