Analog-Digital-Wandlung und Alesis ADAT-Schnittstelle Rudolf-Diesel-Fachschule Markus Vogl 12. März 2009

Inhalte und Ablauf ● AD-Wandlung - Grundlagen der Funktion - Probleme bei Wandlung - Delta-Sigma-Wandler ● Die Alesis ADAT-Schnittstelle Inhalte und Ablauf

Was ist AD-Wandlung? ● Zerlegung eines Schallereignisses in tausende einzelne Werte ● Größe wird als Zahl dargestellt und gespeichert ● Qualität der Wiedergabe digitaler Audiosignale ist abhängig von der Anzahl der einzelnen Teile Grundlagen der Funktion

Ziel der Wandlung ● Umwandlung einer elektrischen Spannung in so viele Zahlenwerte, dass nach der Speicherung der zeitliche Verlauf der Kurvenform vollständig rekonstruierbar ist ● ein einzelner ermittelter Messwert wird Sample (=Probe) genannt Grundlagen der Funktion

Wichtigste Größen 1. Samplefrequenz ● Samplefrequenz, Abtastfrequenz oder Samplingrate drückt aus, wie viele Messwerte (Samples) pro Zeiteinheit (Sekunde) ermittelt werden ● 44.1 kHz = Abtastungen pro Sekunde ● 96 kHz = Abtastungen pro Sekunde Grundlagen der Funktion

Nyquist-Shannon-Abtasttheorem ● die Abtastfrequenz muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste gewünschte Tonfrequenz ● nur dann ist das Signal wieder vollständig herstellbar ● bei kHz Musiksignal Abtastung mit mindestens 44.1 kHz Grundlagen der Funktion

Wichtigste Größen 2. Auflösung (Resolution) ● Anzahl der Bits zur Darstellung des Eingangssignals ● maximale Anzahl von unterscheidbaren Pegeln ● Maß für die Genauigkeit eines Wandlers ● 16 Bit = mögliche Pegel ● 24 Bit = mögliche Pegel Inhalte und Ablauf

Beispiel t = Abtastung des Signals mit 44.1 kHz, also x in der Sekunde Wert =Auflösung mit der das Signal abgebildet wird (16 oder 24 Bit) Grundlagen der Funktion

Beispiel mit Drums Snaredrum mit Mikrofon abgenommen Mikrofon noch von Preamp verstärkt, geht dann in Wandler Grundlagen der Funktion

Das aufgenommene Signal in verschiedenen Zoomstufen

Probleme bei Wandlung 1. Jitter ● Jitter sind zeitliche Abweichungen eines Taktungssignals vom Idealwert ● im Idealfall der Wandlung ist das Signal in exakt gleichen Zeitabständen abgetastet. In der Realität ist dies schwierig zu erreichen ● Beeinträchtigung bei der Rekonstruktion des Ursprungssignals durch Jitter Probleme bei Wandlung

2. Quantisierungsfehler ● analoge Signale unterliegen dem Wertebereich der reellen Zahlen, die digitale Darstellung verwendet Dezimalbrüche mit endlicher Genauigkeit  bei der Umsetzung/Umwandlung muss gerundet werden Probleme bei Wandlung

Aliasing ● je kürzer die Zeit zur Konvertierung, desto höher muss die Umsetzgeschwindigkeit oder Abtastfrequenz sein ● zur späteren Signalrekonstruktion muss die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der maximal möglichen Eingangsfrequenz betragen (Nyquist-Shannon Frequenz) ● bei sehr hochfrequentem Signal ist diese Bedingung technisch nicht realisierbar ● es kommt zu Unterabtastung, die zunächst einmal keine korrekte Rekonstruktion mehr erlaubt Probleme bei Wandlung

Aliasing ● Verwendung von Tiefpass-Filtern (Anti-Aliasing- Filter) um hohe Frequenzen zu entfernen Probleme bei Wandlung

Delta-Sigma-Wandler ● A/D-Wandlungsprinzip, das nur ein einziges Bit kennt ● bei der Deltamodulation werden lediglich ● Änderungen im Signalpegel digital ● umgesetzt ● im einfachsten Fall steht die digitale "1" für eine steigende, die "0" für eine fallende Spannung ● bleibt die Spannung konstant, findet ein ständiger Wechsel zwischen "1" und "0" statt Delta-Sigma-Wandler

Eingangssignal: Musik Hz Hochfrequente Überabtastung/Oversamplin g faches Oversampling: Bei 44.1 kHz Samplingfrequenz würde das Signal mit kHz abgetastet werden (64 x 44.1kHz = kHz) kHz / Bitstream Delta-Sigma-Wandler

kHz Quantisierungsrauschen wird unterdrückt. Tiefpassfilter! z.B. 24 bit 44.1 kHz Dezimationsfilter: Jedes 64. Datenwort wird wieder aus der Pulsfolge genommen, also kHz / 64 = 44.1 kHz. Delta-Sigma-Wandler

Vorteile ● effektives Quantisierungsrauschen verteilt sich auf einen ● breiteren Frequenzbereich ● Rauschanteil sinkt  höherer Dynamikbereich ● Aliaseffekte nur noch nahe sehr hoher Abtastfrequenz möglich Delta-Sigma-Wandler

Alesis ADAT-Schnittstelle (Alesis Digital Audio Tape) Signal wird von Wandler per Adat Optical Interface in Rechner übertragen AD-Wandler P PCIe Karte für den PC Alesis Adat-Schnittstelle

ADAT Optical Interface ● 1993 von Alesis entwickelt ● Datenübertragung per Glasfaser ● 8 Kanäle gleichzeitig bei max. 48 kHz/24 bit Alesis Adat-Schnittstelle

Das Protokoll Ein Datenframe hat 256 Bit Daten seriell mit MHz (bei 44.1 KHz Samplefreq.) übertragen Alesis Adat-Schnittstelle

Quellen und Literatur ● PPV Medien ● RME Audio ● Google Bilder ● UNI Karlsruhe (E.Crocoll) ● freepatentsonline.com ● Quellen und Literatur