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

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

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

3 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

4 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

5 Wichtigste Größen 1. Samplefrequenz ● Samplefrequenz, Abtastfrequenz oder Samplingrate drückt aus, wie viele Messwerte (Samples) pro Zeiteinheit (Sekunde) ermittelt werden ● 44.1 kHz = 44100 Abtastungen pro Sekunde ● 96 kHz = 96000 Abtastungen pro Sekunde Grundlagen der Funktion

6 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 22.05 kHz Musiksignal Abtastung mit mindestens 44.1 kHz Grundlagen der Funktion

7 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 = 65536 mögliche Pegel ● 24 Bit = 16777216 mögliche Pegel Inhalte und Ablauf

8 Beispiel t = Abtastung des Signals mit 44.1 kHz, also 44100 x in der Sekunde Wert =Auflösung mit der das Signal abgebildet wird (16 oder 24 Bit) Grundlagen der Funktion

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

10 Das aufgenommene Signal in verschiedenen Zoomstufen

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14 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

15 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

16 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

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

18 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

19 Eingangssignal: Musik 20 - 20000 Hz Hochfrequente Überabtastung/Oversamplin g 101010111.. 64 faches Oversampling: Bei 44.1 kHz Samplingfrequenz würde das Signal mit 2822.4 kHz abgetastet werden (64 x 44.1kHz = 2822.4 kHz) 2822.4 kHz / Bitstream Delta-Sigma-Wandler

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21 2822.4 kHz Quantisierungsrauschen wird unterdrückt. Tiefpassfilter! z.B. 24 bit 44.1 kHz Dezimationsfilter: Jedes 64. Datenwort wird wieder aus der Pulsfolge genommen, also 2822.4 kHz / 64 = 44.1 kHz. Delta-Sigma-Wandler

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

23 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

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

25 Das Protokoll Ein Datenframe hat 256 Bit...... Daten seriell mit 5.645 MHz (bei 44.1 KHz Samplefreq.) übertragen Alesis Adat-Schnittstelle

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