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Signalverarbeitende Komponenten

Digitale Signalverarbeitung (DSP)

Die Verarbeitungsmöglichkeiten von analogen Systemen findet man auch auf der digitalen Ebene. Die Möglichkeiten gehen sogar noch über die der Analogtechnik hinaus und bieten viele Vorteile, aber auch Nachteile.


Der digitale Verarbeitungsprozess von Audiomaterial ist ein Prozess, bei welchem diskrete Signale, also Sequenzen von Daten, deren Reihenfolge und zeitliche Zuordnung eine entscheidende Rolle spielt, verarbeitet werden.

Generell sind folgende Operationen möglich:

  • Routing und Verteilungen von Signalen

  • Summierung und Multiplikationen

  • Pegelveränderungen und Verzögerungen

  • Konventionelle Klangveränderungen (Filter, EQ, Dynamikbearbeitung, …)

  • Effekte (Delay, Phaser, Flanger, Hall…)

  • Signalbearbeitungen, welche auf analoger Ebene nicht, oder nur schwer realisierbar wären (s. weiter unten, Vorteile von DSP)

 

Vorteile der DSP Verarbeitung sind insbesondere:

  • Benutzung von Systemen mit höherer Fehlertoleranz

  • von vornherein bestimmbare Genauigkeit

  • identisch reproduzierbare Schaltungen

  • theoretisch unendlich hohe Anzahl an Bearbeitungsschritten pro Sample

  • verminderte Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen (z.B.: Rauschen, Temperatur, Alterung)

  • veränderbare Funktionalität auf gleicher Hardware

  • Digitalschaltungen sind kostengünstig, klein, sehr zuverlässig und für komplexe Bearbeitung geeignet

  • einige Prozesse sind nicht oder nur sehr schwer auf analoger Ebene realisierbar

    • Brickwallfilter

    • Limiter mit Brickwallcharakteristik

    • Speicherfähigkeit ohne Beeinträchtigung des Inhaltes für sehr lange Zeiträume

    • Verlustlose Kopiermöglichkeit

    • Fehlerkorrektur

    • Adaptive Systeme

    • Datenreduktion und –kompression

    • Signaltransformationen (DFT, FFT)

 

Nachteilig sind in DSP-Systemen jedoch:

  • Technologie ist immer von einer Energieversorgung abhängig - es gibt keine passive DSP-Schaltung

  • DSP ist im Moment noch nicht auf hochfrequente Signale anwendbar

  • digitale Signalverarbeitung erfordert eine wesentlich höhere Bandbreite der Übertragungskanäle, verglichen mit der Signalbandbreite

  • hohe Entwicklungskosten

  • sehr schnelle Baugruppen für die Berechnung werden benötigt

  • für die Verwendung der Signale im Analogbereich muss immer eine vollständige Wandlung (AD & DA) vollzogen werden

  • Verarbeitung sehr energiearmer als auch sehr energiereicher Signale erfordert immer eine dem Signal entsprechende Verstärkung

Dem digitalen Signalprozess liegt der Prozess der Faltung zugrunde.

Für die Verarbeitung müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein:

 

Diskretisierung der Signale:

 

Diskrete Systeme verarbeiten die diskreten Eingangswerte x(n) zu den diskreten Ausgangswerten y(n).

 

y(n) = h(n) * x(n)

 

Das Symbol „*“ bezeichnet die Operation der Faltung im Zeitbereich. Ihr ist die Multiplikation der Spektren im Frequenzbereich äquivalent.

 

 

Abbildung II-36, Faltungsprozess


Hierbei bedeutet h(n) die Systemantwort auf die Anregung mit einem Impuls (Delta-Funktion), kurz Impulsantwort genannt (engl.: impulse response). Die Impulsantwort beschreibt die Systemreaktion in der Zeitebene. Dieses Signal kann auch für die Darstellung der Systemreaktion in der Frequenzebene (Frequenzspektrum) verwendet und durch Transformation gewonnen werden. Bei einem Filter ist es beispielsweise dessen Spektrum (Frequenzebene) oder das Ausschwingen des Filters nach Anregung mit einem Impuls (Zeitebene).

 

LTD Systeme:

                               zeitlich invariante Systeme

y(n - k) = x(n - k) * h(n)

lineare Systeme

k · y(n) = k · x(n) * h(n)

geltendes Superpositionsprinzip

y1 (n) + y2 (n) = x1 (n) * h(n) + x2 (n) * h(n) = ( x1 (n) + x2 (n)) * h(n)

Kausalität:

Systeme sind kausal, wenn das mit dem beliebigen Eingangssignal korrespondierende Ausgangssignal zu jedem Zeitpunkt unabhängig von den Werten des Eingangssignals nach diesem Zeitpunkt ist. Der Ausgang ist also unabhängig von zukünftigen Eingangswerten.

Kausale Systeme erzeugen keine Reaktion (Wirkung), bevor nicht das Eingangssignal (als Ursache) angelegen hat.

An dieser Stelle schließt sich das mächtige Gebiet der digitalen Signalverarbeitung an, deren Darlegung den Rahmen dieser Themenwelt bei Weitem sprengen würde. Deshalb sei hier auf einschlägige Fachliteratur und Quellen im Internet verwiesen.

 

Standard-Effekte

Effektsignale werden i.d.R. dem Original hinzugemischt. Darum bietet sich eine Ansteuerung dieser über die Ausspielwege (Auxiliary-Outputs) und ein Hinzumischen ihrer Ausgangssignale über separate Kanalzüge an.

Hier sollen kurz die gebräuchlichsten klassischen Effektarten erläutert werden.
 

  • Modulationseffekte (Delay, Chorus, Flanger, Phaser)
  • Delay
  • Chorus
  • Flanger/ Phaser
  • Hall & Reverb

 

Modulationseffekte (Delay, Chorus, Flanger, Phaser)

Die Modulationseffekte basieren im Allgemeinen auf der zeitlich verzögerten Ausgabe des Originalsignals und der Überlagerung beider. Unter Umständen werden auch mehrere verzögerte Signale gebildet. Die Verzögerung kann entweder konstant sein oder periodisch modulieren und meist im Bereich von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden liegen. Sie wird für die erste Verzögerung angegeben bzw. eingestellt. Über ein Feedbackpotentiometer kann der Pegel bestimmt werden, mit welchem das Ausgangssignal wieder auf den Eingang des Delays zurückgekoppelt wird. Dadurch entstehen mehrfache Wiederholungen des Signals. Zusätzlich kann im Falle der Stereoausgabe bestimmt werden, über welche Kanäle die Verzögerung(en) ausgegeben werden. Auch die Kanalzuordnung kann zeitlich modulieren.

Nach den Zeiten als auch nach dem Kanalrouting richtet sich die Einteilung dieser Effekte.
 

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Delay

Der ursprüngliche klassische Delayeffekt ist das Tape-Delay. Dieser sehr eindrucksvolle Effekt beruht auf dem Prinzip der Aufnahme des Originalsignals auf Bandschleifen, deren Geschwindigkeit als auch Pegel bestimmbar ist.


Da es sich um ein analoges Verfahren handelt, bietet es normalerweise nicht die Möglichkeit der taktgenauen Synchronisation zur Geschwindigkeit des Musikmaterials. Hier muss von Hand die Synchronität, wenn sie denn beabsichtigt ist, über eine kontinuierliche Geschwindigkeitssteuerung eingestellt werden. Früher oder später läuft das Delay aber meist nicht mehr zur Geschwindigkeit des Materials synchron.


Bandechos haben unter anderem die Eigenschaft zu verschleißen, so dass das Band nach längerem Gebrauch ausgewechselt werden muss. Das Rauschen des Bandes sowie die Sättigung des Signals bei Übersteuerung sind sehr eindrucksvolle Nebenerscheinungen, welche in modernen Digitaldelays manchmal simuliert werden. Mit fortschreitender Anzahl an Durchläufen wird aufgrund der analogen Ausführung und der Eigenschaften des Bandes die Signalqualität immer schlechter und das Signal beginnt immer mehr zu verzerren als auch sich im Rauschen einzubetten. Ein sehr schöner Effekt!


Am Bandecho sind meist ein Aufnahmekopf und mehrere Wiedergabeköpfe vorhanden, wobei der Pegel des über letztere ausgegebenen Signals mitunter unabhängig voneinander bestimmt werden kann. Die Länge der verwendeten Bandschleife sowie deren Transportgeschwindigkeit bestimmen die Länge der Verzögerung. Sie liegt meist im Bereich von einigen Zehntelsekunden bis zu einigen Sekunden. Der Abstand der einzelnen Wiedergabeköpfe voneinander macht eine kürzere Verzögerung möglich als das Band für einen vollständigen Umlauf braucht. Der Klassiker schlechthin sind das Roland-Spaceecho RE 101, 201, 301, 501 oder auch die Dynacord Echolette.


Analoge Delays lassen sich auch mit sogenannten Eimerketten (Bucket Brigade Devices) realisieren. Hier wird die analoge Eingangsspannung relativ hochfrequent auf aufeinanderfolgende Kapazitäten geschaltet, welche als analoge Ladungsspeicher dienen. Die zugrundeliegenden Taktfrequenzen liegen im Bereich von einigen bis maximal einigen hundert kHz. Eine Eimerkette besteht aus mehreren hundert bis tausend Sample&Hold Stufen, sodass nicht allzu lange Delayzeiten einstellbar sind. Auch diese Delays sind von Verlusten im Feedbackweg und durch nicht unerhebliches Rauschen gekennzeichnet. Außerdem ist es auch hier, in Anlehnung an die zeitliche Diskretisierung der Analog-Digital-Wandlung, erforderlich, die Bandbreite des Audiosignals zur Vermeidung von Aliasing mittels Tiefpass zu begrenzen. Dies wirkt sich speziell bei langen Verzögerungszeiten aus, da hier die Taktung des Eimerkettendelays entsprechend langsam wird. Theoretisch müsste man mit der Verzögerungszeit auch die Grenzfrequenz des Filters verändern, was aber in den meisten Geräten nicht realisiert ist. Außerdem wird das Signal dann für hohe Delayzeiten immer dumpfer. Mit starrem Filter hört man zunehmend den Aliasing Effekt, je länger die Delayzeit wird, speziell wenn das Filter nicht so steil abschneidet (kann auch mal ganz interessant sein). Diesem Problem ist nur mit einer Erhöhung der Anzahl der Eimerkettenstufen beizukommen, was aber wiederum das Rauschen erhöht. Dieses Effektgerät ist also eher für kurze Delays geeignet. Er leistet hier aber einen sehr guten Dienst und klingt eben auch noch sehr analog.


Digitale Delays sind häufig wesentlich flexibler, was die Anpassung und Einbindung in eigene Stücke betrifft, jedoch längst nicht so stark durch die schönen analogen Nebeneffekte gekennzeichnet. Typische Vertreter für 19“ Geräte sind das TC 2290 von TC electronics oder auch das Roland SDE 330, 1000, 2000 oder 3000.


Sie unterliegen keinem Verschleiß, haben recht lineare Übertragungseigenschaften, außerdem kann man die Effektprogramme abspeichern und sie sind meist synchronisierbar. Synchronisation lässt sich über die MIDI Schnittstelle bei Auswertung des MIDI Clock Taktes einstellen. So kann man in diesen Fällen auch genaue rhythmische Werte für die Verzögerungszeiten festlegen. In diesem Falle werden nur noch Viertel, Achtel oder andere Notenwerte eingegeben. Sind die eingebauten Speicher groß, lassen sich recht lange Delayzeiten einstellen. Es sind auch wesentlich kürzere Delayzeiten wählbar als bei den reinen analogen Bandechos. Die Speicher funktionieren nach dem Ringspeicherprinzip. Ein Zeiger bestimmt die Schreibposition, der andere die Leseposition. Der Lesezeiger läuft dem Schreibzeiger um eine bestimmte Zeit hinterher, welche sich nach dem Schreib-/Lesetakt des RAMs als auch der Anzahl Speicherzellen richtet. Danach bestimmt sich die Delayzeit. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Lesevorgänge innerhalb des Ringspeichers zu definieren.


Über das Feedback bestimmt man auch hier die Anzahl an Wiederholungen. Wird ein direktes digitales Feedback erzeugt, verschlechtert sich die Signalqualität auch nach hunderten von Durchläufen nicht (digitaler Kopiervorgang). Möchte man diesen Effekt trotzdem haben, sollte man sich ein digitales Delay mit entsprechender Simulation anschaffen (in Plug-Ins mittlerweile häufig enthalten) oder das Feedback über eine analoge Übertragungsstrecke leiten. In den Feedbackpfad eingeschliffene Low-Fi-Effekte (Distortion oder Overdrive) oder auch normale EQ’s oder Dynamikbearbeitungen lassen analoges Feeling aufkommen und verändern den Klang mit jedem Durchlauf. Hier gilt: Ausprobieren!


Mit dem klassischen Delay lassen sich i.d.R. die nachfolgenden drei Modulationseffekte sehr leicht einrichten.

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Chorus

Der Chorus-Effekt vermittelt subjektiv den Eindruck von Fülle, Breite oder auch Mehrstimmigkeit. Er ist dadurch gekennzeichnet, dass das Original relativ kurz verzögert und diese Zeit langsam periodisch moduliert wird (meist LFO mit einigen Zehntel Hz bis zu einigen Hz). Ferner ist die Modulationstiefe des LFO’s (low frequency oscillator) einstellbar. Sie gibt an, wie stark die LFO Amplitude auf die Verzögerungszeit wirkt (= Amplitude des Modulationssignals).


Durch diesen Parameter können, wird er sehr hoch eingestellt, auch Tonhöhenmodulationen erzeugt werden. Schreib- und Lesegeschwindigkeit des Ringspeichers sind durch die Modulation unterschiedlich, daher läuft der Lesezeiger bei Erhöhung der Verzögerungszeit langsamer, das im Speicher befindliche Material wird langsamer ausgelesen (Ton wird tiefer) bei Verringerung der Verzögerungszeit läuft der Vorgang umgekehrt ab. Das heißt, mit Hilfe der LFO Frequenz lässt sich auch die Frequenz der Tonhöhenmodulation steuern.


Wichtig für den Chorus-Effekt ist seine Verteilung im Stereobild. Hat man lediglich ein Mono-Delay zur Verfügung, kann man das Originalsignal auf den einen Kanal, das Effektsignal auf den anderen Kanal verteilen und somit einen Stereoeffekt erzeugen. Moderne Multieffektgeräte erzeugen häufig auch gleich Stereosignale für den Chorus, wobei beide Kanäle unterschiedliche Effektsignale führen. Hier kann dann das Original mittig in der Stereosumme bleiben, der Effekt kommt auf beiden Kanälen zurück.

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Flanger/ Phaser

Dem Chorus sehr ähnlich ist der Flanger bzw. Phaser-Effekt. Ursprung dieses Effektes ist der Klang der Mono-Mischung ein und derselben Aufnahme auf zwei nicht ganz synchron laufenden Bandmaschinen. Hier kann man diesen Effekt aber nur für eine kurze Zeit hören, da sich die Bänder i.d.R. zeitlich immer weiter voneinander entfernen. Ab einem bestimmten Zeitpunkt sind zwei Signale hörbar. Vorher entsteht allerdings ein anderer Effekt: Bestimmte von der Verzögerungszeit zwischen beiden beteiligten Signalen abhängige Frequenzen werden ausgelöscht. Verändert sich die Verzögerungszeit, gleitet die Auslöschung langsam durch das Frequenzspektrum des Signals. Bei höheren Feedbackeinstellungen entsteht ein deutlich hörbares Pfeifen. Die Verzögrungszeit ist wieder durch einen LFO modulierbar.


Phaser und Flanger unterscheiden sich eigentlich nur in den Einstellungen für die Delayzeit. Während der Phaser eher in höherfrequenten Bereichen des Signals „zu Hause“ ist (0,1 bis 5ms Delayzeit), verwendet der Flanger längere Delayzeiten und ist daher eher für Auslöschungen frequenziell tiefer liegender Anteile vorgesehen (5 bis 20ms). In heutigen digitalen Multieffektgeräten ist die Spanne der Delayzeiten oft groß, sodass ein fließender Übergang zwischen beiden existiert. Ferner ist der Flanger nicht unbedingt ein Monoeffekt.

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Hall & Reverb

Für die Erzeugung künstlichen Nachhalls stehen dem Anwender etliche Möglichkeiten zur Verfügung.

Vorzugsweise bedient man sich eines realen Hallraumes, welcher über einen Lautsprecher und Verstärker, dessen Eingang mit dem Aux-Output des Pultes verbunden ist, zum Nachhall angeregt wird, mikrofoniert den Raum (am besten Stereo) und holt sich die Mikrofonsignale in seinen Mix zurück. Natürlicher Nachhall bringt auch heute noch trotz der fortgeschrittenen Technik die besten klanglichen Ergebnisse. Nun hat leider nicht jeder einen solchen Hallraum zur Verfügung, will er nicht sein gefliestes Bad oder die Küche ausräumen und damit wegen Störung des häuslichen Friedens für Unmut in der Familie (und eventuell auch bei den Nachbarn) sorgen.


Die „echten“ analogen Alternativen sind die Hallplatte und die Hallfeder, wobei erstere in den Konsequenzen den Maßnahmen der Beräumung diverser Zimmer recht nahekommen kann. Die Abmessungen von Hallplatten können enorm sein (EMT 140), aber umso natürlicher ist das Ergebnis. Die kleinere Alternative stellt die EMT 240 dar, beide haben mittlerweile Kultstatus. Im Internet findet man außerdem Anleitungen für den Selbstbau solcher Platten, es muss auch nicht unbedingt Goldfolie sein, die verwendet wird. Entsprechend gute Verarbeitung vorausgesetzt, sind die Ergebnisse durchaus vergleichbar.


Plattenhallgeräte benutzen (große,) frei aufgehangene Metallplatten zur Erzeugung des Nachhalls, welche mit Hilfe von elektromagnetischen Treibern, die auf die Platte montiert sind, angeregt werden können. Als Treiber kommen Körperschallwandler (ähnlich dem elektrodynamischen Lautsprecher, nur ohne Membran) in Frage, die direkt an einer bestimmten Position auf die Platte gesetzt und über den Eingang des Gerätes inklusive Endstufe angetrieben werden. An anderer Stelle wird die Platte mit Hilfe eines Kontaktmikrofons (Piezomikrofon oder ähnliche) mikrofoniert und der Nachhall kann über eine Vorverstärkerstufe am Ausgang des Gerätes zur weiteren Verarbeitung abgenommen werden.


Zur Veränderung des Frequenzganges des Effektsignals als auch der Nachhallzeit kommen Dämpfer (Filz o.ä.) zum Einsatz, die mehr oder weniger stark auf die Platte gesetzt werden und so eine Regulierung der Parameter ermöglichen. Werden mehrere Treiber oder auch mehrere Mikrofone an unterschiedlichen Positionen verwendet, ist einerseits eine mehrkanalige Abnahme, andererseits auch eine Vielzahl an Klangvariationen möglich.


Federhallgeräte sind eine weitere, vor allem platzsparende Alternative zu den bereits beschriebenen analogen Möglichkeiten. Hier werden statt der Platten Spiralfedern und deren Schwingungsverhalten zur Erzeugung des Effektes benutzt.


Über einen Treiber wird auch hier die Feder an einem Ende zum Schwingen gebracht und am anderen über einen entsprechenden Wandler wieder abgenommen. Durch die nicht idealen Eigenschaften der Feder in Hinblick auf das Schwingungsverhalten bekommen diese ihren charakteristischen Klang. Insbesondere für die Erzeugung von Nachhall für Gitarren oder auch Stimme stellen Federhallgeräte eine gute und kostengünstige Möglichkeit dar. Typisch für ihren Klang sind das ausgeprägte Resonanzverhalten, sowie der oft mittige Frequenzgang. Bei Verwendung mehrerer Federn und deren Anregung und Abnahme kann trotz ihrer Einschränkungen ein sehr dichter und homogener Hall erzeugt werden. Die zusätzliche Möglichkeit, ein Feedback zu erzeugen, kann, wenn die Dämpfung nicht zu hoch ist, auch fast zur Selbstoszillation auf der entsprechenden Resonanzfrequenz genutzt werden.


Die Funktionsweise moderner Hallgeräte beruht heutzutage auf digitaler Signalverarbeitung.

Digitale Hardware macht es möglich, zahlreiche Parameter des Nachhalls in weiten Bereichen zu verändern, und sie ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Anwendung. Auf ein und demselben Prozessor können viele verschiedene Hallräume erzeugt werden.


Der Effekt kann entweder algorithmisch oder auch durch Faltung generiert werden. Da es sich um reine Rechenprozesse auf durch die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Auflösung begrenzter Hardware handelt, ist der Einsatz von Hardware-Geräten mit eigenen DSP’s als auch von Plug-Ins möglich. Auf speziellen DSP’s generierter Nachhall hat qualitativ Vorteile, die Prozessoren sind ja genau für die digitale Signalverarbeitung konzipiert und daher oft schneller und präziser als native Lösungen. Gerade beim Hall macht sich aufgrund der Komplexität des Hallsignals und des damit verbundenen Rechenprozesses eigens dafür entwickelte Hardware bezahlt. Nicht ohne Grund liegt der Preis der Spitzenhallgeräte (z.B. Lexicon 960L oder auch TC Reverb 6000MKII) bei Markteinführung im 5stelligen Bereich.


Algorithmischer Hall wird durch ein von DSP’s berechnetes Modell erzeugt. Wie komplex ein solches Modell ist, kann man sich näherungsweise vorstellen, wenn man sich vor Augen hält, in welcher kurzen Zeit eine Vielzahl von Reflexionen in realen Räumen zu einem anfangs durch die sogenannten „Early Reflections“ später durch den diffusen Nachhall („Hallfahne“) gekennzeichneten Hallsignal führen. All die Parameter, wie z.B. Raumgeometrie, Oberfläche der Wände, Position der Quelle und des Hörers u.ä. mit in die Berechnung einfließen zu lassen, sprengt innerhalb kürzester Zeit die Möglichkeiten jedes Prozessors, der Aufwand für die Berechnung steigt exponentiell. Genau aus diesem Grunde klingen die Originalsignale realer Hallräume noch immer so unterschiedlich im Vergleich zu ihren Nachbildungen.


Mit dem Faltungshall hat man eine Methode gefunden, die realen Verhältnisse in einem Raum für eine bestimmte Position von Quelle und Hörer in ein digitales System zu übertragen. Mit Hilfe der Faltung lässt sich eine im Originalraum aufgenommene Reaktion auf die Anregung mit einem bestimmten Testsignal auf beliebige Signale projizieren (Erzeugung der Impulsantwort). Die Methode ist qualitativ bei hoher Bittiefe und Samplingfrequenz sehr hochwertig, handelt es sich doch gewissermaßen um einen „Fingerabdruck“ des Raumes. Mit der Auflösungsgenauigkeit steigt aber auch der Leistungsbedarf der berechnenden Hardware.


Das Abbild gilt immer nur für eine bestimmte Situation und setzt voraus, dass sich die Verhältnisse nicht ändern und das System (in unserem Falle das System Raum) linear arbeitet. Theoretisch nachvollziehbar sind diese Voraussetzungen nochmal im Abschnitt Pegel und deren Berechnung. Es resultiert eine sehr eingeschränkte Flexibilität hinsichtlich der Veränderung realer Verhältnisse. Es ist also sehr schwierig, auf Parameter wie z.B. Pre Delay, Reflexionsdichte, Anzahl und Zeit der ersten Reflexionen u.ä. Einfluss zu nehmen. Hierfür bräuchte man wieder ein geeignetes Modell zur Beschreibung, welches entsprechende Änderungen im „Fingerabdruck“ vornimmt. Gerade mit dem Parameter des Pre Delay kann man ja beispielsweise die Entfernung von der Schallquelle entscheidend mitbestimmen. Passt der gewählte Klang aber ins übrige Material und/oder soll der Raum statisch sein, bringt der Faltungshall eben nicht nur klanglich viele Vorteile. Auch in Hinblick auf die Vielzahl an angebotenen Impulsantworten realer Räume lassen heutige Faltungshallalgorithmen kaum Wünsche offen. Darüber hinaus ist seine Einbindung in digitale Audioworkstations (DAW‘s) denkbar einfach. Auf gängigen Festplatten in heutigen Computern lassen sich Tausende von Impulsantworten speichern. Mit Hilfe der vielen angebotenen Plug-Ins kann man seine Aufnahmen damit so klingen lassen, als wären sie z.B. tatsächlich in der Royal Albert Hall, in der Sydney Opera oder im Leipziger Gewandhaus gemacht worden. Zusätzlich sind bestimmte Klänge der oben beschriebenen teuersten algorithmischen Hallgeräte oder auch analoger Hallplatten verfügbar. Plug-Ins wie z.B. Altiverb, Space Designer, IR1 o.ä. sind also für jeden DAW-User eine kostengünstige und flexible Möglichkeit, eigene Produktionen ins richtige Ambiente zu setzen.

Tontechnische Parameter von Verstärkern

a) Tontechnische Parameter von Verstärkern


In welcher Art und Weise ein Verstärker das an seinem Eingang anliegende und zu verarbeitende Signal proportional an seinen Ausgang weitergibt, kann durch verschiedene Parameter charakterisiert werden.

Für die Beschreibung ist vor allem relevant, inwiefern das Signal durch die Bearbeitung eine Veränderung erfährt. Die Veränderung kann sich in verschiedenen Parametern ausdrücken. Sie orientieren sich hauptsächlich daran, durch welche Parameter das Signal gekennzeichnet ist. So kann man Veränderungen auf zeitlicher als auch frequenzieller Ebene beschreiben, wobei die grundlegenden Signalparameter hierbei herangezogen werden. Man fragt also, welchen Einfluss hat ein Übertragungsglied auf die Amplitude, Phasenlage und auf die Frequenz des ursprünglichen Signals. Liegt der zeitliche Verlauf eines Signals vor, kann man bei Vergleich mit dem Original Rückschlüsse auf die Veränderungen ziehen. Will man frequenzielle Veränderungen darstellen, ist die Anregung des Übertragungssystems mit dem gesamten interessierenden und zu verarbeitenden Spektrum vonnöten. Man verwendet hierzu entsprechende Testsignale, mit deren Hilfe die Charakteristik eindeutig beschrieben werden kann. So stehen beispielsweise einfache Sinusschwingungen (reine Töne), Mischsignale aus mehreren gleichzeitig eingespeisten Sinusschwingungen, Rauschen mit unterschiedlichem spektralen Gehalt, Impuls- und Sprungfunktionen als auch Impulssequenzen mit rauschähnlichem Spektrum zur Verfügung. Die Analyse der Ausgangssignale gibt allgemein wieder, in welcher Art und Weise das betrachtete System Signale verändert.

Veränderungen des zeitlichen Signalverlaufs geben Auskunft über Parameter wie Filtercharakteristik, Klirrverhalten (harmonische Verzerrungen) und Intermodulation, Impulswiedergabe, Phasenlage von Signalanteilen (Gruppenlaufzeiten) zueinander, Rauschen und Gehalt von anderen Störanteilen.

Die Analyse ist sowohl auf der Zeit- als auch auf der Frequenzebene durchführbar und heutzutage mit Hilfe der Digitaltechnik erheblich leichter als noch vor einigen Jahren.
Bevor wir die wichtigsten Parameter erklären, seien an dieser Stelle einige Vorbetrachtungen angestellt:

Als Verzerrungen bezeichnet man im Allgemeinen Veränderungen oder Verformungen im zeitlichen Verlauf eines Signals aufgrund nichtidealer Übertragungseigenschaften von Übertragungsgliedern. Verstärkungen oder Dämpfungen um einen bestimmten Faktor sind im tontechnischen Sinne keine Verzerrungen, solange sie für den gesamten Frequenzübertragungsbereich konstant sind. Dies gilt ebenso für zeitliche Verzögerungen um eine bestimmte Zeit, wenn diese für alle im Übertragungsbereich relevanten Frequenzen gleich ist.

Hinsichtlich der Grenzen, in welchen sich Veränderungen eines Signals nach Durchlaufen eines Übertragungsgliedes bewegen dürfen, hat das Institut für Rundfunktechnik hauptsächlich im Pflichtenheft 3/5 der öffentlich rechtlichen Rundfunkanstalten feste Normen definiert, die eine hohe Signalqualität sicherstellen sollen und sich an statistischen Erhebungen in Bezug auf die Wahrnehmbarkeit von Verzerrungen durch den Menschen orientieren. Verzerrungen können sowohl in Abhängigkeit zur Frequenz als auch zur Amplitude des Signals stehen.

Ursache des Entstehens sind bei Amplitudenabhängigkeiten häufig die Krümmungen der Kennlinien nichtlinearer Bauelemente im Signalfluss als auch die Begrenzung der Aussteuerung bei hohen Signalamplituden. Die häufigsten Vertreter für die Signalverzerrung sind Bauelemente mit Magnetisierungs- bzw. magnetischem Sättigungsverhalten, also Magnetbänder (bei 514nWb/m bereits ca. 1%, bei 3dB über 514nWb/m ca. 3 bis 5%) und Übertrager, auch Lautsprecher. Die in den Verstärkern auftretenden Verzerrungen können durch geeignete Gegenkopplung minimiert werden und liegen im Bereich 0,3% abwärts bis 0,01%. Mikrofone erzeugen beim Schalldruck weit oberhalb von 100dB ca. 1%.
Als lineare Verzerrungen bezeichnet man Verzerrungen, die infolge von Frequenzabhängigkeiten von Verstärkungs- und Dämpfungsvorgängen entstehen. Sie werden hauptsächlich im unregelmäßigen Amplitudenfrequenzgang eines Übertragungsgliedes deutlich.

Als nichtlineare Verzerrungen bezeichnet man Verzerrungen, die infolge von Amplitudenabhängigkeiten von Verstärkungs- und Dämpfungsvorgängen entstehen (Abhängigkeit von der Aussteuerung). Nichtlineare Übertragungskennlinien sind Ursache für das Entstehen neuer Teilschwingungen im Gesamtsignal. Diese können durch verschiedene Größen angegeben werden, wobei auf unterschiedliche Entstehungsarten abgestellt wird:
In den meisten Fällen treten sowohl lineare als auch nichtlineare Verzerrungen gemeinsam auf. Für die Übertragung einer bestimmten Frequenz kann die Verzerrung schon unangenehm sein, während eine etwas höhere Frequenz anscheinend unverzerrt übertragen wird (Übertrager bei 40Hz/+22dBu bzw. bei 125Hz/+22dBu).

Der Aussteuerungsbereich ist beim Verstärker durch die entsprechende Auslegung der Schaltung sowie durch die Begrenzung durch die Betriebsspannung gegeben. Bei Überschreitung dieser Grenze, wird das Signal fast rechteckförmig abgeschnitten. Diese Überschreitung ist schon ab ca. 5ms hörbar. Weiterhin spielt auch die begrenzte Anstiegszeit der verwendeten Verstärker bei der Signalbegrenzung eine Rolle. Hier wird auch ganz besonders die Frequenzabhängigkeit der Begrenzung deutlich. Sie spielt vor allem bei hochfrequenten Anteilen eine große Rolle. Bevor die Amplituden jedoch durch zu langsame Verstärker (Slew Rate) begrenzt werden, tritt bereits meistens eine hohe Verzerrung in den tiefen Frequenzen hervor (Programme mit hohem Anteil an Frequenzen oberhalb von 10kHz sind relativ selten). Oft liegen die hochfrequenten Verzerrungen bereits außerhalb des Übertragungs- bzw. Hörbereiches und können lediglich mit der Messung des Intermodulations- bzw. Differenztonfaktors ermittelt werden.

Intermodulation

Neben den Harmonischen entstehen bei der Übertragung von Signalen auch nichtharmonische Anteile, die durch die Modulation der Teilschwingungen untereinander hervorgerufen werden. Die tatsächliche Verzerrung durch den Einfluss zusätzlicher Schwingungen eines Übertragungsgliedes ist demnach oft wesentlich höher, als es der Klirrfaktor angibt. Als Messsignal dienen zwei Schwingungen, wobei die Intermodulationsprodukte (Summen- und Differenztöne) erfasst werden. Der Intermodulationsfaktor m ist definiert nach DIN 45403, Tl.4 als das Verhältnis der Summe der Effektivwerte der Spannungen der am Ausgang des Messobjektes entstehenden Summen- und Differenztöne zweier sinusförmiger Messtöne f1 und f2 zum Effektivwert des höheren Messtones am Ausgang des Messobjektes. Er wird in Prozent angegeben. Gemessen werden hauptsächlich die Frequenzen ƒ2 ± ƒ1 (IM 2.Ordnung, m2) und ƒ2 ± 2ƒ1 (IM 3.Ordnung, m3).

Die wichtigsten Parameter seien an dieser Stelle erwähnt und erklärt:

Übertragungsbandbreite

Als Übertragungsbandbreite bezeichnet man den von einem Übertragungsglied übertragbaren Frequenzbereich. Die Bandbreite wird als Differenz der oberen und unteren Grenzfrequenz ermittelt. Die Grenzfrequenzen sind als die Punkte des Amplitudenfrequenzganges definiert, bei welchen die Ausgangsamplitude gegenüber der Eingangsamplitude um 3dB gefallen ist.

Klirrfaktor

Der Klirrfaktor ist ein Maß für die Verformung bzw. Verzerrung von (sinusförmigen) Wechselsignalen durch das Übertragungsglied. Er bemisst die Entstehung neuer Oberschwingungen (Harmonische) im Signal. Hierbei wird der Effektivwert der Verzerrungsprodukte zum Effektivwert des Gesamtsignals in Beziehung gesetzt. Verzerrungen entstehen durch die speziellen Eigenschaften des Übertragungsgliedes und können durch Amplituden- oder Frequenzabhängigkeiten des Verstärkungs- oder Dämpfungsvorganges entstehen.
Letztere führen zu linearen Verzerrungen und tragen theoretisch nicht zum Klirrfaktor bei, da bei ihnen keine neuen Signalanteile entstehen.
Nichtlineare Verzerrungen können durch Krümmung der Übertragungskennlinien oder durch Sättigungsverhalten entstehen. Hier entstehen neue Schwingungen im Signal, welche sich mit dem ursprünglichen Signal überlagern. Die durch den Klirrfaktor wiedergegebenen Signalanteile sind harmonischer Natur (additive Überlagerungen). Die Schwingungen stehen im ganzzahligen Verhältnis zum Grundton.
Wird der Klirrfaktor bestimmten Teiltönen im Vergleich zum Gesamtsignal zugeordnet, spricht man vom Teilklirrfaktor n-ter Ordnung:

bezieht er sich auf alle neu entstehenden Harmonischen im Vergleich zum Gesamtsignal als Gesamtklirrfaktor.
Der Klirrfaktor ist das Verhältnis vom Effektivwert der Obertöne zum Effektivwert des Gesamtsignals:

In der Regel stellen die Teilklirrfaktoren k2 und k3 den Großteil der Verzerrungsprodukte dar, weswegen häufig angenähert mit:

gerechnet wird. Der Klirrfaktor wird meistens in Prozent angegeben, auch die Angabe des Klirrdämpfungs-maßes ist üblich:

Standardmäßig durch das IRT festgelegt, ist eine Klirrdämpfung von 52dB bzw. ein Klirrfaktor von 0,25% bei +6dBu im Frequenzbereich zwischen 40Hz und 15kHz. Dies gilt auch für Pegel bis -24dBu, darunter 36dB bzw. 1,5%. Bei +22dBu sind die noch zulässigen Werte 40dB bzw. 1%.
Der Klirrfaktor von 1% ist bei reinen Sinustönen mittlerer Frequenz gerade hörbar. Die Verzerrung durch die 3. Harmonische wird ab 0,3% hörbar, wenn Töne im Quintabstand zueinander liegen und keine Überlagerung durch anderes Programm stattfindet.
Bei normalem Programm beginnt der Klirrfaktor bei ca. 2% hörbar zu werden.
Zur Ermittlung des Klirrfaktors speist man ein Sinussignal (40; 125; 1; 2,5; 5kHz) in das zu untersuchende Gerät ein und ermittelt mit möglichst hoher und steilflankiger Unterdrückung der Grundwelle durch ein Band- bzw. Hochpassfilter den Restpegel am Ausgang des Gerätes.

Ein einfaches Terzbandfilter mit 50dB/Okt. reicht hier bei weitem nicht aus, da die Grundwelle noch immer mit erheblichem Pegel in die Messung eingehen würde. Ein Klirrfaktor unter 0,3% wäre hier nicht mehr erfassbar.

Leider werden auch das Grundrauschen sowie das Restbrummen des Verstärkers mit einbezogen. Um einen Klirrfaktor von ca. 0,1% noch hinreichend genau messen zu können, muss der Pegel der Grundwelle auf einen Wert von ca. 0,01% gedämpft werden (-80dB). Andererseits darf bei der Messung von k2 keine Dämpfung mehr durch das Filter vorhanden sein. Auch eine stabile Mittenfrequenz ist erforderlich. Bei Hochpassfiltern 8ter Ordnung ist die Veränderung der Frequenz bei gleichzeitiger Beibehaltung sämtlicher anderer Filterparameter sehr aufwändig.

Man greift auf die Messung von einzelnen Klirrkoeffizienten immer dann zurück, wenn der Klirrfaktor bereits im Rauschen untergeht. Hier wird über ein Terzfilter k2 und k3 und daraus dann ungefähr der Gesamtklirrfaktor ermittelt.
Aufschlussreich ist auch die Analyse der einzelnen Klirrkoeffizienten, wenn man nach den Fehlerursachen von zu hohem Klirrfaktor insgesamt sucht. Viel k2 kann auf einen schlechten Verstärker, viel k3 auf einen Übertrager hindeuten.
Gemessen wird der Klirrfaktor immer am kleinsten zulässigen Lastwiderstand. Der Klirrfaktor bei Nennausgangspegel gemessen, ist meist so gering, dass eine Messung hier uninteressant wird. Der Pegel am Ausgang wird also meist kurz vor dem Einsetzen der Übersteuerung (ca. 20dBu bei Übersteuerungsgrenze von 22dBu) gemessen. Ausnahme bilden die Gegentaktendstufen, bei denen auch eine Messung bei kleinen Amplituden aufgrund der Übernahmeverzerrungen Sinn macht. Signalgenerator und Messverstärker dürfen keinen höheren Klirrfaktor als 0,01% (10% des Messwertes) besitzen, wenn noch ein Klirrfaktor von 0,1% ermittelbar sein soll.
Einen Messaufbau zur Messung des Klirrfaktors zeigt die nachstehende Abbildung II-22.
Abbildung II-22, KlirrfaktormessungAbbildung II-22, Klirrfaktormessung

Intermodulationsfaktor

Verzerrungsprodukte, welche ebenfalls durch die Nichtlinearitäten von Übertragungsgliedern entstehen, aber nichtharmonischer Natur sind, können unter anderem durch den Intermodulationsfaktor angegeben werden. Für die Messung werden zwei Signale unterschiedlicher Frequenz als Testsignale verwendet. Die am Ausgang neben diesen Signalen erscheinenden Modulationsprodukte, welche durch Multiplikationen zustande kommen, sind Summen- und Differenzfrequenzen der ursprünglichen Schwingungen sowie deren ganzzahliger Vielfacher.

Die tatsächliche Verzerrung durch den Einfluss zusätzlicher Schwingungen eines Übertragungsgliedes ist demnach oft wesentlich höher, als es der Klirrfaktor angibt.
Als Messsignal dienen zwei Schwingungen, wobei die Intermodulationsprodukte (Summen- und Differenztöne) erfasst werden.

Der Intermodulationsfaktor m ist definiert nach DIN 45403, Tl.4 als das Verhältnis der Summe der Effektivwerte der Spannungen der am Ausgang des Messobjektes entstehenden Summen- und Differenztöne zweier sinusförmiger Messtöne f1 und f2 zum Effektivwert des höheren Messtones am Ausgang des Messobjektes. Er wird in Prozent angegeben. Gemessen werden hauptsächlich die Frequenzen f2 ± f1 (Intermodulationsfaktor 2.Ordnung, m2) und f2 ± f1 (Intermodulationsfaktor 3.Ordnung, m3).

Differenztonfaktor

Ähnlich wie bei Messverfahren der Intermodulationsverzerrungen werden hier zwei Messtöne im oberen Übertragungsbereich ins Messobjekt eingespeist. Sie haben einen Abstand von 70Hz. Das Verhältnis von Effektivwert der Messtöne zum Effektivwert des Gesamtsignals am Ausgang des Messobjektes bestimmt den Differenztonfaktor. Ebenso wie bei den beiden vorherigen Messverfahren beschränkt man sich auch hier häufig auf die Differenztonfaktoren 2. und 3. Ordnung. Die Angabe erfolgt in Prozent bzw. in dB. Die DIN 45403, Tl.3 legt die Richtlinien für das Messverfahren fest.

Störspannungen

Das Signal wird beim Durchlaufen der Übertragungsstrecken neben den Verzerrungen auch von signalunabhängigen Störspannungen beeinflusst. Diese Störspannungen sind grundsätzlich die Spannungen, die durch den Betrieb des Gerätes selbst hervorgerufen werden. Neben dem Rauschen, hauptsächlich hervorgerufen durch stromdurchflossene ohmsche Widerstände, Halbleiter in den Verstärkerbaugruppen, Magnet- und Vinyltonspeicher als auch prinzipbedingte Rundungsfehler bei der digitalen Wandlung, treten auch Netzbrummen, HF-Einstreuungen und Knacken auf. Die beiden letzteren und das Übersprechen zählen streng genommen messtechnisch nicht mit zu den Störspannungen. In der Messtechnik werden Störspannungen unterschiedlich erfasst: objektiv (unbewertete Störspannung) als auch hörangepasst (bewertete Störspannung in A-Bewertung).

Brummspannung und Rauschspannung ergeben zusammengenommen die Fremdspannung. Die Fremdspannung ist die gesamte Störspannung, die ein Gerät produziert, ohne dass eine Bewertung des Frequenzganges vorgenommen wird. Die durch ein geeignetes Filter bewertete Fremdspannung wird als Geräuschspannung bezeichnet.

Prinzipiell unterscheidet man zwischen Fremd- und Geräuschspannungsabstand. Fremdspannungsabstand ist die Differenz zwischen Nennpegel und Fremdspannung. Geräuschspannungsabstand ist die Differenz zwischen Nennpegel und Geräuschpegel. Die Dynamik liegt aufgrund der gegebenen Übersteuerungsfestigkeit meistens wesentlich höher, da hier mit maximaler Aussteuerung gerechnet wird.

Die Angaben dieser Werte können durch Mittelwertgleichrichtung und entsprechende Eichung (EWG oder ZWG mit Ermittlung des arithmetischen Mittelwertes, vorherige Eichung des Messgerätes durch Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen arithmetischen Mittelwert und Effektivwert bei einem Sinussignal/Formfaktor), durch echte Effektivwertmessung sowie durch die Spitzenwertmessung über verschiedene Filter (PPM mit spezieller Ballistik, Anlegen eines einmaligen Wechselspannungsimpulses = Tonburst) nach zwei unterschiedlichen Verfahren (DIN 45405: Angabe in dBq oder CCIR 468-2: Angabe in dBp) ermittelt werden.

Bei den Messverfahren ist der richtige Abschluss des Eingangs der Verstärkerstufe von grundlegender Bedeutung. Die Quellwiderstände sollten nach Möglichkeit nicht schon von sich aus ein erhebliches Eigenrauschen produzieren (vorzugsweise Metallfilmwiderstände mit engen Toleranzen verwenden).
Wenn Verstärker verwendet werden, deren Verstärkung im Betrieb starken Änderungen unterworfen ist (Mikrofonverstärker), wird die eingangsbezogene Störspannung angegeben. Hiermit ist die aktuelle Verstärkung dann zu verrechnen.

Signal-Rauschabstand

Der Signal-Rausch-Abstand (SNR, signal-to-noise-ratio) ist definiert als das Verhältnis von Nutzsignalleistung zur Rauschsignalleistung. Er ist eng mit dem Begriff der Dynamik verbunden. Auch sie definiert den Unterschied zwischen Aussteuerungs- und Auflösungsgrenze eines Systems. Alternativ können auch die Quadrate der entsprechenden Spannungen ins Verhältnis gesetzt werden, da sie (am gleichen Verbraucher) proportional zu den Leistungen sind.

Brummspannung

Brummen ist eine durch induktive oder kapazitive Kopplung hervorgerufene Einstreuung aus dem Netz. Ebenso kann die schlechte Siebung der Speisespannung oder eine ungünstige Signal- und Masseführung (Brummschleife) innerhalb als auch außerhalb des Gerätes Ursache für das Brummen sein. Häufig liegt eine mehrfache Auslegung der Erdung eines Gerätes vor und diese kann nur durch eine sorgfältige Anlagenverschaltung verhindert werden. Netzbrummen ist meistens durch das Auftreten eines konstanten Signals der Frequenz von 50Hz und deren Harmonische gekennzeichnet.

Rauschen

Nicht nur überall dort, wo Strom fließt, sondern auch über den Enden eines stromlosen Widerstandes, tritt aufgrund der thermischen Elektronenbewegung eine Rauschspannung Unoiseeff auf, deren Effektivwert abhängig von der Höhe des Widerstandes und der Temperatur ist. Über den kurzgeschlossenen Enden des Widerstandes fließt der Rauschstrom mit dem Effektivwert Inoiseeff.

Bei einer Temperatur im Bereich von +5 bis +45°C ist an einem Widerstand von ungefähr mit einer Rauschspannung von –130dBu, bei mit –125dBu zu rechnen. An diesen Werten kommt man prinzipbedingt nicht vorbei.
Der Effektivwert der auftretenden Rauschspannung am Widerstand kann beschrieben werden durch:
bzw. der Effektivwert des fließenden Rauschstromes mit:

Hier stellen die Größe k mit die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur in K (Kelvin), R den betrachteten Widerstand in Ω sowie B den in der Messung berücksichtigten Frequenzbereich, die Messbandbreite in Hz dar.

Die Boltzmann-Konstante ist eine Größe aus der Thermodynamik, welche es erlaubt, die mittlere kinetische Energie eines Teilchens mit Hilfe der Temperatur zu bestimmen.

Die Rauschspannung wird angegeben in der Einheit nV/√Hz. Will man die konkrete Rauschspannung ermitteln, muss lediglich mit der entsprechenden Bandbreite multipliziert werden. Da es sich um einen zufälligen Vorgang handelt, werden die Effektivwerte der beiden Größen Rauschstrom und Rauschspannung durch Integration der Rauschdichten über der Frequenz gewonnen.
Die Rauschleistung setzt sich im Falle der Leistungsanpassung aus der Hälfte der Leerlaufspannung bzw. der Hälfte des Kurzschlussstromes zusammen: Somit ist die theoretisch konstante Rauschenergie in einem Frequenzintervall von 1Hz bei einer angenommenen Temperatur von 290K (ca. 17°C) gleich
Das sogenannte weiße Rauschen hat im gleichen absoluten Frequenzintervall die gleiche Rauschleistung (lineare Frequenzskalierung), rosa Rauschen besitzt im gleichen relativen Frequenzintervall (z.B. Halbton-, Terz- oder Oktavbänder, Frequenzverdopplung = Oktave) die gleiche Rauschleistung, letzteres wird auch als 1 f -Rauschen bezeichnet.
Wird die Rauschamplitude also, egal in welchem Frequenzbereich, immer mit einem Terzbandfilter gemessen, ergibt rosa Rauschen immer gleiche Beträge der Amplitude (Abbildung II-23), weißes Rauschen hingegen einen mit 3dB/Okt. nach oben hin ansteigenden Frequenzgang (Abbildung II-24).

Abbildung II-23, rosa Rauschen im Terzband-Analyzer Abbildung II-23, rosa Rauschen im Terzband-Analyzer

Abbildung II-24, weißes Rauschen im Terzband-Analyzer Abbildung II-24, weißes Rauschen im Terzband-Analyzer
Man unterscheidet zwischen verschiedenen Rauscharten, die aufgrund vielfältigster Ursachen zustande kommen: dem thermischen Rauschen (Nyquist- bzw. Johnson-Rauschen), dem Schrotrauschen, dem Funkelrauschen, dem Lawinenrauschen, dem Barkhausen Rauschen, dem Popcornrauschen, um nur einige Rauscharten zu nennen.

Zur Ermittlung des Rauschens eines Verstärkers muss die Rauschspannung am Ausgang gemessen werden. Die Differenz zwischen dem Rauschen der Quelle mit gegebenem Ausgangs- bzw. Quellwiderstand und dem Ausgangsrauschen abzüglich der Verstärkung produziert der Verstärker selbst. Diese Angabe macht die sogenannte Rauschzahl F.

Auch an pn-Übergängen tritt aufgrund des unregelmäßigen und temperaturabhängigen Durchtritts der Ladungsträger durch die Grenzschicht ein nicht stetiger Strom (Schrotrauschen) auf. Dieses neben dem thermischen bei Halbleitern auftretende Rauschen erzeugt einen in den tiefen Frequenzen stark ansteigenden Verlauf. Weiß wird das Rauschen erst zu hohen Frequenzen hin.

Die Messung des Rauschens erfolgt durch ein breitbandiges, möglichst lineares Filter, welches außerhalb seiner Grenzfrequenzen einen in den meisten Fällen sehr steilflankigen Verlauf aufweist, wenn keine Bewertung vorgenommen wird.
Die Bewertung nach IEC-A Kurve (40phon Kurve) liefert subjektiv angepasste Werte. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass hochfrequente Rauschanteile kaum berücksichtigt werden. Es liefert meistens sehr gute Messergebnisse.
Weitere Verfahren verwenden Filter nach DIN 45405, heute wird meistens in der professionellen Tontechnik nach CCIR Rec 468-2 bewertet.

Mikrofonvorverstärker

b) Mikrofonvorverstärker

Den wahrscheinlich wichtigsten Teil der analogen Tonsignalübertragung bildet der Mikrofon(vor-)verstärker. Ob als separates Gerät oder als Teil eines Kanalzuges ist die Qualität der weiteren Signalübertragungsstrecke maßgeblich von ihm abhängig. Daraus erwachsen hohe Anforderungen an diese Baugruppe, stellt sie doch den Teil der Strecke dar, dessen spezielle Eigenschaften sich auf alle nachfolgenden Baugruppen übertragen. Hinsichtlich bestimmter Eigenschaften wie z.B. das Auftreten nichtlinearer Verzerrungen, Rauschen, Übersteuerungsfestigkeit und Gesamtverstärkung, Empfindlichkeit gegenüber Störungen im NF- als auch HF-Bereich, Gleichtaktunterdrückung und Symmetrie, Anpassung an die jeweiligen Ausgangsimpedanzen verschiedener Mikrofone, Bandbreite und Resonanzausbildung bestehen strenge Forderungen, die, wenn von ihnen abgewichen wird, starke Auswirkungen auf die gesamte Signalqualität haben können.


Im Vordergrund steht bei den Mikrofonverstärkern vor allem die erforderliche Verstärkung. Ausgehend von den üblichen Ausgangspegeln dynamischer Mikrofone sind Verstärkungen bis ca. +80dB zu realisieren (siehe Beispielrechnung Abschnitt III.6.3.). Hier stehen, abweichend vom betrachteten Beispiel, vor allem die Spannungsverstärkung im Vordergrund, da die im Berechnungsbeispiel berücksichtigte Stromverstärkung für den Betrieb an einer niederohmigen Last in der Regel so im Kanalzug nicht auftritt.


Für den Anschluss des Mikrofonausganges an die Eingangsstufe wird i.d.R. Spannungsanpassung gewählt, damit auch bei variablen Ausgangsimpedanzen verschiedener Mikrofone die Spannungsänderungen klein bleiben. In der professionellen Audiotechnik sind heutzutage meist niederohmige Mikrofonausgangsimpedanzen zu finden, mittel- (um ca. 1) und hochohmige (ca. 100k Ω und höher) Ausgänge sind fast ausschließlich auf dem Amateursektor zu finden. Es kommt demnach also maßgeblich auf die Spannungsverstärkung an, da die Forderung der Unabhängigkeit des Ausgangspegels vom Verhältnis Ausgangswiderstand des Mikrofons zu Eingangswiderstand des Mikrofonvorverstärkers Leistungsanpassung und erst recht Stromanpassung ausschließt. Um den geringen Pegel eines Mikrofons bei „normalem“ Schalldruck zwischen 60 dBspl und 80 dBspl auf einen Betriebspegel von +4 dBu bzw. +6 dBu an 300Ω bzw. 600Ω zu erzeugen, ist demnach eine hohe Spannungsverstärkung von theoretisch bis zu 90dB erforderlich. In der Praxis übliche Verstärker weisen ca. 80dB auf. Sie ist der Hauptgrund dafür, dass selbst geringste niederfrequente als auch hochfrequente Störspannungen auf den Mikrofoneingängen zu erheblichen Signalbeeinträchtigungen auf dem nachfolgenden Signalweg führen. Besonders hier wirken sich die in der professionellen Technik üblichen symmetrischen Übertragungswege positiv auf die Störunterdrückung aus. Die Unterdrückung von im Gleichtakt ausgesteuerten Signalspannungen auf beiden Leitungen ist wiederum durch Differenzbildung gegeben. Eine solche Differenzbildung ist passiv durch Übertrager oder auch aktiv durch Differenzverstärker umsetzbar.


Die Forderung der Rauschfreiheit des Verstärkungsvorganges lässt sich nur annähernd realisieren. Durch die Rauschzahl des Verstärkers wird beschrieben, um wie viel der Signal-Rausch-Abstand hinter dem Verstärker kleiner gegenüber dem Eingang geworden ist. Der Verlust an Rauschspannungsabstand wird hier innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes betrachtet. Die Messung der Rauschzahl kann durch Vergleich gewonnen werden: Welche Rauschleistung muss dem Eingang des Verstärkers durch einen Rauschgenerator zusätzlich zugeführt werden, um eine gegenüber dem unbeschalteten Eingang auf das Doppelte erhöhte Ausgangsrauschleistung (+3dB) zu erzielen? Hierbei sind Verstärkungsgrad und Bandbreite zu beachten. Der ideale Verstärker hat eine Rauschzahl von 1.


Durch die Überlagerung verschiedener Rauschursachen ist die Rauschzahl nur innerhalb eines bestimmten Frequenzintervalls konstant und unabhängig von der Frequenz (Bereich des weißen Rauschens). Unterhalb dieses Bandes ist sie proportional zu 1/f, oberhalb zu f². Die Rauschzahl kann minimiert werden, indem der Innenwiderstand der Rauschquelle an den Verstärker angepasst wird. Hier ist der im Verstärker optimale Arbeitspunktstrom zu berücksichtigen, zusätzlich verlangt der Verstärker an seinem Eingang einen entsprechend dimensionierten Generatorwiderstand. Dies bedeutet in der Praxis, dass der Innenwiderstand von Quellen mit ungeeigneter Ausgangsimpedanz mit Hilfe eines Anpassungsnetzwerkes oder eines Übertragers auf den optimalen Generatorwiderstand transformiert werden muss. Bei Einsatz von Übertragern an den Verstärkereingängen ist demzufolge nicht nur die galvanische Trennung von Vorteil, sondern auch die Optimierung des Verstärkers hinsichtlich der Rauschanpassung. Dies ist auch der Grund für deren häufigen Einsatz in Mikrofonvorstufen.

Line-Verstärker

Hochpegelige Line-Verstärker sind normalerweise Differenz-Verstärkereingänge, egal ob durch Übertrager oder galvanische Kopplung realisiert. Die hohen Kosten von Übertragern sind aber in der Praxis häufig der Grund für eine Auslegung als elektronische Differenzstufe. Die Eingangsimpedanz liegt in der Regel höher als bei den Mikrofonstufen, etwa um 10k.


Ebenso, wie andere Verstärker müssen sie im Allgemeinen genug Aussteuerungsreserve zur Verfügung stellen, eine hohe Gleichtaktunterdrückung gewährleisten als auch die erforderliche Bandbreite mit flachem Frequenzgang übertragen. Für eine hohe Gleichtaktunterdrückung ist der Einsatz von Instrumentationsverstärkern vorzuziehen, diese sind bereits hochgenau (mittels Laser) abgeglichen als integrierte Schaltkreise erhältlich (z.B. Burr Brown INA103).

Abbildung II-25, InstrumentationsverstärkerAbbildung II-25, Instrumentationsverstärker

Die Entkopplung der Eingänge des Differenzverstärkers von den Eingängen der Schaltung durch die Verwendung der nichtinvertierenden Verstärker bringt vor allem Vorteile hinsichtlich der dynamischen Eingangswiderstände und deren Symmetrie. Die integrierte Variante zeichnet sich neben der hohen Gleichtaktunterdrückung vor allem hinsichtlich guter Rauscheigenschaften, hoher Bandbreite und gutem Klirrgrad aus.

Instrumenten-Verstärker

Verstärker der von Tonabnehmern stammenden Signale werden auch Instrumentenverstärker genannt. Hier ist der Gitarrenverstärker der wahrscheinlich wichtigste Vertreter. In der Praxis ist er am häufigsten anzutreffen. Die Eingangsstufe ist dort aber aus klangästhetischen Gründen häufig mit der Möglichkeit konzipiert, zielgerichtet Verzerrungen zu erzeugen. Dies gilt selbstverständlich für Verstärker von Tonabnehmersignalen aus Violinen oder ähnlichen Instrumenten nicht.


Die von diesen Verstärkern zu verarbeitenden Signale stammen aus Tonabnehmern, welche ihr elektrisches Signal mittels magnetischen oder piezoelektrischen Prinzips aus der Saitenschwingung gewinnen. Ihr Verhalten unterliegt ganz eigenen Gesetzmäßigkeiten und das Zusammenspiel von Verstärkereingang, -last sowie Tonabnehmer ist sehr komplex und mit dem Kleinsignalverhalten nur in eng begrenztem Rahmen zu beschreiben.


Eingangsseitig findet man in den Schaltungen hochohmige Transistoreingangsstufen oder Röhrenstufen vor, welche vor allem durch ihren hohen Eingangswiderstand gekennzeichnet sind. Das elektrische Zusammenspiel von Eingangsstufe und Tonabnehmer in Verbindung mit der Übertragungsleitung spielt vor allem für den Klang der Elektrogitarre eine entscheidende Rolle und soll hier aufgrund der Komplexität nur kurz erwähnt werden.


Das entscheidende Kriterium für den Verstärkerklang ist wieder einmal die Anpassung, welche sich, bedingt durch die Impedanz des Tonabnehmers als auch durch die Arbeitspunkteinstellung der Eingangsstufe, frequenzabhängig verändert. Häufig wird die richtige Konfiguration der Verstärkerstufe nur durch zahlreiche Versuche herausgefunden. Sie ist nur grob durch Modelle beschreibbar und vorherzusehen.


Typische Eingangswiderstände liegen im Bereich von 1MΩ, gelegentlich werden auch niederohmigere Eingänge zur Verfügung gestellt, welche aber den Klang infolge des Quellinnenwiderstandes vor allem im Höhenbereich erheblich beeinflussen. Meistens kommt es zur Pegel- sowie zur Höhenabsenkung, die aber durchaus gewollt ist.


Die Eingänge sind häufig durch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen Störungen gekennzeichnet, die allein schon durch den hohen Verstärkungsgrad stark hörbar werden. Die aufgrund der Eingangskapazität vor allem durch Ladungsinfluenz leicht zu beeinflussenden Eingangsstufen müssen deshalb sorgfältig abgeschirmt und der gesamte Verstärker mit „richtiger“ Masseführung aufgebaut sein.


Auch der Abschluss mit der entsprechenden Last macht einen großen Teil des Klanges aus. Es ist ein Unterschied, ob tatsächlich ein Lautsprecher oder lediglich ein (fast) ohmscher Leistungswiderstand den Ausgang belastet. Letzterer wird häufig verwendet, um das verzerrte und durch den Verstärker geformte Signal einem Line-Eingang gedämpft zur Verfügung zu stellen. Er ist jedoch nicht in der Lage, die komplexe Last des Lautsprechers zu simulieren - das aufgenommene Signal klingt anders.


Hersteller wie SPL haben beispielsweise mit dem „Cabulator“ und dem „Reducer“ Geräte auf den Markt gebracht, welche die komplexen Lasten an den Ausgängen von Gitarren-Amps nachbilden und die direkte Aufnahme des Ausgangssignals ermöglichen.

Leistungsverstärker

Im Unterschied zu den bereits betrachteten Verstärkerstufen steht bei den Leistungsverstärkern die abrufbare Leistung im Vordergrund. Sie sollen in der Lage sein, die angeschlossenen Verbraucher möglichst verzerrungsfrei mit den nötigen Strömen zu versorgen. Ihre Spannungsverstärkung steht hier eher im Hintergrund, da diese bereits durch eine entsprechend dimensionierte Vorstufe realisiert werden kann.


Gängige Lasten sind im tontechnischen Bereich allenfalls Lautsprecher oder auch Antennenanlagen. Letztere gehören in den Bereich der HF-Technik, hier steht der Anspruch der Verzerrungsfreiheit weiter im Hintergrund, da die entsprechenden Endstufen im Sinne eines möglichst hohen Wirkungsgrades im Resonanzbetrieb arbeiten und der Arbeitspunkt der Sendeverstärker meist im Sperrbereich liegt (C-Betrieb).


Dass eine ähnliche Betriebsart auch bei NF-Leistungsverstärkern möglich ist, zeigen die von hohem Wirkungsgrad gekennzeichneten Class-D Endstufen. Diese Endstufen sind reine Schaltverstärker.


Ihre Arbeitsweise besteht darin, eine hochfrequente Schaltimpulsfolge, welche durch Modulation mit dem zu verstärkenden Audiosignal in Impulsdichte oder –länge dynamisch verändert wird, über einen Tiefpass an das entsprechende Lautsprechersystem zu übertragen.


Der Modulationsvorgang bei Pulsweitenmodulation (PWM) wird mit Hilfe eines möglichst linear arbeitenden, hochfrequenten Dreiecks- oder auch Sägezahngenerators realisiert. Sein Signal wird mit Hilfe eines Komparators mit dem Audiosignal verglichen und die daraus entstehenden Rechteckimpulse über eine Vorstufe zur Ansteuerung an die Endstufentransistoren verstärkt weitergegeben.


Hochfrequente Impulsfolgen sind auch mit Hilfe der Delta-Sigma-Modulation erzeugbar, was gegenüber der PWM den Vorteil einer stabilen Abtastfrequenz sowie der Möglichkeit des Noise Shaping (Rauschformung des Quantisierungsrauschens) bei mehrfacher Verwendung von Integratorstufen mit sich bringt.


Das vor der Last und hinter der Endstufe angeordnete Tiefpass-Filter ist rein passiv aufgebaut und mittelt aus den hochfrequenten Schaltimpulsen das ursprüngliche Audiosignal zurück. Da die Endstufentransistoren (i.d.R. in Halb- oder Vollbrückenschaltung) lediglich dann leitend sind, wenn sie durch den kurzen Schaltimpuls angesteuert werden, ist der Wirkungsgrad dieser Stufen sehr hoch und liegt bei ca. 80 – 90%. Es fließt kein Ruhestrom, welcher Verlustleistung an den Transistoren bei Nichtansteuerung verursachen würde.


Speziell wegen der guten Energieausbeute sind diese Verstärker immer häufiger anzutreffen. Klanglich nicht immer optimal, stellen sie einen guten Kompromiss zwischen Qualität und Leistungsübertragung an die Last dar.


Klangliche Einbußen entstehen durch die Modulation der hohen Schaltfrequenz mit Frequenzen im Nutzband (Audiofrequenzbereich). Modulationsprodukte machen einen Großteil der Verzerrungen des reproduzierten Signals aus. Zudem kommt noch hinzu, dass aufgrund der Struktur der Endstufe vermieden werden muss, dass jeweils zwei paarweise übereinander angeordnete Endstufentransistoren gleichzeitig leitend werden (unendlich kurze Schaltzeiten sind eben nicht realisierbar). Durch beide würde in einem solchen Falle ein hoher Strom fließen, welcher nicht an der Last, sondern an ihnen zum Leistungsumsatz führt. Dadurch ist die Einstellung von sogenannten „Totzeiten“ von entscheidender klanglicher Bedeutung, stellen sie doch eine Abweichung vom idealen Modulationsvorgang dar.

Class-A Verstärker sind das ganze Gegenteil von Schaltverstärkern. Sie arbeiten mit dem schlechtesten Wirkungsgrad, haben jedoch klanglich erhebliche Vorteile. Sie können sowohl im Eintakt- (single ended) als auch im Gegentaktbetrieb (push pull) arbeiten. Bei Eintaktbetrieb übersetzt ein Bauelement (Transistor oder Röhre) beide Halbwellen des Signals, die Betriebsart Gegentakt verteilt die Verstärkung der positiven Halbwelle auf den (die) eine(n) Transistor (Röhre), die der negativen Halbwelle auf den (die) andere(n).


Entscheidend für eine gute Signalübersetzung ist allgemein die Wahl und Stabilität des Arbeitspunktes. Sie ist bei kleinen Aussteuerungen am linearsten und kann durch Gegenkopplungen qualitativ noch gesteigert werden. Nachteilig sind die hohen Ruheströme, welche unabhängig von der Höhe der Signalamplitude beständig über die Ausgangstransistoren oder -röhren fließen. Die Wahl der Ausgangstransistoren bei Gegentaktbetrieb ist entsprechend kritisch, da gut aufeinander abgestimmte Komplementärtransistoren zum Einsatz kommen müssen. Anderenfalls ist die Signalübersetzung der positiven und negativen Halbwelle nicht symmetrisch und es kommt zu (Übernahme-)Verzerrungen.


In Röhrenendstufen kommen für die Impedanzanpassung der Last Transformatoren als Ausgangsübertrager zum Einsatz, welche bei hohen Leistungen und großer Bandbreite erhebliche Abmessungen aufweisen können. Die bei Eintaktstufen auftretende Belastung des Ausgangstransformators mit dem in ausschließlich einer Richtung fließenden Ruhestrom und die daraus resultierende Erzeugung eines statischen Magnetfeldes würde bei zusätzlicher Überlagerung des Ruhestromes mit dem Signalwechselstrom eine einseitig stärker begrenzte Aussteuerung des Trafos zur Folge haben. Geschlossene magnetische Kreise aus einem hochpermeablen Material hätten hier zwar den Vorteil der hohen Induktivität und damit einer Verringerung der Windungszahl sowie der Größe des Trafos, aber gleichzeitig den Nachteil der starken Vormagnetisierung in einer Richtung. Deshalb werden bei Class-A-Eintakt-Röhrenendstufen Ausgangsübertrager mit definiertem Luftspalt eingesetzt, welche nicht oder nur gering in die Sättigung gebracht werden können.


Heute trifft man vornehmlich Endstufen nach Class-AB an, die bei entsprechenden Gegenkopplungen zur Linearisierung neben einem guten Klirrverhalten auch eine gute Leistungsabgabe bei akzeptablem Wirkungsgrad bieten. Sie sind, wie heutzutage fast alle Endstufen, mit ausgangsseitigem Schutz vor Kurzschluss bzw. zu hoher Stromabgabe als auch vor thermischer Überlastung ausgelegt. Ihre Arbeitspunkte sind häufig über Regelstufen und eine entsprechende Gegenkopplung stabilisiert. Dies dient nicht nur der Stabilisierung sondern auch der Linearisierung der Übertragungskennlinien. Der prinzipielle Aufbau ist im Elektronikteil des Abschnittes III zu finden.

Aktive Filter

Findet der Vorgang der Signalübertragung oder -verstärkung zwischen Eingang und Ausgang frequenzselektiv statt, spricht man vom Filter.


Die Einordnung von Filtern richtet sich nach:

  • dem Frequenzbereich bzw. dem Selektionsverhalten (Hoch-, Tief-, Bandpass und Bandsperre),

  • der Schaltungstechnik und den verwendeten Filterbauelementen,

  • der Übertragungsfunktion und der Flankensteilheit.


Das Filter ist eine Baugruppe, welche in das Amplitudenspektrum als auch in das Phasenspektrum, eines Signals eingreift. Im Gegensatz zu rein passiven Techniken mit resistiven und reaktiven Bauelementen, kommen bei den aktiven Filtern Verstärker hinzu, welche es nicht nur ermöglichen, die Verluste der passiven Glieder auszugleichen, sondern auch die einzelnen Stufen durch ihre hohen Eingangs- und niedrigen Ausgangswiderstände voneinander zu entkoppeln. Mehrere Stufen sind somit hintereinander schaltbar, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Zudem lassen sich höhere Flankensteilheiten sowie höhere Gütefaktoren erzeugen.


Mit Hilfe des Einsatzes von Verstärkern sind die für den NF-Bereich groß zu dimensionierenden Induktivitäten zu vermeiden. Sie lassen sich durch Gyratoren simulieren. Es kommt noch hinzu, dass entsprechende Simulationen auch durchstimmbare Induktivitäten oder Kapazitäten mit hohen Werten ermöglichen. Während in passiven Netzwerken die Parameter Anhebung und Absenkung, Frequenz und Güte voneinander abhängen, ist es mit aktiven Filtern möglich, diese unabhängig voneinander zu verändern. Die Berechnung ist im Allgemeinen auch einfacher.


Die Eigenschaften von in der tontechnischen Praxis anzutreffenden Filtern und EQs richten sich nach psychoakustischen Erkenntnissen als auch nach dem Klangverhalten mechanischer Vorbilder, wie z.B. Helmholtz-Resonatoren, Absorbern u.ä. Die mechanischen Funktionselemente der Akustik lassen sich durch die Vereinheitlichung der Schwingungslehre auch in der elektrischen Ebene durch Spulen, Kondensatoren und Widerstände nachbilden. Sie entsprechen den mechanischen Elementen der Masse, der Feder und des Reibungswiderstandes. Als Analogie zum Verständnis (vornehmlich passiver) elektrischer Filter kann man jederzeit den mechanischen Schwingungsvorgang betrachten und Rückschlüsse auf die elektrische Wirkungsweise ziehen. In der folgenden Tabelle 7 sind die Analogiebeziehungen mechanischer und elektrischer Schwingungsgrößen einmal gegenübergestellt. Nicht nur bei der Beschreibung von Filtern sondern auch bei der Analyse von Oszillatoren und Schwingungsvorgängen im Allgemeinen lässt sich die Betrachtungsweise vereinheitlichen. Wie wir bereits im Abschnitt V.1. angedeutet haben, kann nämlich mit Hilfe der Rückkopplung eines aktiven Filters schnell auch Oszillation entstehen, beide Baugruppen sind sich sehr ähnlich.

Tabelle 7

 

vgl. Heribert Stroppe, Physik für Studenten der Natur- und Technikwissenschaften, S. 262 

Generell sind Filter mit Hilfe von Übertragungsfunktionen beschreibbar, welche bereits im Abschnitt III.5.1. am Beispiel des passiven RC-Tiefpasses erläutert worden sind. Passive Filter mit dem ausschließlichen Einsatz von R und C bzw. R und L weisen immer eine Dämpfung auf. Will man Resonanzverhalten erzeugen, eignen sich vor allem LCR-Kombinationen sowie aktive RC-Filter, wodurch der Einsatz großer Induktivitäten für den NF-Bereich umgangen werden kann. Höhere Ordnungen lassen sich generell durch das Hintereinanderschalten von einzelnen Filtern realisieren, es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, wie zum Beispiel aktive Filter mit Mehrfachgegenkopplung. Die Übertragungsfunktionen können verallgemeinert werden. Der Grad der vorkommenden Polynome bestimmt die Ordnung, die Koeffizienten die Charakteristik des entsprechenden Filters, also deren Einordnung nach Gauß, Bessel, Butterworth, Tschebyschev,...


Die Charakteristik eines Filters beschreibt die Optimierung dessen Übertragungsfunktion hinsichtlich bestimmter Parameter wie z.B. Amplitudenfrequenzgang, Impulsverhalten, Phasenfrequenzgang und Gruppenlaufzeit. Hier muss generell zwischen den Anforderungen hinsichtlich der Unterdrückung der nichtgewünschten Frequenzen sowie dem Einschwingverhalten unterschieden werden.


Diese Optimierungen ergeben sich aus den Dämpfungsgraden der die freie gedämpfte Schwingung beschreibenden Differentialgleichungen.


Für die Einordnung des Filters nach Gauß (entspricht passiv) gilt, dass die Antwort des Filters auf eine plötzliche Eingangsspannungsänderung kein Überschwingen zeigt. Ihr Einstellverhalten ist relativ träge. Der Übergang vom Durchlass in den Sperrbereich ist flach.


Beim Bessel-Filter ist die Gruppenlaufzeit über einen bestimmten Frequenzbereich konstant, d.h. die Phasenverschiebung verhält sich proportional zur Frequenz. Dadurch ergibt sich ein optimales Rechteckübertragungsverhalten. Das Filter weist fast kein Überschwingen auf, welches bei höherer Ordnung immer mehr verschwindet, die Einstellzeit ist kurz. Dieses Filter eignet sich besonders zur genauen Impulswiedergabe. Jedoch verläuft auch hier der Übergang zwischen Durchlass- und Sperrbereich flach, aber steiler als bei der passiven Variante.


Ein Filter nach Butterworth-Charakteristik ist hinsichtlich des Amplitudenfrequenzganges optimiert. Dieser verläuft über einen möglichst großen Bereich flach und knickt erst kurz vor der Grenzfrequenz scharf ab. Sein Sperrverhalten ist gegenüber dem Gauß- und Bessel-Filter wesentlich verbessert. Nachteilig ist, dass diese Optimierung ein stärkeres Überschwingen der Sprungantwort zur Folge hat und die Gruppenlaufzeit nicht mehr konstant ist.


Steht das Sperrverhalten im Vordergrund kann mit dem Tschebyschev-Filter bei weiterer Verschlechterung des Impulsverhaltens ein noch steilerer Übergang vom Durchlass- in den Sperrbereich erzeugt werden. Dieses Filter weist jedoch bereits im Durchlassbereich durch nicht konstante Gruppenlaufzeit eine bestimmbare Welligkeit auf, der Amplitudenfrequenzgang ist nicht mehr monoton. Die Sprungantwort ist durch ein noch stärkeres Überschwingen gekennzeichnet, welches durch eine Erhöhung der Welligkeit noch zunimmt.


Wie die entsprechende Übertragungsfunktion zu ermitteln ist, findet man ansatzweise im Elektrotechnik-/Elektronikteil dieser Themenwelt.

Die Ermittlung der Übertragungsfunktion sei hier am Beispiel der Sallen & Key Filter erklärt:

Abbildung II-26, Sallen&Key Filter mit 0dB Verstärkung

 

Voraussetzungen:

 

Schlussfolgerungen:

 

In Abhängigkeit der Beschaltung mit z.B. Kapazitäten ergeben sich Tief- bzw. Hochpass-charakteristik. Hierbei handelt es sich um Filter 2. Ordnung:

Tiefpass:

Abbildung II-27, Sallen&Key Tiefpass

 

Hochpass:

Abbildung II-28, Sallen&Key Hochpass

 

Weiterhin ist es möglich, den Verstärkungsgrad zu bestimmen, indem nur ein Teil der Ausgangsspannung gegengekoppelt wird:

 

Tiefpass:

Abbildung II-29, Sallen&Key Tiefpass mit variabler Verstärkung

 

Hochpass:

Abbildung II-30, Sallen&Key Hochpass mit variabler Verstärkung

 

Der durch das Spannungsteilerverhältnis bestimmte Verstärkungsgrad ergibt die Einordnung des jeweiligen Filters nach:

 

Regelverstärker

Die Kontrolle des Pegels der Übertragungsstrecke ist seit jeher von größter Bedeutung für die Signalqualität. Übersteuerte Verstärker, Aufzeichnungsmedien, Schallwandler, Sendeeinrichtungen oder A/D- bzw. D/A-Wandler verursachen Signalverzerrungen unterschiedlichster Art, die entweder unangenehm klingen, die Aufnahme zerstören oder schlechtesten Falles auch zur Beschädigung relevanter Baugruppen führen können. Die Kehrseite ist der Fall der Untersteuerung des Mediums, des Verstärkers usw. Dies führt zur Verschlechterung des Rauschabstandes, wodurch regelmäßig ebenfalls eine starke Einschränkung der Signalqualität gegeben ist.


Um die Pegel nicht ständig manuell überwachen zu müssen, hat man automatische Pegelregelungen erschaffen, welche diese Aufgabe mehr oder weniger zuverlässig übernehmen. Heute werden die eingesetzten Regelverstärker zusätzlich für das Sounddesign und als Stilmittel genutzt, vom „Lautheitswahn“ mal ganz abgesehen...


Um Verstärkungsvorgänge pegelabhängig zu gestalten, werden aus dem zu bearbeitenden Signal Steuerinformationen gewonnen, mit deren Hilfe die Regulierung der Pegelübertragung vom Eingang auf den Ausgang der Übertragungsstrecke möglich ist.

Abbildung II-31


Zu unterscheiden sind prinzipiell:

  • Kompression,

  • Limitierung,

  • Expansion

  • Gating.

Kompression ermöglicht die zeitlich regelbare Verringerung der Pegeländerungen ab einem bestimmten Schwellwert meist mit anschließender Kompensation des Spitzenpegels. Limiting ist die strikte, ebenfalls zeitabhängige Begrenzung von Pegeln oberhalb eines bestimmten Schwellwertes und ist eigentlich nichts anderes als ein Spezialfall der Kompression. Expansion ist die zeitlich regelbare Erweiterung der Programmdynamik durch die Erhöhung von Signalpegeländerungen unterhalb (downward-expansion) oder oberhalb (upward-expansion) eines bestimmten Schwellwertes. Im ersten Fall werden damit leise Signalanteile leiser, im zweiten Fall laute Signalanteile lauter. Das Gating, welches eigentlich auch nur ein Spezialfall der Expansion des Signals darstellt, ist strenggenommen die zeitlich steuerbare Entfernung von Signalanteilen, deren Pegel sich unterhalb eines bestimmten Schwellwertes befindet. Für die Generierung des Steuersignals wird in den meisten Fällen mit Gleichrichtern gearbeitet.


Das durch entsprechendes Regelverhalten eventuell verstärkte oder gedämpfte Signal lässt sich am Ausgang des gesamten Regelsystems nochmals im Pegel verändern, um es dem Nominalpegel der Verarbeitungsstrecke wieder anzugleichen.


In Regelverstärkern sind bestimmte Baugruppen vorhanden, welche eine entsprechende Auswertung und Steuerung realisieren sollen.


Diese Baugruppen sind in erster Linie: der Spannungsgesteuerte Verstärker bzw. die in der Impedanz steuerbare Übertragungsstrecke, der Messgleichrichter und die Zeitglieder evtl. mit zugehöriger Konstantstromquelle zur Linearisierung des Verlaufs der Umladevorgänge. Die Linearisierung der Steuerkennlinie kann durch Logarithmierer bzw. Exponentiator realisiert werden. Die Ausgangsspannung einer solchen Baugruppe ist dann vom Logarithmus bzw. der Potenz des Signalpegels abhängig. Die Detektion der Pegel über bzw. unter dem Schwellwert kann mittels Spitzenwerterfassung als auch durch Mittelwertbildung erfolgen.


Die Regelung kann sowohl vorwärts als auch rückwärts realisiert werden. Entscheidend für diese Unterteilung ist, an welcher Stelle im Signalfluss die Steuerinformation gewonnen wird. Im ersten Fall wird das Steuersignal vor der Regelstufe detektiert, im zweiten Fall dahinter.

Abbildung II-33

Beide Verfahren haben unterschiedliche Regel- als auch Klangcharakteristik zur Folge: Bei der Rückwärtsregelung läuft der Regelvorgang dem Signalverlauf prinzipbedingt hinterher, während die Vorwärtsregelung in der Lage ist, die Regeleinrichtung so schnell anzusprechen, dass die erforderliche Begrenzung vor Eintreffen der Signalspitze bereits eingestellt werden kann. Da es sich hier um eine analoge Übertragungsstrecke handelt, ist dies jedoch nur bedingt mit der digitalen „look ahead“ Funktion vergleichbar. Die entsprechenden Zeitintervalle sind bei analoger Übertragung wesentlich kürzer und richten sich lediglich nach dem Ansprechverhalten der verwendeten (Operations-)Verstärker. Zusätzlich ist das harte Einsetzen des Regelverhaltens normalerweise nicht erwünscht, da es zur unmittelbaren Verzerrung führt, weswegen die Zeitglieder die Regulierung der Ansprech- und Abfallzeit ermöglichen.


Der prinzipielle Aufbau von Regelverstärkern ist in Abbildung II-32 zu sehen.


Eine weitere Einteilung der Kompressoren, Limiter, Gates und Expander nimmt man nach den Verfahren der Dämpfung bzw. Verstärkung vor:


Hier sind in der Historie verschiedenste Ansätze der Beeinflussung des Übertragungsweges und der Regelspannungserzeugung entwickelt worden. Die Änderung der Dämpfung der Übertragungsstrecke kann z.B. durch VCAs in integrierter Form, FETs, BPTs, lichtabhängige Widerstände, Phototransistoren oder Photodioden erfolgen, die Amplitudenbegrenzung kann mittels verschiedener Diodenarten (Silizium, Germanium) realisiert werden. Hier haben sich vielfältige, stark klangbeeinflussende Methoden etabliert, welche für den einen oder anderen Einsatzzweck mehr oder weniger geeignet sind.

Summierer

Prinzipiell kann die Signalsummierung, ebenso wie die gesamte Auslegung des Übertragungsweges, symmetrisch als auch unsymmetrisch durchgeführt werden. Unsymmetrische Ausführungen haben kostenseitig Vorteile, jedoch Nachteile hinsichtlich der Rauscheigenschaften, Übersprechen, Gleichtaktunterdrückung und Störanfälligkeit. In der Praxis wird in den meisten Fällen nur mit unsymmetrischen Summierungen gearbeitet, da anderenfalls die symmetrische Auslegung der Kanalausgänge sowie eine konsequente symmetrische (verdrillte) Leitungsführung innerhalb des Bussystems notwendig ist, damit die genannten Vorteile zum Tragen kommen.
 

Aktivsummierer

Abbildung II-33

Der aktive Summierer wird aus einem Operationsverstärker in invertierender Betriebsart gebildet. Sein Ausgangssignal ist die invertierte Summe der Eingangssignale. Den Summierungspunkt bildet der negative Eingang (virtuelle Masse). Er ist sehr niederohmig. Der Verstärker hält diesen auf Massepotential und muss sämtliche Ströme über diesen Punkt treiben (Stromknoten bzw. Null-Ohm-Knoten). Insgesamt ist die Höhe der Impedanz am Summierungspunkt von der Leerlaufverstärkung des Schaltkreises und von der inneren Schaltungsarchitektur des Operationsverstärkers abhängig. Durch den niederohmigen Summierungspunkt ergibt sich gegenüber dem Passivsummierer ein günstigeres Rauschverhalten als auch eine bessere Isolation der beteiligten Kanäle zueinander. Die Signalquellen können individuell auf den Bus geschaltet werden. Hiermit ändert sich die Gesamtverstärkung des Operationsverstärkers, da die Parallelschaltung der verwendeten Summierungswiderstände R1 bis Rn (und genau genommen auch Ri der Quelle) in Verbindung mit R0die Spannungsverstärkung bestimmen. Es ändert sich im Gegensatz zum Spannungsknoten der Summenpegel jedoch nicht, da bisher aufgeschaltete Quellen durch den jeweils neu aufgeschalteten Kanal mit belastet werden. Während die Verstärkung steigt, nimmt der von jedem Kanal jeweils in den Bus eingespeiste Strom ab. Der Summenpegel bleibt aus diesem Grunde von der Anzahl aufgeschalteter Kanäle unabhängig.


Entscheidend für die Qualität der Summierung ist die Auslegung der Masse im System, da selbst kleine Potentialunterschiede zwischen Kanälen und Summierer mitverstärkt werden und der Summierungspunkt eine sehr empfindliche Stelle darstellt. Außerdem wird sämtliches Rauschen, welches auf der Masseschiene (pos. Eingang) durch den dort fließenden Strom hervorgerufen wird, mitverstärkt. Eine gewissenhafte Führung und sternförmige Verkabelung ist grundlegende Voraussetzung für ein einigermaßen rauschfreies Summensignal. Auch die hohe Gleichtaktunterdrückung des Verstärkers kann zur Rauschunterdrückung genutzt werden. Das Massepotential des zugeschalteten Kanals kann (über Widerstände) an das des Summierers gekoppelt werden. Dazu wird die Masseschiene entlang des Summenbusses mitgeführt und lokal jede Kanalmasse (über einen Widerstand) an dem jeweiligen Knotenpunkt von Bus und Kanalausgang mit dieser verbunden. Die Fähigkeit des Operationsverstärkers, sämtliche Ströme über den Stromknoten zu treiben, ist ebenfalls ein entscheidendes Qualitätskriterium. Gelegentlich erhöhen deshalb zusätzliche Transistoren hinter dem Ausgang des Operationsverstärkers die für die Aufrechterhaltung der niedrigen Impedanz des Summierungsknotens erforderliche Leistung.

 

Passivsummierer

Abbildung II-34

Der passive Summierer verwendet den Operationsverstärker im nichtinvertierenden Betrieb. Die Spannungsverstärkung („noise gain“) entspricht dem über Rk auftretenden Spannungs- bzw. Signalverlust. Sie wird so eingestellt, dass die Gesamtverstärkung ca. 0dB oder auch –6dB beträgt, letzteres um vor allem den Summenverstärker vor Übersteuerung zu schützen. Die Summierungswiderstände Rk sind auch hier für die Isolation der Kanäle untereinander zuständig und vermindern die gegenseitige Belastung der auf den Bus geschalteten Quellen. Im Gegensatz zum Stromknoten muss die Anzahl der Quellen auf dem Summierungspunkt jedoch konstant bleiben, da jede neu aufgeschaltete Quelle eine zusätzliche Belastung der bisherigen Kanäle darstellt, die Verstärkung jedoch nicht von der Anzahl der Quellen abhängig ist, sondern nur durch R1 und R2 bestimmt wird. Jeder weitere zugeschaltete Kanal verringert die Busimpedanz. Der Summenpegel nimmt deshalb bei der Zuschaltung zusätzlicher Quellen ab bzw. bei deren Abschaltung zu und kann, wie auch die Busimpedanz, lediglich durch den Einsatz eines Widerstandes zur „Simulation“ der abgeschalteten Quelle konstant gehalten werden.