Special: Digitale Wandler und Interfaces

Audio-Interfaces und Wandler bestimmen die Qualität eurer Aufnahmen entscheidend. In unserem großen Special erläutern wir die technischen Hintergründe und geben Tipps zur Auswahl der richtigen Geräte.

Die ab Werk verbauten Wandler und Audio-Ein-/Ausgänge eines herkömmlichen Computers reichen vielleicht gerade noch aus, wenn man bloß Songs skizzieren will oder am Laptop elektronische Musik produziert.

Wer als Musiker mit dem Computer Aufnahmen erstellen will, die das Niveau von Amateuren überschreiten, kommt an einem zusätzlichen Audio-Interface beziehungsweise AD/DA-Wandlern in der Regel nicht herum.

Das Kürzel "AD/DA" steht in diesem Falle für die Richtung der jeweiligen Wandlung: "Analog > Digital" beziehungsweise "Digital > Analog". AD/DA-Wandler sorgen dafür, ein kontinuierliches analoges Signal (Schall, elektronische Wechselspannung etc.) in ein diskretes digitales Signal (Bit-Strings) zu überführen – und umgekehrt. AD/DA-Wandler kann man als Element eines Audio-Interfaces erwerben, das dann meist auch noch weitere Funktionen wie etwa Mikrofon-Vorverstärker, Monitoring-Features und mehr bietet. Oft sind sie bereits Teil des Audio-Interfaces selbst.

Signal-Wandlung

Ein guter Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass er möglichst viele der Informationen, die im analogen beziehungsweise digitalen Signal enthalten sind, korrekt in die jeweils andere Domäne überführt.

Laut der gebräuchlichen Definition des US-amerikanischen Mathematikers Claude Shannon trägt ein Signal dann Information über eine Quelle, wenn wir den Zustand der Quelle durch das Signal vorhersagen können.

Demnach kann – einer noch etwas eingeschränkteren Definition gemäß – alles als Quelle von Information dienen, das eine Zahl verschiedener Zustände aufweist, die unter bestimmten Umständen realisiert werden können. Im technischen Sinne ist Information aber eine geordnete Folge von Symbolen, die eine Nachricht festhalten oder übertragen. Bereits die Schallwellen, die zum Beispiel entstehen, wenn die Saite eines Instruments angeschlagen wird, tragen Information.

Wenn diese Information später im Rechner als Bits und Bytes vorliegt, hat sich lediglich das Medium der Information geändert. ein AD-Wandler entnimmt einem analogen Signal in regelmäßigen Abständen proben (engl.: "Samples"). Dies geschieht durch Abtasten eines Signals, dessen Frequenz sich dann als Sample-Rate angeben lässt.

Einfluss von Sample-Rate und Bit-Tiefe

Dieses Abtasten und damit die Auflösung des Signals unterliegen immer bestimmten Beschränkungen. So kommen bei der Wandlung zum Beispiel sogenannte Sample-and-hold-Schaltungen zum Einsatz, die eine Wellenform zu einem gegebenen Zeitpunkt abtasten und dann einen gewissen Zeitraum benötigen, um das Signal zu wandeln. Aus diesem Grund wird je ein Spannungswert für einen gewissen Zeitraum gehalten. Resultat dieser Technik ist die typische digitale Treppencharakteristik.

Theoretisch stellt dieser durch eine Sample-and-hold-Schaltung gewonnene Signalverlauf immer einen Verlust an Genauigkeit dar. Praktisch erlaubt der Stand der Technik allerdings Sampling-Auflösungen, die der normale Hörer nicht mehr von analogen Signalen unterscheiden kann.

Zu den wichtigsten Merkmalen digitaler Audio-Aufnahmen zählen Bit-Tiefe und Sample-Rate. Der Bit-Wert bestimmt den theoretisch möglichen maximalen Dynamikbereich der Audiodaten. Wobei jedes zusätzliche Bit die Dynamik des Audiosignals um 6 dB erweitert.

Das heißt zum Beispiel, dass mit einer größeren Bit-Tiefe leise Signale besser eingefangen werden können. Je größer die Bit-Tiefe, desto mehr Headroom steht zur Verfügung. CD-Qualität erreicht man bereits mit 16 Bit.

Die Sample-Rate (deutsch: Abtastrate) gibt in Kilohertz Auskunft über die Frequenz, mit der die Analog-Digital-Wandler dem anliegenden Audiosignal Samples entnehmen. Bei Audio-CDs beträgt die Auflösung 44,1 kHz – dem anliegenden Audiosignal werden hier pro Sekunde 44.100 proben entnommen.

Neben der Bit-Tiefe und Sample-Rate gibt es weitere Faktoren, die die Wandlung eines Signals (negativ) beeinflussen können. Hierzu zählt etwa das Aliasing-Verhalten, sprich: die Höhe sogenannter Scheinfrequenzen, die im Zuge einer AD-Wandlung auftreten, wenn mehrere Samples durch denselben Wert repräsentiert werden oder die Abtastrate das Abtasttheorem nicht erfüllt (siehe Kasten "Nyquist-Shannon-Theorem").

Aliasing-Fehler können sich in Störgeräuschen äußern. Ein anderer Faktor ist das Phänomen "Jitter". Dieses lässt sich am besten in Abgrenzung zur Latenz beschreiben: Während der Begriff "Latenz" konstante Verzögerungen zwischen einem Ereignis A (etwa Dateneingang) und einem wahrgenommenen Ereignis B (etwa Audiowahrnehmung) bezeichnet, verweist der Begriff "Jitter" auf eine nichtkonstante Streuung. Das heißt, zwischen Ereignis A und B kommt es wie bei Latenzproblemen zu einer Verzögerung, diese variiert aber in ihrer Länge.

Während eine bestimmte Latenz also in einem gegebenen Setup stets zu einer Verzögerung von, sagen wir, 3 ms führt, liegt der Abstand, wenn Jitter auftritt, zwischen Ereignis A und B mal bei 2 ms, dann aber bei 5 ms, bei 3 ms und so weiter. Relevant sind diese Verschiebungen unter anderem, wenn sie vom festgelegten Taktsignal des Wandlers abweichen und so zu Artefakten führen. 

Mehr darüber, wie ihr digitale Wandler und Audio-Interfaces richtig auswählt, erfahrt ihr hier.