Im folgenden ist beschrieben, wie ein Audiosignal
auf CD aufgezeichnet wird und wieder in Schall zurückgewandelt
wird:
Die Rückwandlung:
Es gilt: 
(gesprochen c=a
und b)
Rechenregel: 
| a | b | c |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Bei einem logischen AND ist das Ergebnis nur
dann eins, wenn alle Eingänge auf eins sind.
Es gilt: 
Rechenregel: 
| a | b | c |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Bei einem logischen EXNOR ist das Ergebnis immer dann eins, wenn
beide Eingänge unterschiedlich sind.
| a | b | c |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Es gilt: 
(gesprochen c=a
oder b)
Rechenregel: 
| a | b | c |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Bei einem logischen OR ist das Ergebnis immer dann eins, wenn
mindestens 1 Eingang auf eins ist.
Es gilt: 
| a | b | c |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
| a | b | c |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Das D-Flip-Flop funktioniert nach folgendem Prinzip:
Bei jedem Taktwechsel liegt an Q das an, was an D anliegt, solange
bis CP sich ändert. Der Ausgang Q "merkt" sich
das Signal von D zum Zeitpunkt des Taktwechsels. Ändert sich
CP, wird Q aktualisiert.
Beispiel:
Das D-Flip-Flop findet Anwendung bei Geräten mit Status-LED´s (die meisten Studiogeräte). An dem Ausgang Q ist eine LED angeschlossen, die z.B. signalisieren soll, ob das Gerät in einem bestimmten Modus ist. Mit Hilfe des D-Flip-Flop´s wird ein Taktwechsel an CP angelegt, und die LED aktualisiert sich.
Der Komparator hat das Symbol
Der Komparator besitzt 2 analoge Eingänge und
einen "digitalen" Ausgang. Der Baustein arbeitet nach
der Rechenvorschrift:
Ist die Spannung an + größer als die Spannung an -, so ist das Ergebnis gleich 1.
Ist die Spannung an - größer als die Spannung an +, so ist das Ergebnis gleich 0.
Das BCD-Format wurde entwickelt, um Dezimalstellen
einfacher darstellen zu können. Für jede Dezimalstelle
gibt es 4 Bits. Zum Beispiel ist die Dezimalzahl 1 im BCD-Format
0001, die 3 ist 0011
Wie stellt man eine Sinusschwingung dar ?
Möglichkeit 1: Der größte negative
Wert ist Null. Problem: Bei Addition wird das Ergebnis verfälscht.
Möglichkeit 2: Zweier Komplement
(Der Strich bedeutet invertieren.
Hier ein Beispiel:
Die gesuchte Zahl ist -4
+4 ist 0100
Invertieren 1011
+1 (s. Formel) 1100
Hier eine Übersicht der 2er Komplemente bei 4 Bit:
| -8 | 1000 |
| -7 | 1001 |
| -6 | 1010 |
| -5 | 1011 |
| -4 | 1100 |
| -3 | 1101 |
| -2 | 1110 |
| -1 | 1111 |
| 0 | 0000 |
| 1 | 0001 |
| 2 | 0010 |
| 3 | 0011 |
| 4 | 0100 |
| 5 | 0101 |
| 6 | 0110 |
| 7 | 0111 |
Es gilt: Ft > 2Fs, Ft = Abtastfrequenz,
Fs = Signalfrequenz,
Abbildung 2
Das Nyquist theorem besagt: Die Abtastfrequenz muß
doppelt so hoch sein, wie die höchste im Signal vorhandene
Frequenz. Um das Theorem nicht zu verletzen, schaltete man in
den Anfängen der Digitaltechnik einen Tiefpassfilter vor
den A/D Wandler , der nur Frequenzen <= 20 kHz passieren lies.
Ein normaler Filter funktioniert hier nicht, da er nur eine Flankensteilheit
von 6 dB pro Oktave hat. Man nahm einen Parrallelschwingkreis.
Dieser hat bei seiner Resonanzfrequenz einen unendlich hohen Widerstand.
Man nennt dies auch einen T2-Filter (s. Zeichnung).
Aber auch ein T2-Filter verfälscht die Phasenlage
eines Signals. Daher sampelt man heutzutage nicht mit 44,1 kHz,
sondern mit einem vielfachen von diesem, z.B. 88,2 kHz. Dies nennt
man Oversampling. Durch die verdoppelte Abtastfrequenz sind Filter
mit hoher Flankensteilheit nicht notwendig.
Bei geschlossenem Schalter (Samplemodus) soll sich der Kondensator möglichst schnell aufladen.
Wenn der Schalter geöffnet ist (Hold), soll der Kondensator möglichst lange geladen bleiben.
Es werden zwei Operatiosnverstärker benötigt,
für die Entkopplung.
(Zeichnung auf der nächsten Seite)
Die Sample & Hold Schaltung hält das Signal, welches zum Zeitpunkt des Schalterschließens anliegt.
In der Acquisition Time (Einschwingungsvorgang) kann nicht gewandelt werden. Der Schalter braucht eine gewisse Zeit, um sich zu öffnen (aparture delay), dies ist abhängig von der Signalspannung (aparture jitter). Nach dem öffnen des Schalters erfolgt die setting time. Weil der Schalter geöffnet ist, muß sich das System erst darauf einrichten.
Nach dem öffnen des Schalters kann sich das
Audiosignal ja trotzdem weiter verändern, dies wird dem Signal
beigemischt (feed through).
Die verschiedenen Wandlerschaltungen (s. folgende
Seiten) arbeiten fast immer mit Schaltern Bei einem Schalter kann
die Ausschaltzeit größer sein als die Einschaltzeit,
im Klartext: Ein Schalter braucht z.B. länger, um zu öffnen,
als sich zu schließen. Bedenkt man, das bei einer Abtastfrequenz
von 44, 1 kHz mit 2fach Oversampling der Schalter sich 132 300
mal in der Sekunde öffnen und schließen muß,
kann dieser Zeitunterschied schon sehr ins Gewicht fallen. Diese
Effekte nennt man Glitches. Um die Glitches auszublenden,
ist ein Sample & Hold nötig. Die Sample & Hold Schaltung
nennt man in diesem Fall "DeGlitcher".
Für eine optimale A/D Wandlung ist es nötig,
daß die Abtastmomente in gleichmäßigen Zeitabständen
erfolgen. Wenn zeitliche Schwankungen passieren, wird das Signal
verfälscht. Um dies zu verhindern, benutzt man hochwertige
Oszillatoren, die sehr genau arbeiten. Es kann jedoch passieren,
das diese von einem Störsignal moduliert werden (z.B. 50
Hz Signal vom Wechselstrom). Dann ist bei der Wiedergabe des digitalisierten
Signals die Modulationsfrequenz zu hören.
Abbildung 3
Alle Signale unter 0,5 Volt sind 0, alle Signale
über 0,5 Volt sind 1 usw. Solange die Abstände gleichmäßig
sind, spricht man von einer linearen Quantisierung. Weil aus 0,7
V als auch aus 1,3 V binär eine 1 wird, spricht man von einem
Quantisierungsfehler. Dieser ist immer 
½ LSB.
Bei höherer Auflösung (z.B. 8 Bit) wird
der Quantisierungsfehler geringer.
Die SignalToNoise-Ratio, also der Abstand zwischen lautestem Signal und rauschen (auch Dynamikumfang genannt) berechnet man :
Durch übersteuern im digitalen Bereich wird
das Signal abgeschnitten
Ein Beispiel zu der Formel:
Die Auflösung ist 16 Bit. Also gilt:
s/n = 16 * 6 + 1,8
s/n = 97,8 dB
Dies ist aber leider nur ein theoretischer Wert.
Denn man muß noch folgendes beachten:
Abbildung 4
Daraus ergibt sich: Der wirklich nutzbare Bereich ist ungefähr 70 dB.
Bei einer Sinusschwingung wird der Quantisierungsfehler
regelmäßig. Daher benutzt man das Dithering: Bei der
Wiedergabe fügt man dem Signal Rauschen hinzu. Dadurch wird
der Quantisierungsfehler zufällig, und nicht als störend
empfunden.
Zählverfahren
Der Nachteil bei dem Zählverfahren: Es ist für
Audioanwendungen allgemein zu langsam, da die Schaltung bei jedem
Sample hochzählen muß
Waegeverfahren
Das Waegeverfahren findet in nahezu allen Effektgeräten Anwendung. Es wird nicht einfach hochgezählt, sondern jedes Bit durchgetestet.
Bei einem DAT-Rekorder mit 48 kHz / 16 Bit treten 768 Kbit in der Sekunde auf (MONO).
Daher ist es sinnvoll, die Daten zu reduzieren. Es
gibt verschiedene Verfahren bei der Datenreduktion:
Bei diesem Verfahren sind die zeitlichen Abstände
der Abtastung nicht gleichmäßig. Die Abstände
werden mit zunehmender Spannung größer und es passieren
mehr Fehler. Die Fehler hört man aber nicht sehr stark, da
das Verhältnis Signal zu Fehler gleich bleibt.
Anwendung:
- DAT im Longplaymodus. Daraus ergibt sich: 32 kHz
/ 12 Bit. Es fallen nur noch 364 Kbit / s an. Die Reduktion erfolgt
direkt beim Wandeln.
Anmerkung
Es gibt auch Systeme, die 16 Bit linear Quantisieren und erst nach dem Wandeln die Daten reduzieren ( z. B. Video 8).
Bei diesem Verfahren benutzt man eine Auflösung
von 10 Bit. Es wird nur der Unterschied zum vorherigen Signal
gespeichert. Diese Methode hat sich jedoch nicht durchgesetzt,
ist aber nützlich für eine Fließkommadarstellung.
Anwendung:
Übertragung von digitalen Fernsehtönen.
Das System arbeite mit 32 kHz / 14 Bit. Es werden
32000 Samples auf einmal analysiert. Aus den 32 Samples wird das
Sample mit der größten Amplitude herausgesucht. Danach
richten sich die anderen Samples
Das System arbeitet nach drei Gesichtspunkten:
- Irrelevanz (basierend auf dem Verdeckungseffekt,
nicht wahrnehmbare Anteile werden weggelassen)
- Redundanz (einfachere Darstellung der Audiosignale.
Statt fortlaufende Abtastwerte zu speichern, werden nur die Phase,
Amplitude und Frequenz gespeichert).
- Entropiecodierung (Gleiche Werte, die häufiger
vorkommen, werden durch ein Codewort ersetzt)
Von dem ISO / MPEG System gibt es 3 Versionen:
Layer 1: 383 Samples / 32 Bänder (Simplified Musician). Es fallen nur noch 192 Kbit / s an.
Layer 2: 1152 Samples./ 32 Bänder./ 128 Kbit / s. Anwendung: Musicam / DAB
Layer 3: 1152 Samples / 32 Bänder / 64 Kbit / s. Anwendung: digitale Audioübertragung mit ISDN
Es muß erkannt werden, daß ein Fehler
vorliegt. Zudem muß der Fehler korrigiert werden können
und im Notfall verdeckt werden.
Eine Möglichkeit der Fehlerkorrektur ist das
Paritätsbit. Zu jedem Datenwort wird ein Paritätsbit
hinzugefügt, und zwar so, daß die Anzahl der im Datenwort
vorhandenen 1en gerade bzw. ungerade ist. Hat man sich auf "gerade"
geeinigt und kommen z.B. 5 Einsen in dem Datenwort vor, ist das
Paritätsbit auf 1. Damit wird die Anzahl der Einsen auf 6
Stück ergänzt und ist gerade. Sind z.B. schon 6 Einsen
in dem Datenwort enthalten, so ist das Paritätsbit = 0.
Beispiel:
| D0 | 1 |
| D1 | 0 |
| D2 | 1 |
| D3 | 1 |
In diesem Fall wäre das Paritätsbit = 1.
Die Rechenregel lautet:
Tritt nun ein Fehler auf, stimmt das Paritätsbit nicht mehr
mit dem restlichen Datenwort überein und der Fehler wird
erkannt.
Anwendung: Serielle Übertragung im Computerbereich (DFÜ,
RS-232 Übertragung)
Es ist auch möglich, waagerechte Paritätsbits zu benutzen. Dies nennt man dann
| p | |||||
| a | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| b | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| c | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| d | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| p | 0 | 0 | 0 | 1 |
Es passiert ein Fehler...
| p | sp | |||||
| a | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| b | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| c | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| d | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| p | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | |
| sp | 0 | 1 | 0 | 0 |
SP ist ein Syndromwort. Die Daten werden also beim lesen erneut auf Fehler geprüft und das fehlerhafte Bit kann erkannt werden, da das Syndromwort nicht 0 ist.
Es gibt noch viele andere Methoden der Fehlererkennung, jedoch wurde hier nur die Paritätsprüfung als ein Beispiel vorgestellt.
Die Fehlervderdeckung läuft in folgenden Schritten ab:
1. Interpolieren Es wird ein Mittelwert für
das fehlerhafte Datenbyte eingesetzt, basierend auf dem vorherigen
und dem folgenden Datenbyte.
2. letzten Wert beibehalten Falls bei Schritt
Nr. 1 zu viele Fehler hintereinander auftreten, wird der letzte
Wert des letzten heilen Datenbytes beibehalten.
3. Stummschalten Falls bei Schritt Nr. 2 mehr als 30 Fehler hintereinander aufgetreten sind, wird die Audiowiedergabe stummgeschaltet, um digitale Verzerrungen zu vermeiden und die Boxen zu schonen.
Die Kanalcodierung bestimmt, wie die digitalen Informationen
letztendlich auf dem Speichermedium abgelegt werden. Dazu ist
folgendes zu beachten:
1. gleiche / tieffrequente Anteile: Man bildet ein DSW, dabei gilt: 0 = -1V, 1 = +1V
2. höchste Frequenz muß übertragbar sein
3. Taktrückgewinnung, Synchronisation: Da auf dem Speichermedium kein Timecode aufgezeichnet wird, muß der Takt aus den Daten selbst gewonnen werden. Hierfür sind viele Wechsel von 0 und 1 sinnvoll.
4. Fehlerfortpflanzung, Polarität: kann
das Signal invertiert werden ?
Die Vertiefungen nennt man PIT´s. Sie sind 0,833-3,56 m lang und 0,5 m breit. Die Tiefe beträgt 1,5 m.
Das ganze System muß in 2 Richtungen bewegt werden könne. (Spurlage und Brennpunkt). Man nennt dies ein 2-Achsenelement.
Eine CD besteht aus einer langen Spur ähnlich
wie bei der Schallplatte. Der Abstand von einer Spur zur benachbarten
beträgt 1,5 m. Auf eine CD passen 20 000 Spuren. Es wird
immer von innen nach außen gelesen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
muß nach außen hin abnehmen, um eine lineare Bitrate
zu gewährleisten.
Wenn eine neue CD eingelegt wird, muß sich
der Brennpunkt des Lasers auf die Nicht-Pit´s fokussieren.
Dies bestimmt die Ablaufsteuerung. Aber auch während die
CD abgespielt wird ist eine ständige Feinjustierung des Brennpunktes
nötig. Diese wird von den Empfängerdioden berechnet.
Der TRACKING-SENSOR justiert den Laser während
des Abspielens so, daß er genau in der Spur liegt. Wird
aber eine Spur neu angefahren (bei Titelauswahl), so wird der
Schlittensensor aktiv, der für eine Bewegung des Lasers mit
größeren Abständen zuständig ist.
Der DISC-SERVO bestimmt die Drehzahl der CD. Er arbeitet
aufgrund von digitalen Signalen. Trotzdem ist er noch zu ungenau,
daher werden die Daten in einen Puffer gelesen und dann mit dem
Takt wieder ausgelesen.
Das Inhaltsverzeichnis einer CD nennt man TOC
Beschreibung:
TNO: Titelnummer 1-99
Index: 1-99 Unterabschnitte der TNO
Min, Sec, Frame Zeitangaben bezogen auf die Gesamtspielzeit
AMin, ASek, AFrame Zeitangaben bezogen auf den
aktuellen Titel
Der Modus 2 kommt immer nach 98 mal Modus 1
Beschreibung:
Katalognummer der CD: 52 Bit im BCD-Format
AFrame
Beschreibung:
Länderkennung: 12 Bit
Eigentümercode 18 Bit
Aufnahmejahr: 8 Bit, bezogen auf den Titel
Seriennummer der Aufnahme: 20 Bit, bezogen auf den Titel
AFrame
In den Anfängen der digitalen Audiotechnik kam
zur Aufzeichnung der digitalen Daten nur ein Medium in Frage:
Der Videorecorder. Es wurde auf U-Matic aufgezeichnet. Dazu war
ein PCM-Prozessor notwendig, der den Ton in Bilddaten für
VHS umwandelte.
Dazu hier Details zu einem Videorecorder:
Der Videorecorder hat rotierende Köpfe
und eine Schrägspuraufzeichnung
Als R-DAT bezeichnet man die heute üblichen DAT-Rekorder.
Professionelle Geräte (Kaufpreis: ab 10 000 DM) haben 4 Köpfe. " Köpfe dienen dann der Hinterbandkontrolle.
Der Durchmesser der Kopftrommel ist 3 cm.
Bandgeschwindigkeit: 8,15 mm / s (5 mal langsamer als MC)
Kopfrotation: 2000 RPM
Die Breite der Spuren beträgt bei selbstbespielten DATs 13,6 m.
Bei vorgefertigten & bespielten Bändern
stimmen diese Daten nicht. Man benutzt zur Vervielfältigung
ein Verfahren namens Thermo Kontakt Kopie.
Bei den einzelnen Spuren muß Übersprechen verhindert werden. Daher gibt es den Azimuthversatz. Die Spalten der beiden Köpfe sind leicht versetzt. Dadurch kann jeder Kopf nur das lesen, was er auch geschrieben hat.
Die DASH ist eine digitale Mehrspur Bandmaschine.
Wie der Name schon sagt, hat die DASH einen festen Schreib/Lesekopf
und schreibt die Daten in Längsrichtung auf das Band (im
Gegensatz zum DAT-R mit rotierenden Köpfen und Schrägspuraufzeichnung).
Es gibt verschiedene Ausführungen:
Dash 1: Q (Quarter) ¼ " Bänder, 8 Spuren
Dash 1: H (Half) ½ " Bänder, 24 Spuren
Warum hat die Dash H mit doppelter Bandbreite 3 mal
soviel Spuren ? Jedes Band enthält eine feste Anzahl an Analogspuren.
Diese sind breiter als die Digitalspuren.
Dash 2: Q 16 Spuren
Dash 2: H 48 Spuren
Es gibt drei Geschwindigkeiten:
fast 76,2 cm/s
medium 38,1 cm/s
slow 18,05 cm/s
twin Die Daten werden doppelt (auf 2 Spuren) aufgenommen. So ist es möglich, das Band
mechanisch zu schneiden.
Die PD ist die Konkurrenz zu DASH. Während die
Formate der verschiedenen DASH-Ausführungen zueinander kompatibel
waren, hat die PD ein ganz anderes Format. Die Bänder von
PD und DASH können nicht gegenseitig gelesen werden.
¼ " 2 Kanäle
½ " 16 Kanäle
1 " 32 Kanäle
Die Daten werden auf alle Spuren verteilt. Die maximale Auflösung beträgt 20 Bit.
| AES / EBU | SPDIF |
| Signalübertragung ist symmetrisch mit XLR-Steckern | asymmetrische Signalübertragung mit Cinchsteckern |
| high = 2-7 V | high = 0,5 V |
| Abschlußimpedanz: 600 | Absclußimpedanz: 10 K |
| Profianwendung | Homeanwendung |
Vor 1956 wurden schon Kinofilme mit dem Kino-Ton
synchronisiert. Dazu benutze man die Löcher, die auf dem
Film angebracht waren. Als 1956 der erste Videorekorder gebaut
wurde, mußte man sich erneut Gedanken über eine synchronisation
machen.
Erste Erfolge wurden 1963 gemacht. Man zeichnete
mit den sogenannte Control-Pulten einen bestimmten Impuls auf
das Video und Audio Band auf. Dadurch war es möglich, beide
Bänder zu synchronisieren.
1972 wurde der SMPTE / EBU Timecode eingeführt. Die einzelnen Bilder des Filmbandes wurden einfach durchnnummeriert. Dazu kam noch eine genaue Zeitangabe. Um den SMPTE Timecode aufzuzeichnen, gabe es 2 Verfahren:
LTC war nicht geeignet für Videobänder
VITC für Video. Der Timecode wurde in die sogenannte Austastlücke aufgezeichnet. Wenn der
Elektronenstrahl des Fernsehers den rechten unteren Bildrand erreicht hat, muß er wieder in die linke
obere Ecke wandern In dieser Zeit ist keine Bilddarstellung möglich. Dafür kann man hier den
Timecode aufzeichnen.
Es gibt vewrschiedene Fernsheformate:
30 Frames / s : schwarz/weiß USA
29,97 Fr / s: Color USA = NTSC
25 Fr / s: Europe
24 Fr / s Film
Schaut man sich das Color-Format für die USA
an, stellt man fest, daß die 29,97 Frames / s keine gerade
Zahl sind. Durch diese "krumme" Zahl ergibt sich ein
Problem. Da es nur 2 Zustände gitb, nämlich Bild oder
kein Bild, ist es unsinnig, 29,97 Frames / s anzugeben. Dazu gibt
es das Dropframe. Man schiebt es nach bestimmten Regeln zwischen
die vorhanden Frames, und kommt somit wieder auf ganze Zahlen.
Dies Frame war bei NTSC nötig, um störende
Halbbilder zu umgehen.
Bei der analogen Timecode Aufzeichnung ist folgendes
zu beachten:
Art des Netzwerkes:
FRAMELOCK: Bit-genaue Verkopplung. Wenn beim Master eine Schwankung in der Drehzahl ist,
wird sie übertragen auf die Slaves.
PHASELOCK / SYNC-LOCK
Framegenaue Verkopplung, ist nicht so genau wie die bit-genaue Verkopplung. Dadurch wird nicht
jede kleinste Drehgeschwindigkeitsänderung mit übertragen
FLYWHEEL: gibt die Fehlertoleranz an. Man stellt
die Anzahl der fehlerhaften Frames ein, die das System toleriert.
Wird diese Anzahl überschritten, wird abgebrochen.
Bei MIDI gibt es 3 Arten der Synchronisation:
ENDE von Digitaltechnik 1