Re: Audio-AD-Wandler Anti-Aliasing-Analog-Tiefpass
Leo Baumann
zwar hohe Ordnungszahlen für die Filter und die Realisierung ist sehr
aufwendig, die haben aber den Vorteil eines linearen Phasenganges.-
^^^^^^
Natürlich kommen dann wieder Audio-Philosophen und behaupten, "das klingt
nicht", wie bei dem ersten auf dem Markt gekommenden Philips CD-Player, ich
glaube der hieß CD-650 vor ewigen Jahren. Philips hat damals um den
Philosophen eine Alternative zu bieten ein zweites, anderes Filter
angeboten, der Player hatte umschaltbare Ausgänge :-). Schwachsinn, immer
diese Philosophen, die der Theorie wiedersprechen :-)
mfG Leo
Marcel Müller
Thobias Schreiner wrote:
> Um Spiegelfrequenzen im Nutzsignal zu verhindern, muss das analoge
> Signal tiefpassgefiltert werden. Das Passband geht bei Audio bis
> 20kHz, das Stoppband begint bei der halben Abtastfrequenz.
Das ist die eine Hälfte der Wahrheit. Die andere ist, dass das
Rekonstruktionsfilter, wie es korrekterweise heißt, auch noch den
Frequenzgang geradebiegen muss. Kurzum, vor der Nyquist-Frequenz muss
der Pegel auch noch angehoben werden.
> Bei 44.1kHz Abtastfrequenz also bei 22kHz.
> Das analoge Filter müsste also innert 2kHz von Durchgang auf Sperren
> (-96dB oder mehr) übergehen.
Völlig utopisch!
> Wie ich das verstanden habe, führen
> solche Filter zu Welligkeiten im Passband mit negativen Effekten wie
> etwa Vorechos bei impulsartigen Signalen.
Kein Mensch baut so ein Filter, insofern ist jegliche weitere Diskussion
darüber akademisch.
> Bei Abtastfrequenz 96kHz liegt die Nyquistfrequenz bei 48kHz; das
> analoge Tiefpassfilter kann also viel relaxter konzipiert sein, mit
> dem Erfolg geringerer Welligkeit im Passband.
So in der Art. Typisch eher 176,4kHz oder sogar mehr.
> Wie arbeiten aber aktuelle Audio-ADCs? Ich glaube, es wird häufig die
> Sigma-Delta-Methode angewandt, wobei mit noch höheren Frequenzen
> abgetastet wird.
Unterschiedlich. Sigma-Delta gibt es, aber nicht alle ADCs ticken so.
> Durch digitale Signalverarbeitung wird dann der
> Bitstrom in das gewünschte Multibit-PCM der gewünschten Abtastfrequenz
> gewandelt.
> Verstehe ich es richtig, dass dabei ein Großteil der Tiefpassfilterung
> in die digitale Ebene verschoben wird?
Das trifft es nicht im Kern. Der Delta-Sigma Wandler kennt das
Aliasing-Problem mangels Sample and Hold Stufe nicht oder nicht in der
Schärfe. Faktisch wird man im Audiobereich bei D-S-ADCs gar kein
analoges Filter vorschalten, da man nicht damit rechnen muss signifikant
Intensität jenseits 20kHz vorzufinden.
> Macht es bei solchen ADCs eigentlich einen Unterschied für das
> digitalisierte Audiosignal bis 20kHz, ob der ADC direkt ein
> Multibit-PCM mit 44.1kHz Samplingfrequenz ausgibt, oder ob ein solcher
> S-D-ADC Multibit-PCM mit 96kHz ausgibt?
> Welches dann nachträglich per Sampleratenwandlung auf digitaler Ebene
> nach 44.1kHz gewandelt wird?
Das sind doch zwei komplett andere Verfahren, insofern verstehe ich die
Frage nach dem Unterschied nicht.
Marcel
Markus Faust
> Hallo,
>
> es geht mir bei meiner Frage um die Funktionsweise aktueller ADCs und
> die Auswirkung der Abtastrate und des Teifpass-Filters auf die
> Signalqualität.
>
> Um Spiegelfrequenzen im Nutzsignal zu verhindern, muss das analoge
> Signal tiefpassgefiltert werden. Das Passband geht bei Audio bis
> 20kHz, das Stoppband begint bei der halben Abtastfrequenz.
>
> Das analoge Filter müsste also innert 2kHz von Durchgang auf Sperren
> solche Filter zu Welligkeiten im Passband mit negativen Effekten wie
> etwa Vorechos bei impulsartigen Signalen.
Bei analogen Filtern gibt es keine Vorechos (Kausalität).
> Bei Abtastfrequenz 96kHz liegt die Nyquistfrequenz bei 48kHz; das
> analoge Tiefpassfilter kann also viel relaxter konzipiert sein, mit
> dem Erfolg geringerer Welligkeit im Passband.
Bei 96kHz Abtastfrequenz geht auch der nutzbare Frequenzbereich weiter
(so ca. bis 47kHz), sonst wäre das ja komplett sinnlos.
> Wie arbeiten aber aktuelle Audio-ADCs? Ich glaube, es wird häufig die
> Sigma-Delta-Methode angewandt,
Bei praktisch allen Audio-ADCs, die ich kenne (wobei ich den Begriff
"Delta-Sigma-..." bevorzuge).
> wobei mit noch höheren Frequenzen
> abgetastet wird. Durch digitale Signalverarbeitung wird dann der
> Bitstrom in das gewünschte Multibit-PCM der gewünschten Abtastfrequenz
> gewandelt.
> Verstehe ich es richtig, dass dabei ein Großteil der Tiefpassfilterung
> in die digitale Ebene verschoben wird?
Korrekt. Man schaltet vor den ADC ein analoges Filter, das groben
HF-Müll vom Eingang fernhält; der Rest geschieht digital. Siehe z.B.
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/pcm4202.pdf
Seiten 12 und 26
Der Frequenzgang der digitalen Filterung sollte im Datenblatt angegeben
sein (z.B. obiges Datenblatt, Seiten 7 und 8).
> Macht es bei solchen ADCs eigentlich einen Unterschied für das
> digitalisierte Audiosignal bis 20kHz, ob der ADC direkt ein
> Multibit-PCM mit 44.1kHz Samplingfrequenz ausgibt, oder ob ein solcher
> S-D-ADC Multibit-PCM mit 96kHz ausgibt?
> Welches dann nachträglich per Sampleratenwandlung auf digitaler Ebene
> nach 44.1kHz gewandelt wird?
Damit verlagerst Du das Problem in den Sample-Rate-Converter, denn der
muss vor einer Verringerung der Abtastrate eine Bandbegrenzung machen.
Grüße
Markus
David Kastrup
> Am 31.08.2011 23:49, schrieb Thobias Schreiner:
>> Hallo,
>>
>> es geht mir bei meiner Frage um die Funktionsweise aktueller ADCs und
>> die Auswirkung der Abtastrate und des Teifpass-Filters auf die
>> Signalqualität.
>>
>> Um Spiegelfrequenzen im Nutzsignal zu verhindern, muss das analoge
>> Signal tiefpassgefiltert werden. Das Passband geht bei Audio bis
>> 20kHz, das Stoppband begint bei der halben Abtastfrequenz.
>>
>> Bei 44.1kHz Abtastfrequenz also bei 22kHz.
>> Das analoge Filter müsste also innert 2kHz von Durchgang auf Sperren
>> (-96dB oder mehr) übergehen. Wie ich das verstanden habe, führen
>> solche Filter zu Welligkeiten im Passband mit negativen Effekten wie
>> etwa Vorechos bei impulsartigen Signalen.
>
> Bei analogen Filtern gibt es keine Vorechos (Kausalität).
Natürlich gibt es die, weil die analogen Filter keine Gruppenlaufzeit
von 0 haben. Es ist ja trotz Kausalität auch einigen Radfahrern
möglich, noch vor dem Feld ins Ziel zu kommen.
--
David Kastrup
Leo Baumann
> von 0 haben. Es ist ja trotz Kausalität auch einigen Radfahrern
> möglich, noch vor dem Feld ins Ziel zu kommen.
>
> --
> David Kastrup
Darum digitale FIR-Filter! Linearer Phasengang --> konstante
Gruppenlaufzeit!
mfG Leo
David Kastrup
> Anschließend soll das aufgenommene Signal auf CD mit Samplerate
> 44.1kHz gespeichert werden. In der Audiosoftware muss nun von 176kHz
> auf 44.1kHz umgewandelt werden, also digital tiefpassgefiltert und
> dezimiert werden, damit ein regelkonformes (ohne Spiegelfrequenzen)
> Signal entsteht.
>
> Oder aber, man nimmt mit besagtem ADC gleich in 44.1kHz, also der
> Ziel-Samplerate auf.
Viel Spaß mit Aliasingpfeifen. Da die entsprechenden Geräusch zum
Originalsignal korreliert sind, aber nicht in harmonischen
Frequenzverhältnissen stehen, sind sie recht irritierend.
--
David Kastrup
David Kastrup
> On Thu, 01 Sep 2011 01:23:50 +0200 Marcel M�ller
> <news.5...@spamgourmet.com> wrote in
> <4e5ec287$0$7627$9b4e...@newsspool1.arcor-online.net> in
> de.sci.electronics:
>
>>Hallo!
>>
>>Thobias Schreiner wrote:
>>> Um Spiegelfrequenzen im Nutzsignal zu verhindern, muss das analoge
>>> Signal tiefpassgefiltert werden. Das Passband geht bei Audio bis
>>> 20kHz, das Stoppband begint bei der halben Abtastfrequenz.
>>
>>Das ist die eine H�lfte der Wahrheit. Die andere ist, dass das
>>Rekonstruktionsfilter, wie es korrekterweise hei�t, auch noch den
>>Frequenzgang geradebiegen muss. Kurzum, vor der Nyquist-Frequenz muss
>>der Pegel auch noch angehoben werden.
>
> Das verstehen ich noch nicht. Kannst Du etwas mehr dazu schreiben?
Die Rekonstruktion eines punktgesampelten Signales (also
nicht-integrierender Wandler) geschieht mit einer punktgesampelten
Wiedergabe (also immer nur kurze Spannungsimpulse, dazwischen 0V). Das
ist aber nicht realistisch, in der Praxis macht man Sample-and-Hold,
h�lt also die Spannung �ber das Tastintervall konstant. Bei einer
Samplingfrequenz von f0 f�hrt das bereits zu einem Frequenzgang von
(sin pi f/f0)/(pi f/f0), was bei der Nyquistfrequenz auch schon
einen Faktor von 2/pi = -4dB ausmacht.
> Wie hat man es bei den ADCs der ersten Generationen gemacht, zur
> Einf�hrung der CD? Da musste ja pl�tzlich sehr viel digitalisiert
> werden. Wird da immer Oversampling verwendet?
Ja. Anfangs war da nicht viel mehr als zweifaches Oversampling WIMRE,
was durchaus klangliche Auswirkungen hat.
--
David Kastrup
Henning Paul
>> Nat�rlich gibt es die, weil die analogen Filter keine Gruppenlaufzeit
>> von 0 haben. Es ist ja trotz Kausalit�t auch einigen Radfahrern
>> m�glich, noch vor dem Feld ins Ziel zu kommen.
>
> Darum digitale FIR-Filter! Linearer Phasengang --> konstante
> Gruppenlaufzeit!
Das gilt nur für linearphasige FIR-Filter, also solche mit symmetrischer
Impulsantwort.
Gruß
Henning
David Kastrup
> On Thu, 01 Sep 2011 10:01:44 +0200 David Kastrup <d...@gnu.org> wrote
> in <87zkioz...@fencepost.gnu.org> in de.sci.electronics:
> Was willst du damit sagen? Wie dem Link zu entnehmen, bietet besagter
> ADC die Option, direkt 44.1kHz auszugeben (intern wird S-D-gewandelt
> mit 128-fach Oversampling). Ist diese Betreibsart etwa praktisch
> unbenutzbar?
Eher Dein Sprachgebrauch. Sowas nenne ich nicht "direkt 44.1kHz
ausgeben", weil am _Ausgang_ nichts ist, was irgendetwas mit 44.1kHz zu
tun hätte.
Natürlich kann man auf dem Computer offline mit höherwertigen Filtern
arbeiten und damit bessere Resultate erzielen.
Wenn man weiß, was man tut. Das ist aber bei den sich hier tummelnden
Möchtegerntheoretikern nicht gegeben. Auch den ADC-Herstellern geht das
nicht anders: die legen sich erst einmal auf die Fresse, bis ihre
Theorie ganz banale praktische Erkenntnisse richtig abgedeckt hat (die
Phase der theoretischen Inzucht, bei der man sich im digitalen Bereich
die Perfektion des Ergebnisses beweist, um sich dann von irgendeinem
Dinosaurier mit durchstimmbaren Filtern im analogen Bereich vorführen zu
lassen, muß man halt auch hinter sich bringen).
Man kann halt nicht alles auf Anhieb richtig machen. Jeder gewiefte
Profi hat gescheiterte Projekte und kaputte Werkstücke in seiner
Historie. Je nach individueller Auffassungsgabe mehr oder weniger
davon. Aber 0 ist _zu_ wenig.
--
David Kastrup
Henning Paul
> On Thu, 01 Sep 2011 10:14:36 +0200 David Kastrup <d...@gnu.org> wrote
> in <87vctcz...@fencepost.gnu.org> in de.sci.electronics:
>>Die Rekonstruktion eines punktgesampelten Signales (also
>>nicht-integrierender Wandler) geschieht mit einer punktgesampelten
>>Wiedergabe (also immer nur kurze Spannungsimpulse, dazwischen 0V).
>>Das ist aber nicht realistisch, in der Praxis macht man
>>Sample-and-Hold,
>
> Wann? AD oder DA?
Da steht "Rekonstruktion"...
Gruß
Henning
Marcel Müller
> Das verstehen ich noch nicht. Kannst Du etwas mehr dazu schreiben?
Vergiss es, ich war irgedwie beim *DAC*
>>> Bei 44.1kHz Abtastfrequenz also bei 22kHz.
>>> Das analoge Filter müsste also innert 2kHz von Durchgang auf Sperren
>>> (-96dB oder mehr) übergehen.
>> Völlig utopisch!
>
> Wie hat man es bei den ADCs der ersten Generationen gemacht, zur
> Einführung der CD? Da musste ja plötzlich sehr viel digitalisiert
> werden.
Gar nicht. Kein analoges Audio-Nutzsignal hat signifikante Anteile
jenseits 16kHz und jenseits von 20kHz schon zweimal nicht.
Und wenn man sich doch mal unbemerkt etwas aus einem Schaltnetzteil
eingefangen hat (seinerzeit liefen die zwischen 25 und 50kHz), dann gab
es halt einen widerlichen Störton auf der CD - wie in so manchen
80er-Jahre CD-Sünden. Jedenfalls dann, wenn die Frequenz so lag, dass
der Toning. sie altersbedingt nicht mehr wahrnehmen konnte.
> Wird da immer Oversampling verwendet?
Schon seit langem ja.
Marcel
Marte Schwarz
>> Signal tiefpassgefiltert werden. Das Passband geht bei Audio bis
>> 20kHz, das Stoppband begint bei der halben Abtastfrequenz.
Eben und die liegt bei Delta-Sigma-Wandlern typischerweise sehr hoch, so
dass man mit einem sehr einfach gestrickten Tiefpass 1. Ordnung bei 20
kHz ganz problemlos zu einem effektiven Antialiasfilter kommt.
>> Wie arbeiten aber aktuelle Audio-ADCs? Ich glaube, es wird häufig die
>> Sigma-Delta-Methode angewandt, wobei mit noch höheren Frequenzen
>> abgetastet wird.
>
> Unterschiedlich. Sigma-Delta gibt es
{/korintenk.. modus an}
nicht! Nein, die gibt es wirklich nicht. Am Anfang eines solchen
Wandlers ist und bleibt eine Delta-Eiheit und zur Rekonstruktion wird
eine gewichtete Summe gebildet, was den zweiten Teil des Namens stellt
{/korintenk.. modus aus}
>, aber nicht alle ADCs ticken so.
Zeig mir einen einzigen aktuellen AudioADC, der nicht als
Delta-Sigma-Wandler gebaut ist.
> Das trifft es nicht im Kern. Der Delta-Sigma Wandler kennt das
> Aliasing-Problem mangels Sample and Hold Stufe nicht
Das ist jetzt doch mal was ganz Neues: Aliasing wegen Sample & Hold.
Wenn das nur Shannon geahnt hätte...
> Faktisch wird man im Audiobereich bei D-S-ADCs gar kein
> analoges Filter vorschalten, da man nicht damit rechnen muss signifikant
> Intensität jenseits 20kHz vorzufinden.
So so.
Marte
Marte Schwarz
> Bei analogen Filtern gibt es keine Vorechos (Kausalität).
Zumindest nicht bei Filtern erster Ordnung, die bevorzugt hier
Verwendung finden.
Marte
Horst-D.Winzler
Auch nicht bei Butterworthfilter vierter Ordnung mit etwa 24 dB
Steilheit/Oktave. ;-)
--
mfg hdw
Marte Schwarz
> Auch nicht bei Butterworthfilter vierter Ordnung mit etwa 24 dB
> Steilheit/Oktave. ;-)
Butterworth ist ein theoretisches konstrukt, das in der Praxis aufgrund
unvermeindlicher Bauteiltoleranzen ein schlechter Tschebyschev oder ein
schlechtes Bessel ist ;-)
Wer auf Gruppenlaufzeit optimieren will, nimmt Bessel, sonst nix.
Marte
Horst-D.Winzler
Das sehe ich signifikant anders. Besagte Butterworthfilter für Rumpel-
(15 bzw 30Hz) und Rauschfilter (8 bzw 15kHz) eignen sich bestens für
diese Zwecke. Als Eingangsfilter für Verstärker sind einfache RC-Filter
allerdings besser geeignet. Die dienen aber auch der HF-Filterung.
--
mfg hdw
Marcel Müller
Marte Schwarz wrote:
>> , aber nicht alle ADCs ticken so.
>
> Zeig mir einen einzigen aktuellen AudioADC, der nicht als
> Delta-Sigma-Wandler gebaut ist.
der Klassiker von Analog Devices AD1868 ist im Wesentlichen ein R2R ADC.
OK, mit aktuellen könntest Du recht haben.
>> Das trifft es nicht im Kern. Der Delta-Sigma Wandler kennt das
>> Aliasing-Problem mangels Sample and Hold Stufe nicht
>
> Das ist jetzt doch mal was ganz Neues: Aliasing wegen Sample & Hold.
> Wenn das nur Shannon geahnt hätte...
? - Das sampeln des Momentanwertes ist die Voraussetzung für eine
signifikante Response bei den Spiegelfrequenzen. Der Integrator des
Delta-Sigma Wandlers sieht schon nur noch den Mittelwert der
Samplingperiode. Das ist schon um Klassen besser als ein Snapshot,
insbesondere zusammen mit Oversampling. Klar, ganz weg ist der Schmutz
damit noch lange nicht, aber deutlich gutmütiger.
>> Faktisch wird man im Audiobereich bei D-S-ADCs gar kein
>> analoges Filter vorschalten, da man nicht damit rechnen muss signifikant
>> Intensität jenseits 20kHz vorzufinden.
>
> So so.
Bei passender Auslegung kommt der Tiefpass bereits durch die parasitären
Effekte der Schaltungskomponenten zustande und es muss nicht explizit
noch ein Filter davor. Zumal bei Delta Sigma so oder so massiv mit
Oversampling geschafft werden muss. Ggf. hilft man noch mit einem
Kondensator etwas nach. In einen AD1871 geht man gnadenlos direkt ohne
Filterschaltung davor rein.
Marcel
Norbert Hahn
>Wie hat man es bei den ADCs der ersten Generationen gemacht, zur
>Einführung der CD? Da musste ja plötzlich sehr viel digitalisiert
>werden. Wird da immer Oversampling verwendet?
In meinem Sony PCM-501 wird mit 44,1 kHz abgetastet, also kein
Oversampling betrieben. Vor der (diskreten) S/H-Stufe gibt es ein
11-poliges Tiefpassfilter mit entsprechend welligem Frequenzgang
und Phasendrehung. Dem habe ich einen 2-poligen Allpass vorge-
schaltet, was die Räumlichkeit etwas verbesserte.
Damals half nur die Hoffnung, dass oberhalb von 20 kHz nicht
viel los war. Im wirklichen Leben war der Klang gar nicht so
schlecht, wie sich das jetzt liest. Im Vergleich zum Band war der
Frequenzgang schon dürftig, dafür gab es kein Modulationsrauschen,
kein Durchkopieren (Echo) und die n+erste Kopie unterschied sich
nicht vom Original. Das war ja immerhin 1983, als die ersten CDs
aufgenommen wurden.
Norbert
Marte Schwarz
>>> Das trifft es nicht im Kern. Der Delta-Sigma Wandler kennt das
>>> Aliasing-Problem mangels Sample and Hold Stufe nicht
>> Das ist jetzt doch mal was ganz Neues: Aliasing wegen Sample & Hold.
>> Wenn das nur Shannon geahnt hätte...
> ? - Das sampeln des Momentanwertes ist die Voraussetzung für eine
> signifikante Response bei den Spiegelfrequenzen.
Das solltest Du mal in einer wissenschaftlichen Community lostreten, da
gäbe es ggfs einen Blumentopf zu gewinnen. Ich fürchte, dass Dich dort
allerdings kaum jemand wirklich ernstnehmen wird.
> Der Integrator des
> Delta-Sigma Wandlers sieht schon nur noch den Mittelwert der
> Samplingperiode.
Was letztlich einer Kammfilterfunktion bei hohen Frequenzen gleichkommt.
> Das ist schon um Klassen besser als ein Snapshot,
Nun klar ist ein Integrator zunächste ein TP-Filter und nimmt daher
einiges raus, genaugenommen eben die ganzzahligen Vielfachen der
Integratorperiode. Die sind aber typischerweise ohnehin deutlich
oberhalb des Abtastratenbereiches.
> insbesondere zusammen mit Oversampling.
Da wirds Tag. Mit Oversampling erhöhst Du eben die kritische
Nyquistfrequenz.
> Bei passender Auslegung kommt der Tiefpass bereits durch die parasitären
> Effekte der Schaltungskomponenten zustande und es muss nicht explizit
> noch ein Filter davor.
So so. rein zufällig kommt da also was sinnvolles raus. Nee, ein
vernünftiger Ingenieur macht das schon so, dass es eben passt, nicht nur
zufällig. Dass er dabei ggfs parasitär ohnehin vorhandene Komponenten
mitnutzt, mag sein, aber weglassen ist nicht so schlau.
> Zumal bei Delta Sigma so oder so massiv mit
> Oversampling geschafft werden muss. Ggf. hilft man noch mit einem
> Kondensator etwas nach.
Eben.
> In einen AD1871 geht man gnadenlos direkt ohne Filterschaltung davor rein.
Pin 12,13,16,17 hast Du aber übersehen, oder? Erst danach gehts
überhaupt als Wandler los. Datenblätter sind zum lesen da...
Marte