Dither bei ADI-1 / ADI-8 PRO
Anmerkungen zur Notwendigkeit von Dither

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Allgemeines

Bei Überspielung eines 20 oder 24 Bit Signales auf ein 16 Bit Medium tritt eine Wortlängenreduktion durch Abschneiden der unteren Bits ein, die sogenannte Truncation. Dies führt prinzipiell zu einer Verzerrung sehr leiser Signale in Form von Quantisierungsverzerrungen. Zur Vermeidung der Verzerrungen wird dem Signal ein leises Rauschen hinzugefügt, welches zu einer zufälligen Modulation aller Bits führt. Das Verfahren wird Dither bzw. Redithering genannt.

Wie später zu sehen ist die häufig anzutreffende Aussage, das hinzugefügte Signal würde zu einer Modulation des LSB (minderwertigsten Bits) führen, falsch. Vielmehr 'wackeln' alle Bits. Hier wird oftmals die Höhe des zugefügten Rauschens (Dither) von 1 LSB mit der dadurch entstehenden Modulation auf ALLEN Audiobits verwechselt.

Jeder AD-Wandler enthält Dither, und zwar direkt im AD-Converter Chip, zu hören und zu messen als das unvermeidbare Grundrauschen. Die Hersteller der Chips benutzen das Grundrauschen sogar absichtlich zur Linearisierung der Eigenschaften der Wandler bei niedrigen Pegeln.

Um die Funktionsweise des Dithering zu verdeutlichen zeigt Bild 1 einen 1 kHz Sinus bei -80 dBFS. Das Signal wurde digital mit 20 Bit Auflösung erzeugt und ebenso analysiert. Die FFT zeigt keinen erkennbaren Klirrfaktor, also keinerlei aus dem Rauschteppich herausragende Oberwellen.

Der im Bild sichtbare Rauschteppich ist das Ergebnis der Quantisierungsverzerrungen eines 20 Bit Signales. Wegen der endlichen Auflösung der kleinsten digitalen Stufe kommt es (selbst bei 24 Bit) zu Linearitätsfehlern, die wiederum als weisses Rauschen Bestandteil des Signales werden. Im digitalen Generator wurde dem Testsignal etwas Dither zugemischt, um den Rauschteppich für eine bessere Darstellung etwas zu glätten.

Im nächsten Schritt wurde der Analysator auf 16 Bit Wortbreite gesetzt. Es findet nun auf digitaler Ebene eine Truncation des 20 Bit Generatorsignales statt, welche zu dem in Bild 2 dargestellten Ergebnis führt.

Zahlreiche Oberwellen mit unnatürlicher Frequenzverteilung ragen deutlich aus dem Rauschteppich heraus und sind dank ihres massiven Auftretens als deutliche Verzerrung hörbar (wenn man die Lautstärke am Verstärker kräftig anhebt).

Der zuvor bei -152 dBFS liegende Rauschteppich liegt nun bei circa -143 dBFS, da bei 16 Bit Auflösung natürlich die Quantisierungsverzerrungen höher sind als bei 20 Bit. Gleichzeitig entsteht ein geringer DC-Anteil. Das eigentliche Signal bei -80 dBFS erscheint dagegen unverändert.

Das Testsignal liegt mit einem Pegel von -80 dBFS deutlich innerhalb des 16 Bit Bereiches. Interessant wäre es sicher zu erfahren, was mit einem ausserhalb des 16 Bit Bereiches liegenden Signal passiert.

Daher wurden die gleichen Messungen noch einmal mit einem 1 kHz Sinus bei -110 dBFS durchgeführt. Bild 3 zeigt das Originalsignal...

...und Bild 4 das Ergebnis einer Reduktion auf 16 Bit. Der Sinus ist weiterhin vorhanden, allerdings liegt er nunmehr bei circa -95 dBFS.

Der recht glatte Rauschteppich liegt bei -135 dBFS (wo er bei 16 Bit und den aktuellen Analyseparametern auch hingehört). Es entsteht wiederum ein geringer DC-Anteil, sowie deutlich weniger, jedoch immer noch als Verzerrung innerhalb des Rauschteppichs hörbare Oberwellen.

Dieser kleine Ausflug in die digitale Theorie anhand praktischer Beispiele ist Ihnen vielleicht nicht ganz unbekannt. An verschiedenen Stellen finden sich im Web solche oder ähnliche Messungen. Allerdings dienen sie oft als Beweis, dass ein AD-Wandler ohne Dither furchtbarste Verzerrungen erzeugt und gar schrecklich klingt. Und genau das ist eine (bewusste) Täuschung, denn die Truncation eines digitalen Messsignales hat wenig mit der Reduktion eines AD-Wandlersignales gemeinsam, und führt auch nicht zu der in Bild 2 zu sehenden 'Katastrophe'. Dies liegt hauptsächlich am Eigenrauschen der AD-Wandler, wie in den nun folgenden Messungen des ADI-1 gezeigt wird.

ADI-1: Dither on chip

Wir bekommen ständig Anfragen von besorgten Kunden, ob denn die Nutzung des 20 Bit ADI-1 als hochwertiger AD-Wandler für 16 Bit DAT überhaupt eine Verbesserung bringen kann, oder - mangels fehlendem Dither - sogar eine Verschlechterung bringt. Im Test des ADI-1 in der englischen Zeitschrift Sound On Sound verstieg sich der Autor Hugh Robjohns sogar zu der Behauptung, der ADI-1 'cannot be used as an input device for CD-R, Minidisc or DAT machines because there is no option for correct dithering down to 16 bit resolution'. Er hätte es vielleicht einfach mal ausprobieren sollen...

AD-Wandler rauschen, einige mehr, einige weniger. Das Eigenrauschen des 20 Bit ADC im ADI-1 liegt bei circa -100 dBFS (RMS unbewertet), und damit deutlich außerhalb der theoretischen Auflösung eines 16 Bit Systemes (Faustformel 16 x 6 dB = 96 dB). Andererseits haben bei einer RMS-Messung (Effektivwert) Impulsspitzen nur wenig Anteil am Messergebnis. Misst man die Pegelspitzen des Rauschsignales (Peak) ergeben sich circa -90 dBFS (Besitzer einer DIGI96 können beides mit unserem Testtool DIGICheck nachprüfen, siehe nebenstehendes Bild).

Wahrscheinlich ist Ihnen jetzt schon klar geworden was hier passiert: Das im ADI-1 erzeugte Rauschen ist einerseits deutlich geringer als bei einem vergleichbaren 16 Bit Wandler, reicht aber noch aus, um genau wie nachträglich hinzugefügter Dither eine zufällige Modulation bei einer Reduktion auf 16 Bit bereitzustellen, und so für ein munteres Wackeln aller Audiobits zu sorgen.

Die alles entscheidende Frage ist: Kann der 'Natural Dither' eines ADC mit einem extern zugeführten und wohldosierten Dither mithalten? Er kann!

Nachdem unsere Hörtests deutlich weniger Rauschen bei voller Verzerrungsfreiheit als bei herkömmlichem Dither attestierten haben wir versucht dieses Phänomen messtechnisch nachzuweisen. Was auch schnell gelang: Das Eigenrauschen des ADI-1 entspricht ungefähr einem Dither mit 0,7 LSB. Üblich sind entweder 1 LSB (sorgt für volle Verzerrungsfreiheit, das zugeführte Rauschen verschlechtert den Rauschabstand jedoch auf circa 92,5 dB), und 0,5 LSB (ergibt mit einem hochwertigen DA-Wandler über 95 dB Rauschabstand RMS unbewertet, beseitigt die Verzerrungen bei extrem niedrigen Pegeln jedoch nicht vollständig).

Mit einem circa 0,7 LSB entsprechenden 'Grundrauschen' schlägt der ADI-1 einen goldenen Mittelweg ein: maximaler Rauschabstand bei sehr geringen Verzerrungen, und das alles ganz automatisch, quasi 'on chip'. Der Vollständigkeit halber hier nun die Messungen der AD-Wandlung des ADI-1 ohne und mit Truncation.

Bild 6 zeigt einen analog eingespeisten 1 kHz Sinus, der bei digitaler 20 Bit Aufnahme -80 dBFS ergibt. Der Rauschteppich liegt bei circa -134 dBFS.

Bild 7 zeigt das gleiche Signal nun mit 16 Bit aufgenommen. Das Abschneiden der unteren 4 Bits bewirkt sowohl eine Erhöhung des Rauschteppichs um circa 4 dB, als auch den bereits bekannten geringen DC-Anteil. Die entstehenden Verzerrungen sind mit -120 dBFS sehr gering und treten nur oberhalb 12 kHz auf, sind damit unhörbar im Rauschteppich verborgen.

Bild 8 zeigt einen analog eingespeisten 1 kHz Sinus, der bei digitaler 20 Bit Aufnahme -110 dBFS ergibt. Der Rauschteppich liegt wiederum bei circa -134 dBFS.

Bild 9 zeigt das gleiche Signal nun mit 16 Bit aufgenommen. Das Abschneiden der unteren 4 Bits bewirkt wiederum eine Erhöhung des Rauschteppichs um circa 4 dB als auch einen geringen DC-Anteil. Der Pegel des Signals hat sich aufgrund des unvermeidbaren Fehlers in der System-Linearität leicht verschoben, ist mit -107 dBFS aber noch erstaunlich nah am Original von -110 dBFS. Verzerrungen sind keine nachweisbar.

Fazit

Zusätzlicher Dither würde beim ADI-1 nur den Rauschabstand verschlechtern - weniger Verzerrungen ist mangels solcher jedoch nicht möglich. Der ADI-1 erweist sich daher als hervorragender Ersatz, Ergänzung und Bereicherung für alle Geräte mit eingebauten AD-Wandlern, wie Samplern, Soundkarten, CD-R, Minidisk oder DAT. Verglichen mit herkömmlichen 16 Bit Wandlern bewirkt er eine deutliche Qualitätssteigerung bei vollständiger Kompatibilität zum 16 Bit Format. Dither? Don't worry!

ADI-8 PRO

Sie besitzen einen ADI-8 PRO und haben daher den obigen Text übersprungen? STOPP!!! Bitte lesen Sie die gesamte Tech Info, da obige Aussagen auch den ADI-8 betreffen, hier aber nicht wiederholt werden.

Zunächst eine kleine Zusammenfassung:
Bei Überspielung eines 20 oder 24 Bit Signales auf ein 16 Bit Medium tritt eine Wortlängenreduktion durch Abschneiden der unteren Bits ein, die sogenannte Truncation. Dies führt prinzipiell zu einer Verzerrung sehr leiser Signale in Form von Quantisierungsverzerrungen. Sie lassen sich jedoch vermeiden indem alle Bits einer zufälligen Modulation unterworfen werden, dem Dither. Das Eigenrauschen sowohl der Signalquelle als auch des AD-Wandlers macht - bei Überschreitung eines bestimmten Mindestpegels - externen Dither überflüssig.

Beim ADI-8 PRO beträgt der Rauschabstand der AD-Wandler satte 112 dB (RMS unbewertet). Damit liegt das Eigenrauschen der Wandler so weit ausserhalb des 16 Bit Bereiches, dass keine ausreichende Modulation der Bits nach einer 16 Bit Truncation mehr gegeben ist. Oder anders gesagt: Das Eigenrauschen entspricht einem Dither von unter 0,5 LSB und ist daher prinzipiell unzureichend.

Ein Dither-Verfahren ist im komplett auf FPGA-Basis realisierten ADI-8 PRO nur mit erheblichem Aufwand möglich. Wir haben daher zunächst genauer untersucht, wie 'schlimm' die Effekte der Truncation im ADI-8 tatsächlich sind, und stiessen dabei auf einige Erkenntnisse, die anscheinend oft bewusst verschwiegen werden, um das Ansehen gängiger (teurer) Dither-Methoden hoch zu halten.

Vermutlich ist Ihnen bereits bei den Messungen am ADI-1 aufgefallen, dass Signale ausserhalb des 16 Bit Bereiches nach einem Abschneiden der unteren Bits nicht einfach verschwinden, sondern sich nur geringfügig im Pegel verändern. Dieser Effekt, das Erhalten von Informationen ausserhalb der eigentlich erwarteten Auflösung eines Systemes (hier 16 Bit = 96 dB) ist eines der beliebtesten Werbeargumente für Dither, und problemlos messtechnisch nachzuweisen. In unserem Fall jedoch gilt: Bei einem AD-Wandler braucht man dafür kein zusätzliches externes Dithering, der Effekt ist Bestandteil aller (!) moderner AD-Wandler!

Es ist ein oft anzutreffendes Missverständnis, dass - entsprechend einer 'analogen' Vorstellung - bei einem Abschneiden der unteren Bits alle Informationen derselben verloren gehen. Das Grundrauschen von -112 dBFS eines 24 Bit Signales würde in einem 16 Bit Signal komplett fehlen, digital Null wäre die Folge. Dies ist aber nicht der Fall. Auch die ehemals unterhalb -96 dB liegenden Signale sind alle noch vorhanden und per FFT nachweisbar, jedoch nicht mehr mit ihrem ursprünglichen Pegel. Man kann in diesem Zusammenhang von einer Art Kompressionseffekt sprechen, da zuvor deutlich unterschiedliche Pegel nunmehr nur noch geringe Unterschiede aufweisen.

In den Anfangstagen der Digitaltechnik waren AD-Wandler DC-behaftet. In einem solchen Fall kann es tatsächlich zu einem Verlust aller Informationen kommen. Die im ADI-1 und ADI-8 PRO verwendeten Wandler besitzen jedoch interne DC-Filter plus eine automatische Kalibrierung, und vermeiden so störende DC-Anteile.

Am einfachsten ist dieser Sachverhalt mit der Bitstatistik in DIGICheck nachzuvollziehen. Sie stellt die digitalen Daten in ihrer ursprünglichen Form dar, der sogenannten Zweierkomplementdarstellung.

Bild 10 zeigt dass alle 24 Bit des ADI-8 PRO 'wackeln', also aktiv sind. Nach dem Abschneiden auf 16 Bit sind die unteren 8 Bit tot - aber die restlichen 16 Bit wackeln immer noch. Wenn sie aber aktiv sind heisst dies dass auch ein Signal da sein muss. Und tatsächlich: das zuvor bei -112 dB liegende Grundrauschen findet sich nun bei -93 dB!

Mit anderen Worten: Selbst mit minimalstem Dither (hier Grundrauschen) bleibt der Effekt der Auflösungserhöhung erhalten. Allerdings gibt es natürlich Unterschiede: Je geringer der Ditheranteil, desto schlechter wird der ursprüngliche Pegel in das 16 Bit Signal transformiert. Die Linearität nimmt ab, vormals stark variierende Pegel im Bereich unter -96 dBFS ändern sich nach der Reduktion auf 16 Bit nur noch um wenige dB.

Bild 11 zeigt einen analog eingespeisten 1 kHz Sinus, der bei digitaler 24 Bit Aufnahme -80 dBFS ergibt. Der Rauschteppich liegt bei circa -148 dBFS.

Bild 12 zeigt das Ergebnis einer Truncation auf 16 Bit. Erwartungsgemäß steigt der Rauschteppich auf circa -138 dBFS, und es entstehen Verzerrungen über den gesamten Frequenzbereich. Bitte beachten Sie den deutlichen Unterschied zu der Darstellung in Bild 2.

Die hier zu sehenden Verzerrungen sehen schlimmer aus als sie sich anhören. Immerhin kämpft das Ohr mit einem konstanten, alles überlagernden Rauschteppich, in dem es neben dem eigentlichen Signal auch noch dessen neu entstandene Oberwellen erkennen soll. Obwohl die Verzerrungen in diesem Beispiel deutlich hörbar sind muss die Messung als solche doch stark relativiert werden. Hier wurden die AD-Wandler mit einem quasi rauschfreien Eingangssignal versorgt, welches (fast) nur aus dem reinen Messignal in Form eines 1 kHz Sinus besteht. Dass man normalerweise keinen Sinus aufnimmt, und die Breite der akustischen Information eines normalen Instrumentes oder Geräusches einen Teil der Verzerrungen verdeckt, ist eine Sache.

Viel relevanter erscheint uns jedoch der Hinweis auf die in der Praxis tatsächlich erreichbare Dynamik, sprich den Rauschabstand am Eingang des ADI-8 PRO.

  • Beispiel 1:
    Der ADI-8 dient als Mehrkanal-Wandler, entweder an ein Mischpult (Subgruppen) oder direkt an einen hochwertigen Mikrofon Vorverstärker angeschlossen. Beide Quellen sind weder seitens der akustischen Information noch seitens des in der Praxis erzielbaren Rauschabstandes in der Lage ein solch sauberes Signal wie in den Messungen zu erzeugen. Einfaches Beipiel: Grundrauschen eines hochwertigen Mic-Preamps -127 dB, erforderliche Mikrofonverstärkung 30 dB, effektiver Rauschabstand 97 dB! Damit sind keinerlei Verzerrungen mehr nachweisbar, da das Eingangsrauschen bereits einem zusätzlichen Dither von 1 LSB entspricht. (Besitzer einer DIGI96 Karte können dank DIGICheck die tatsächlich erzielbare Dynamik jederzeit nachprüfen - und haben schon so manche Überraschung erlebt...).
     
  • Beispiel 2:
    Der ADI-8 wird in der Stellung -10 dBV betrieben. Damit sinkt der Rauschabstand auf 107 dB (RMS unbewertet), der ADI-1 'on chip' Effekt schlägt durch und verringert auch beim ADI-8 die entstehenden Verzerrungen deutlich. Wenn Sie dann noch wüssten welchen Rauschabstand Ihnen übliches -10 dBV basiertes Equipment real bereitstellt, würden Sie sich keine Sorgen mehr um fehlenden Dither machen.
     
  • Beispiel 3:
    Der ADI-8 ist prinzipiell ein gnadenlos guter AD-Wandler, und bietet sich daher auch im 2-Spur Betrieb als Line Analog zu Digital Konverter an. In diesem Fall wird jedoch mangels ADAT optical zwangsläufig nicht auf DAT, sondern zunächst in einen PC überspielt. Dort lässt sich dann problemlos Dithern und auf 16 Bit reduzieren.

Wie die folgenden Messungen zeigen sind die Verzerrungen zudem nicht konstant sondern dynamisch, verändern sich also in Stärke und Verteilung mit dem Grundpegel.

Bild 13 zeigt einen analog eingespeisten 1 kHz Sinus, der bei digitaler 24 Bit Aufnahme -110 dBFS ergibt. Der Rauschteppich liegt wiederum bei circa -148 dBFS.

Bild 14 zeigt das Ergebnis einer Truncation auf 16 Bit. Der Rauschteppich steigt wiederum auf circa -138 dBFS. Die entstehende Verzerrung besteht nur aus einer Oberwelle. Aufgrund der Nähe zum Grundton und dem geringen Pegel verschwindet sie unhörbar im Grundrauschen. Bitte beachten Sie den deutlichen Unterschied zu der Darstellung in
Bild 4
.

Zusammengefasst: Im Bereich unterhalb 96 dB treten keine hörbaren Verzerrungen auf, sondern erst, wenn das ursprüngliche Signal in den 16 Bit Bereich fällt. Diese Verzerrungen sind pegelabhängig und werden im Allgemeinen vom Grundrauschen des angeschlossenen Equipments und/oder des aufgenommenen Signales beseitigt.

Doch neben der reinen Messtechnik gibt es noch weitere Gründe, warum wir (und Sie) im ADI-8 PRO auch ohne zusätzlichen Dither auskommen:

  • Zur Beibehaltung der vollen Dynamik wird bei Überspielung auf ein 16 Bit Medium im Allgemeinen das Bit Split Verfahren des ADI-8 PRO zum Einsatz kommen.
     
  • Eine Überspielung auf 20 Bit (beispielsweise ADAT XT oder O2R) erfordert keinen Dither, da die maximale Dynamik des ADI-8 PRO nur 18,6 Bit erreicht (112 dB), also vollständig von einem digitalen 20 Bit System (120 dB) erfasst wird. (Entsprechend obigen Erkenntnissen beim ADI-1 würden sogar bei einer Dynamik von 124 dB 20 Bit noch ausreichen).
     
  • Besitzer von Tascam DA-38 und 98 können die im Recorder vorhandene, oftmals gar nicht bekannte Ditherfunktion nutzen (siehe Bedienungsanleitung der Geräte).
     
  • Wer in einen PC überspielt kann 20 oder 24 Bit als Auflösung nutzen. In einem solchen System wird Dither dann erst ganz am Ende der Bearbeitungskette bzw. des Mixes zugefügt.
     
  • Die Dynamik der aufzunehmenden Signale muss 100 dB deutlich übersteigen - was in der Praxis dank einer gehörigen Portion Grundrauschens und/oder Grundgeräusches meist nicht der Fall ist.

Fazit

Um Missverständnisse zu vermeiden: Wir wollen Ihnen nicht weismachen dass externer Dither sinnlos ist. Auch im ADI-8 PRO würde ein sehr gutes Ditherverfahren oder Noise-Shaping Überspielungen auf 16 Bit Medien in einigen Fällen optimieren. In der Praxis ist der klangliche Vorteil dank der DC-freien Wandler und der tatsächlichen Aufnahmesituation jedoch oftmals sehr gering, oder sogar gar nicht vorhanden.

Mit dieser Tech Info soll das Thema Dither etwas 'entmystifiziert' werden. Daher haben wir sie auch 'Anmerkungen zu...' genannt. Sie soll eine Ergänzung zu den in Büchern, Zeitschriften und dem Web zu findenden Dokumenten sein. Sie soll aber auch die Ausführungen einiger Hersteller relativieren, deren einziger Lebenszweck darin zu bestehen scheint, ein Merkmal als unverzichtbar zu erklären, das in vielen Fällen sehr wohl verzichtbar ist. Welche Auswirkungen diese 'Verklärung' mittlerweile angenommen hat haben wir am Beginn der Tech Info beim ADI-1 geschildert. Wenn selbst in angesehenen Fachzeitschriften begonnen wird Pauschalurteile abzugeben, die mit der Realität nichts gemein haben, ist offensichtlich Handlungsbedarf vorhanden.

Copyright © Matthias Carstens, 1999.
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