Abtastratenwandler (SRC und ASRC)

Ein Abtastratenwandler rechnet einen digitalen Audiostrom von einer Abtastrate auf eine andere um — aus 96.000 Werten je Sekunde werden 48.000, aus einer Quelle mit eigenem Takt wird ein Strom im Takt des Empfängers. Er ist in fast jeder heutigen Kette vorhanden, meist ohne dass jemand ihn gewählt hätte.

Ausführliche Erklärung

Synchron und asynchron

Beim synchronen Abtastratenwandler stehen Eingangs- und Ausgangsrate in einem festen, rationalen Verhältnis, und beide stammen aus demselben Takt — 96 auf 48 Kilohertz ist der einfachste Fall. Rechnerisch wird das Signal zunächst um einen ganzzahligen Faktor überabgetastet, dann gefiltert und schließlich um einen anderen ganzzahligen Faktor ausgedünnt. Das Verhältnis ist bekannt und ändert sich nie.

Beim asynchronen Wandler laufen die beiden Seiten unabhängig voneinander. Die Quelle hat ihren Quarz, der Empfänger seinen, und die beiden driften gegeneinander — nicht viel, aber unaufhörlich. Der Wandler muss deshalb das tatsächliche Zeitverhältnis fortlaufend schätzen und die Ausgangswerte an Zeitpunkten berechnen, die zwischen zwei Eingangswerten liegen und sich ständig verschieben.

Das ist deutlich schwerer, als es klingt, und es war lange das Hindernis. Robert Adams und Tom Kwan von Analog Devices stellten 1993 auf der AES-Convention in Berlin eine Architektur vor, die vier Teilprobleme zugleich löste: die Schätzung des Ankunftszeitpunkts der Taktflanke, die Reduktion der nötigen Filterkoeffizienten, die Steuerung der Schreib- und Lesezeiger im Zwischenspeicher und die Anpassung des Filters, wenn heruntergesetzt wird. Der Kern war ein geschlossener Regelkreis, der die Adresse nachführt und für jeden Ausgangswert das passende Teilfilter auswählt. Seither ist die asynchrone Umsetzung ein Bauteil und keine Forschungsfrage mehr.

Wofür er tatsächlich gebraucht wird

Der offensichtliche Zweck ist der, den der Name nennt: Zwei Geräte mit verschiedenen Raten sollen miteinander arbeiten. Der wichtigere ist ein anderer, und er hat mit Raten wenig zu tun.

Ein D/A-Wandler, der seinen Abtasttakt aus der ankommenden Schnittstelle zurückgewinnt, erbt deren Zeitfehler. Ein asynchroner Abtastratenwandler löst diese Kopplung auf: Die Ausgangsseite hängt an einem freilaufenden, jitterarmen Quarz, und der ankommende Datenstrom wird auf dessen Rate umgerechnet. Der Takt der Wandlung stammt dann aus dem Gerät und nicht aus dem Kabel — die Entkopplung geschieht rechnerisch statt über eine Regelschleife, die der Quelle folgt.

Gewonnen ist damit aber nicht alles. Der Schätzvorgang für das Zeitverhältnis hat seine eigene Unsicherheit, und sie verschwindet nicht dadurch, dass sie numerisch ist. Ein Gerät, dessen Takt am Wandler sauber aussieht, ist damit noch nicht bewiesen; was zählt, ist die Wirkung auf ein Testsignal.

Was er kostet

Drei Folgen sind unvermeidlich, und alle drei werden regelmäßig übersehen.

Die Daten sind nicht mehr dieselben. Ein Abtastratenwandler berechnet neue Werte, auch dann, wenn Eingangs- und Ausgangsrate nominell gleich sind — viele Geräte rechnen unbedingt und nicht nur bei Bedarf. Wer bitgenaue Wiedergabe erwartet, bekommt sie ab dieser Stelle nicht mehr, und die Anzeige „48 kHz" am Gerät sagt darüber nichts aus.

Ein codierter Bitstrom übersteht es nicht. Was auf einer Digitalverbindung als Dolby- oder DTS-Datenstrom läuft, ist eine verpackte Datei im Kleid eines Audiostroms; Abtastwerte stehen darin nicht. Interpoliert man darin Zwischenwerte, kommt am Ende Rauschen heraus. Deshalb schalten Geräte in diesem Fall den Wandler ab, wechseln die Betriebsart oder bleiben stumm — und deshalb verschwindet in manchen Ketten die Mehrkanalwiedergabe, sobald jemand eine Klangregelung aktiviert.

Er hat eigene Artefakte. Das Interpolationsfilter bestimmt Welligkeit im Durchlassbereich und Verhalten darüber; die Verhältnisschätzung fügt eine eigene Unsicherheit hinzu. Beides ist bei guten Bauteilen weit unterhalb dessen, was zählt, und bei schlechten nicht. Dazu kommt Latenz, die in einer reinen Musikkette gleichgültig ist und bei Bild und Ton zusammen nicht.

Wo er in der Praxis sitzt

Fast überall, und meist ungefragt. AV-Receiver führen ihre gesamte Signalverarbeitung häufig auf einer festen internen Rate aus und rechnen alles darauf um. Raumkorrektursysteme arbeiten auf ihrer eigenen Rate. Netzwerk-Audiobrücken, Funkstrecken und viele USB-Audiogeräte setzen um, weil ihre beiden Seiten unabhängig getaktet sind. Digitale Mischpulte tun es an jedem Eingang, der nicht auf das Haustaktsignal synchronisiert ist.

Die planerisch entscheidende Frage lautet deshalb: Wie oft wird in dieser Kette umgerechnet? Eine Umsetzung ist unauffällig. Drei hintereinander — Streamer auf Receiver, Receiver auf Raumkorrektur, Raumkorrektur auf Endstufe — sind drei Filter, drei Schätzverfahren und drei Latenzen, und keine davon steht auf einem Datenblatt.

Häufiges Missverständnis

„Ein ASRC beseitigt Jitter." Er beseitigt die Wirkung des Schnittstellen-Jitters auf den Wandlungstakt, und das ist viel. Er ersetzt sie aber durch die Eigenschaften des lokalen Quarzes und durch die Unsicherheit der Zeitschätzung. Damit wird die Güte des lokalen Takts wichtiger und nicht unwichtiger — die Aufgabe wandert vom Kabel ins Gerät, statt zu verschwinden.

„Höherrechnen erhöht die Auflösung." Aus 44,1 auf 192 Kilohertz umzurechnen fügt keine Information hinzu; was nicht aufgenommen wurde, entsteht nicht durch Interpolation. Was sich ändert, ist die Lage der Filter im Gerät dahinter, und ob das hörbar besser ist, hängt an diesem Gerät und nicht an der Zahl.

„Gleiche Rate rein wie raus heißt, er ist überbrückt." Das ist ein Schluss vom Ergebnis auf den Weg, und er stimmt nur bei Geräten, die ausdrücklich einen Durchreichebetrieb anbieten. Am Display lässt sich das nicht ablesen — es zeigt die Rate und nicht den Weg dorthin. Zeigen kann es nur eine Prüfung, die genau darauf ausgelegt ist.

Nicht zu verwechseln mit

• Überabtastung im D/A-Wandler: Ein interner Rechenschritt, der die Rate vor der eigentlichen Wandlung vervielfacht, um das analoge Filter zu entlasten. Er ist Teil der Wandlerarchitektur und bringt das Signal nicht auf eine andere Schnittstellenrate.
• Umrechnung der Wortbreite: Der Wechsel von 24 auf 16 Bit ist eine andere Operation mit einer anderen Sorgfaltsanforderung — dort geht es um Dither und um Rundungsrauschen, nicht um Zwischenwerte in der Zeit.
• Formatwandlung zwischen PCM und DSD: Ein Wechsel des Darstellungsprinzips, nicht der Rate innerhalb desselben Prinzips.
• Dekodierung eines Mehrkanal-Bitstroms: Das Auspacken des Datenstroms in Abtastwerte. Es muss vor jeder Umrechnung stattfinden — nicht danach und nicht daneben.

In der Planung

Ein Streamer liefert Material in verschiedenen Raten, ein AV-Receiver mit Raumkorrektur steht dahinter, und die Frage lautet, wo umgerechnet werden soll. Die naheliegende Antwort — „gar nicht" — ist keine, weil die Raumkorrektur auf einer festen Rate rechnet und weil Filmton ohnehin dekodiert werden muss.

Deshalb zuerst die Frage: Welche Verarbeitung ist in dieser Anlage unverzichtbar? Bei einem Heimkino mit Raumkorrektur und Bassmanagement ist die Antwort eindeutig, und damit ist auch entschieden, dass umgerechnet wird. Bei einer reinen Stereokette ohne Korrektur ist sie es ebenso eindeutig in die andere Richtung.

Damit ist auch das Vorgehen entschieden. Wird verarbeitet, gehört die Umrechnung an eine Stelle und nicht an drei: Die Quelle gibt aus, was sie hat, das verarbeitende Gerät setzt einmal um, und alles dahinter bleibt auf dieser Rate. Wird nicht verarbeitet, führt der Weg an jedem Gerät vorbei, das ungefragt umrechnet — und das ist eine Auswahlfrage, keine Einstellungsfrage.

Erst danach kommen Geräte ins Spiel. Was man an ihnen prüfen kann, ist weniger, als man möchte: Die Güte eines Abtastratenwandlers steht in keinem Datenblatt, und die Zahl, die dort steht, ist die Rate und nicht die Qualität.

Verknüpfte Inhalte

Warum die Entkopplung des Wandlertakts überhaupt ein Thema ist und worin sich Schnittstellen- und Abtast-Jitter unterscheiden, steht beim Jitter — dort auch die Zahlen und die Jittertoleranz-Schablone. Wo in der Kette gewandelt wird und warum das die eigentliche Planungsfrage ist, behandelt der DAC. Was Abtastrate und Wortbreite bedeuten und warum mehr davon nicht automatisch besser ist, klären Abtastrate und Bittiefe und Hi-Res Audio. Die Schnittstellen, über die der Datenstrom ankommt, führen S/PDIF, TOSLINK und AES3.

Quellen

Aufbau und Teilprobleme der asynchronen Umsetzung folgen der Arbeit von Adams und Kwan aus dem Jahr 1993 und ihrer begutachteten Fassung von 1994; die bibliografischen Angaben sind über den AES-Katalog geprüft, die Volltexte lagen im Lauf nicht vor. Die Einordnung des asynchronen Wandlers als Mittel zur Entkopplung des Wandlertakts samt der verbleibenden Unsicherheit der Zeitschätzung stammt aus einer technischen Notiz zur Jitter-Theorie, die für den Bestandseintrag zum Jitter am Objekt gelesen wurde.