Bezugspegel zwischen analoger und digitaler Skala

Ein Bezugspegel ist der vereinbarte Punkt, an dem eine Signalkette ausgerichtet wird — die Stelle, an der zwei Geräte, zwei Häuser oder zwei Länder dasselbe meinen, wenn sie „normal ausgesteuert" sagen. Die digitale Skala braucht diesen Punkt dringender als die analoge, weil sie von sich aus nur ihr oberes Ende kennt. Wo dieser Punkt unter dem oberen Ende liegt, regeln zwei Empfehlungen mit zwei verschiedenen Antworten: 18 dB in Europa, 20 dB in Nordamerika.

Ausführliche Erklärung

Warum die digitale Skala einen vereinbarten Nullpunkt braucht

Eine analoge Pegelangabe hat einen physikalischen Anker. 0 dBu meint 0,775 V, 0 dBV meint 1 V; wer nachmisst, findet die Spannung wieder (Grundlagen dazu unter Line-Pegel und die Pegelkonventionen).

Die digitale Skala hat diesen Anker nicht. Ihr einziger natürlicher Punkt ist das Ende des Zahlenbereichs: die größte Zahl, die die Wortbreite darstellen kann. Dieser Punkt heißt Vollaussteuerung, wird als 0 dBFS geschrieben, und alle anderen Werte liegen darunter — positive Werte gibt es nicht. Das obere Ende ist damit eine Eigenschaft der Zahlendarstellung und keine Aussage über Lautstärke. Ein Signal auf −20 dBFS ist nicht „leise", es steht nur zwanzig Dezibel unter der Grenze des Zahlenraums.

Daraus folgt die eigentliche Aufgabe: Irgendwo unterhalb dieser Grenze muss ein Punkt markiert werden, der dem analogen Normalbetrieb entspricht. Diese Marke ist der Bezugspegel. Sie wird nicht gemessen, sondern vereinbart — und weil sie vereinbart wird, konnten sich zwei Vereinbarungen bilden.

Die beiden Vereinbarungen

Europa: 18 dB unter dem höchsten Codierpegel. Die Europäische Rundfunkunion empfiehlt seit 1992, digitale Geräte auf einen Ausrichtpegel einzustellen, der 18 dB unter dem höchsten möglichen Codierpegel des Systems liegt — ausdrücklich unabhängig davon, wie viele Bit zur Verfügung stehen. Der glatte Wert 18 ist dabei gerundet: Gemeint ist das Verhältnis 1:8, und das sind 18,06 dB. Die Empfehlung nennt die Codewerte für 16, 18, 20 und 24 Bit einzeln, damit niemand rechnen muss.

Nordamerika: 20 dB unter der Vollaussteuerung. Die Society of Motion Picture and Television Engineers empfiehlt als Bezugssignal einen 1000-Hz-Sinus auf −20 dBFS und nennt ebenfalls die zugehörigen Codewerte je Wortbreite.

Der Abstand zwischen beiden Vereinbarungen ist kleiner, als die Zahlen vermuten lassen: knapp zwei Dezibel. Praktisch relevant wird er trotzdem, weil er sich in einer Kette mit mehreren Übergängen aufaddieren kann und weil er in die falsche Richtung wirkt — wer europäisch ausgerichtetes Material in eine nordamerikanisch ausgerichtete Kette gibt, arbeitet zwei Dezibel näher an der Grenze, als er glaubt.

Was in keiner der beiden Empfehlungen steht

An dieser Stelle behaupten die meisten Darstellungen mehr, als die Dokumente hergeben: Keine der beiden Empfehlungen legt fest, welche analoge Spannung auf diesem Punkt sitzt.

Die europäische Empfehlung spricht ausschließlich über Codierpegel, also über Zahlen. Die nordamerikanische wird an der entscheidenden Stelle sogar ausdrücklich: Das analoge Bezugssignal sei ein 1000-Hz-Sinus mit derjenigen Amplitude, bei der der Wandler des Systems genau die festgelegte digitale Darstellung erzeugt. Die Spannung ist damit als Eigenschaft des Wandlers definiert und nicht als Zahl in der Empfehlung.

Die geläufigen Paarungen — +4 dBu auf −20 dBFS, 0 dBu auf −18 dBFS — sind verbreitete Praxis und stehen so in keinem der beiden Texte. Ein Bezugspegel besteht damit immer aus zwei Angaben — dem digitalen Punkt und der analogen Spannung darauf —, und die zweite steht im Datenblatt des Wandlers. Wer nur eine von beiden festlegt, hat nichts festgelegt.

Woher der Abstand seine Größe hat

Warum überhaupt 18 oder 20 und nicht 6 oder 30? Die europäische Empfehlung legt ihre Begründung offen, und sie ist eine Kette aus drei Stufen.

Zuunterst steht die Definition aus dem internationalen Programmaustausch: Ein Ausrichtsignal ist ein 1-kHz-Sinus auf 0,775 V an einem Punkt mit relativem Pegel null, und der zulässige Höchstpegel eines Programms liegt 9 dB darüber. Diese neun Dezibel sind der Bereich, in dem sich das Programm bewegen darf.

Darüber kommt eine Eigenschaft der Messgeräte. Ein Quasi-Spitzenwertmesser zeigt die wahren Spitzen um bis zu 3 dB zu niedrig an, weil er zu träge ist, um jede Einzelspitze zu erfassen. Rechnet man Bedienfehler dazu, können die wahren Spitzen 15 dB über dem Ausrichtpegel liegen.

Und darüber liegt schließlich der Rest bis zur Grenze — bei 18 dB Abstand also gut drei Dezibel. Großzügig ist dieser Rest nicht; er ist das Ergebnis einer Abwägung, denn jedes Dezibel mehr Abstand nach oben kostet ein Dezibel Abstand nach unten zum Grundrauschen des Systems. Was in dieser obersten Etage passiert, warum sie in analogen und digitalen Ketten so verschieden ausfällt und wo sie in einer Anlage verloren geht, behandelt Aussteuerungsreserve.

Der Bezugspegel muss mitreisen

Eine Marke, die nur im Kopf des Technikers existiert, ist keine Marke. Die nordamerikanische Empfehlung schreibt deshalb vor, den verwendeten Bezugspegel auf dem Medium zu vermerken oder in es einzubetten, damit der nächste Nutzer den richtigen Wiedergabepegel wiederherstellen kann — mit der ausdrücklichen Begründung, dass Bezugspegel je nach örtlicher Praxis verschieden ausfallen. Genau dieselbe Überlegung gilt für eine Festinstallation, in der über Jahre verschiedene Leute arbeiten.

Was sich seit 2011 im Rundfunk geändert hat

Der Ausrichtpegel beantwortet die Frage, wo ein Gerät ausgerichtet ist. Er beantwortet nicht die Frage, wie laut ein Programm daraufhin gemacht wird — und genau diese zweite Frage hat die europäische Praxis 2011 von der Pegelmessung auf die Lautheitsmessung umgestellt. Seither wird der Programmpegel auf einen Zielwert von −23,0 LUFS normiert, und der Echtspitzenpegel darf −1 dBTP nicht überschreiten. Der Ausrichtton am Bandanfang hat damit seine Rolle als Pegelvorgabe für das Programm verloren; als Ausrichtpunkt für Geräte und Schnittstellen ist er geblieben.

Für eine Wiedergabekette im Wohnraum ist das kein Randthema. Es erklärt, warum zwei Zuspieler mit vollkommen korrekt eingestellten Geräten verschieden laut sein können: Der eine liefert lautheitsnormiertes Material, der andere spitzenpegelnormiertes.

Häufiges Missverständnis

Die verbreitetste Vorstellung setzt zwei Nullpunkte gleich, die verschiedene Skalen markieren: „0 dBFS ist der digitale Nullpunkt, also entspricht es 0 dBu." Beide Angaben heißen „null" und meinen entgegengesetzte Dinge. 0 dBu ist ein Punkt mitten in der analogen Aussteuerung, oberhalb und unterhalb ist Platz. 0 dBFS ist die Decke des Zahlenraums, oberhalb ist nichts. Ein Gerät, das beide Nullen aufeinander legt, verschenkt seinen gesamten Spielraum nach oben.

Der zweite Irrtum behandelt die beiden Vereinbarungen wie zwei Meinungen, von denen eine falsch sein muss. Sie sind zwei Verabredungen, und eine Verabredung ist nur innerhalb ihres Geltungsbereichs richtig. Falsch wird es erst, wenn beide in derselben Kette gelten — dann wandert das Signal bei jedem Übergang um knapp zwei Dezibel, und niemand findet die Ursache am Einzelgerät.

Der dritte Irrtum liest den Bezugspegel als Lautstärkeangabe. Die nordamerikanische Empfehlung stellt gleich in ihrem Geltungsbereich fest, dass die beschriebenen Bezugspegel keinen Bezug zur empfundenen Lautheit des Materials haben. Ein Bezugspegel richtet Geräte aus. Wie laut es im Raum wird, entscheiden Wirkungsgrad, Verstärkung und Hörabstand.

Nicht zu verwechseln mit

• Vollaussteuerung (0 dBFS): Das obere Ende des Zahlenbereichs. Der Bezugspegel liegt darunter, und der Abstand ist genau das, worüber die beiden Empfehlungen entscheiden.
• Nennpegel +4 dBu und −10 dBV: Sie beschreiben, wie kräftig ein analoges Line-Signal im Normalbetrieb ist. Ein Bezugspegel sagt zusätzlich, welcher Punkt der digitalen Skala dazugehört — Line-Pegel und die Pegelkonventionen behandelt die analoge Hälfte.
• Aussteuerungsreserve: der Abstand vom Arbeitspunkt bis zur Begrenzung. Der Bezugspegel legt fest, wo gemessen wird; die Reserve beschreibt, was oberhalb davon noch Platz hat.
• Referenzpegel im Sinne von 85 dB: ein Schalldruck im Raum, kein Punkt auf einer Signalskala. Beide heißen „Bezugspegel", und die Filmtonpraxis verknüpft sie miteinander — die Größen bleiben verschieden.
• Lautheitsnormierung auf −23 LUFS: eine Aussage über das ganze Programm, gemessen über seine Dauer. Ein Bezugspegel ist ein Punkt auf der Skala und wird mit einem Sinuston hergestellt.
• Eingangsempfindlichkeit: die Spannung, die ein Gerät für seine volle Aussteuerung erwartet. Sie ist die gerätebezogene Antwort auf dieselbe Frage und darum die Stellschraube, mit der ein Bezugspegel in einer Anlage überhaupt eingestellt wird.

In der Planung

Eine Anlage bekommt einen Plattenspieler und einen Tuner an analogen Eingängen, dahinter einen Prozessor mit Raumkorrektur, und der Ton geht über das Netzwerk in drei weitere Räume. Das Signal wechselt auf diesem Weg mindestens zweimal die Welt: analog nach digital am Eingang, digital nach analog vor jeder Endstufe.

Zuerst zu klären ist deshalb weder Wandler noch Prozessor, sondern die Vereinbarung selbst: Welcher Bezugspegel gilt in dieser Anlage, und an welchem Gerät wird er hergestellt? Eine Anlage hat genau einen, und er gehört aufgeschrieben — mit beiden Hälften, also digitalem Punkt und analoger Spannung darauf.

Ist der Pegel festgelegt, wird er nachgemessen. Ein Sinuston auf dem festgelegten Pegel wird in die Kette gegeben und an jedem Übergang nachgesehen: Steht er nach dem Wandler auf dem erwarteten digitalen Wert, und kommt er nach der Rückwandlung mit derselben Spannung heraus, mit der er hineinging? Wo er das nicht tut, wird an genau einer Stelle korrigiert — an der Eingangsempfindlichkeit des betroffenen Geräts, sofern sie einstellbar ist. Was hier nicht stimmt, lässt sich später nicht durch Lautstärke ausgleichen: Ein zu niedrig angesetzter Bezugspegel hebt in jeder Folgestufe das Grundrauschen mit an, ein zu hoch angesetzter nimmt dem Signal den Platz für Spitzen.

Erst danach kommt die Gerätewahl, und sie hat nach diesen beiden Entscheidungen ein hartes Kriterium: Der Wandler an der Nahtstelle muss seine Empfindlichkeit entweder einstellbar anbieten oder sie wenigstens beziffern. Ein Gerät, das dazu schweigt, lässt sich in eine ausgerichtete Kette nur hineinprobieren.

Verknüpfte Inhalte

Die analoge Hälfte der Frage — welche Spannungen im Normalbetrieb üblich sind und warum es zwei Konventionen gibt — behandelt Line-Pegel und die Pegelkonventionen. Was oberhalb des Bezugspegels passiert, steht unter Aussteuerungsreserve. Wie aus einem Spannungsverlauf Zahlen werden und was die Wortbreite dabei begrenzt, erklären Abtastrate und Bittiefe im Audiosignal und Digital-Analog-Wandler. Den Bezugspegel des Filmtons und seine Umrechnung in Schalldruck behandeln Referenzpegel (THX Reference Level) und Wie laut muss ein Heimkino sein?. Warum ein zu niedrig angesetzter Bezugspegel hörbar wird, erklärt Grundgeräuschpegel.

Quellen

Der europäische Ausrichtpegel von 18,06 dB unter dem höchsten Codierpegel steht in der Empfehlung R 68 der Europäischen Rundfunkunion in der Fassung von 2000, zusammen mit der Herleitung über den zulässigen Höchstpegel und das Verhalten von Quasi-Spitzenwertmessern. Das nordamerikanische Bezugssignal auf −20 dBFS, die Bestimmung der analogen Entsprechung über den Wandler des Systems, die Kennzeichnungspflicht auf dem Medium und die Feststellung, dass Bezugspegel nichts über Lautheit aussagen, stehen in der Empfehlung RP 155 der Society of Motion Picture and Television Engineers in der Fassung von 2014. Die Definition von Ausrichtsignal und zulässigem Höchstsignal samt der neun Dezibel dazwischen steht in der Empfehlung BS.645-2 der Internationalen Fernmeldeunion. Die Umstellung der europäischen Rundfunkpraxis auf Lautheitsnormierung mit dem Zielwert −23,0 LUFS und der Obergrenze −1 dBTP steht in der Empfehlung R 128 der Europäischen Rundfunkunion in der Fassung von 2023. Alle vier Dokumente sind im Volltext eingesehen.