Rauschabstand (Signal-Rausch-Abstand, SNR)

Der Rauschabstand setzt das Nutzsignal eines Geräts ins Verhältnis zu dem Rauschen, das es selbst erzeugt, und gibt das Ergebnis in Dezibel an. Damit die Zahl etwas bedeutet, müssen drei Angaben dabeistehen: auf welchen Pegel sie sich bezieht, über welche Bandbreite gemessen wurde und ob dabei ein Bewertungsfilter im Weg lag.

Ausführliche Erklärung

Was tatsächlich gemessen wird

Der Ablauf ist einfach und in zwei Schritten erledigt. Zuerst wird festgestellt, wie viel Signal das Gerät abgibt — entweder bei Vollaussteuerung oder bei seinem Nennpegel. Danach wird das Signal weggenommen, der Eingang mit einem Widerstand abgeschlossen, und was dann noch am Ausgang übrig ist, wird als Rauschspannung gemessen. Das Verhältnis der beiden Werte ist der Rauschabstand.

Die Audio Engineering Society schreibt in denselben Satz, worauf es ankommt: Der Bezugspegel muss genannt werden. Üblich sind zwei — der erwartete Nennpegel im Betrieb, im professionellen Bereich +4 dBu, oder der maximale Ausgangspegel, dort meist um +20 dBu. Dazu kommen die Messbandbreite und ein etwaiges Bewertungsfilter. Fehlt eines davon, ist die Angabe ohne Bedeutung.

Warum 90 Dezibel nicht gleich 90 Dezibel sind

Dennis Bohn hat für Rane das Beispiel aufgeschrieben, das die Sache entscheidet. Zwei Geräte nennen beide 90 dB Rauschabstand. Das eine bezieht sich auf seinen Maximalpegel von +20 dBu, das andere auf einen Nennpegel von +4 dBu. Die Differenz der Bezugspunkte beträgt 16 dB — also ist das zweite Gerät tatsächlich 16 dB leiser, bei identischer Prospektzahl. Vollständig lautet die Angabe deshalb etwa „90 dB bezogen auf +4 dBu, 22 kHz Bandbreite, ohne zusätzliche Verstärkung". Was die beiden Nennpegel bedeuten und warum es zwei davon gibt, steht bei den Pegelkonventionen.

Die Bandbreite ist der zweite Hebel, und sie wirkt physikalisch: Je breiter das Messfenster, desto mehr Rauschen fällt hinein. Üblich sind 22 Kilohertz — die zwei Kilohertz über dem Hörbereich lassen das Filter wirken, ohne bei 20 Kilohertz schon abzuschneiden. Eine Angabe über 80 Kilohertz lässt sich mit einer über 20 Kilohertz nicht vergleichen.

Bewertung: warum A-bewertete Zahlen schöner aussehen

Ein Bewertungsfilter gewichtet die Frequenzen danach, wie empfindlich das Gehör dort ist. Die A-Bewertung senkt den Bassbereich kräftig ab — und genau dort sitzt das, was in einem Gerät am meisten stört: die Harmonischen der Netzfrequenz. Bohn beziffert das: Die zweite und dritte Netzharmonische werden um rund 20 beziehungsweise 12 Dezibel zurückgenommen, und eine Rauschangabe kann dadurch um bis zu 10 Dezibel besser aussehen. Sein Rat dazu ist entsprechend deutlich — wer eine A-bewertete Rauschangabe sieht, sollte sich fragen, was damit zugedeckt wird.

Der Vollständigkeit halber gibt es eine zweite Bewertung, die in die Gegenrichtung geht. Die Rundfunkempfehlung ITU-R BS.468 hebt den mittleren Bereich an: Ihre Kurve liegt bei 1 Kilohertz auf null, erreicht bei 6,3 Kilohertz ihr Maximum von +12,2 Dezibel und fällt zu den Rändern hin steil ab, bei 31,5 Hertz auf −29,9 und bei 20 Kilohertz auf −22,2 Dezibel. Vorgeschrieben ist dabei ein Quasi-Spitzenwert-Gleichrichter, und die Empfehlung sagt selbst, dass mit einem gewöhnlichen Effektivwertmesser gewonnene Zahlen nicht direkt vergleichbar sind. Filter und Gleichrichter gehören also zusammen — eine halb übernommene Vorschrift ergibt eine Zahl, die zu keiner anderen passt.

Rauschabstand und Dynamikumfang sind nicht dieselbe Messung

Beide Größen beschreiben einen Abstand in Dezibel, und beide stehen im selben Datenblattblock. Der Unterschied liegt im Messsignal.

Der Rauschabstand misst das Restrauschen, während kein Nutzsignal anliegt. Beim Dynamikumfang eines digitalen Geräts wird stattdessen ein Ton angelegt, der 60 Dezibel unter Vollaussteuerung liegt, und vor der Auswertung mit einem Kerbfilter wieder herausgenommen. Der Grund ist die Bauart der Wandler: Ohne Signal erzeugen sie eigene, tonale Störungen, und manche schalten ihren Ausgang bei Stille ganz ab, was eine unrealistisch gute Messung ergäbe. Beschrieben ist das Verfahren im Abschnitt 9.3 der AES17 unter der Überschrift „Rauschen bei anliegendem Signal"; die Messgerätehersteller fassen den Unterschied so zusammen, dass beide Messungen im Kern dieselben sind und sich im Bezugssignal unterscheiden.

Praktisch fallen die beiden Zahlen für denselben Wandler nah beieinander, aber nicht gleich aus. Texas Instruments misst an einem einzelnen Wandlerkanal 113,25 Dezibel Dynamikumfang und 112,94 Dezibel Rauschabstand — dieselbe Schaltung, dieselbe Einstellung, drei Zehntel Dezibel Unterschied allein aus dem Messsignal. Was der Dynamikumfang eines Signals beschreibt und wie er sich von der Geräteeigenschaft unterscheidet, steht beim Dynamikumfang.

Die Grenze, die die Auflösung setzt

Bei einem digitalen Signal gibt es eine untere Schranke, die kein Aufwand unterschreitet. Sie folgt aus der Quantisierung und lautet 6,02 · N + 1,76 Dezibel, wobei N die Zahl der Bits ist. Für 16 Bit ergibt das rund 98 Dezibel, für 24 Bit rund 146.

Zwei Bedingungen stecken in dieser Formel, und beide werden gern übersehen. Die 1,76 Dezibel gelten für ein vollausgesteuertes Sinussignal — sie sind der Unterschied zwischen dessen Effektivwert und seinem Spitzenwert. Und das Quantisierungsrauschen wird über die gesamte Nyquist-Bandbreite gemessen, also bis zur halben Abtastrate. Deshalb steht in vielen Texten für 16 Bit die Zahl 96 Dezibel: Das ist das reine Verhältnis von Vollaussteuerung zum kleinsten Schritt, 6,02 · 16, ohne den Sinusanteil. Beide Zahlen sind richtig und meinen Verschiedenes.

Wird über einen schmaleren Bereich gemessen als bis zur halben Abtastrate, verteilt sich dasselbe Rauschen auf mehr Bandbreite, als ausgewertet wird — der gemessene Abstand steigt. Genau daraus gewinnen überabtastende Wandler ihre Werte. Was Abtastrate und Bittiefe sonst bedeuten, steht im eigenen Eintrag dazu; den Nullpunkt der digitalen Skala erklärt der digitale Bezugspegel.

Wo das Rauschen herkommt — und warum die Kette entscheidet

Die unterste Grenze ist Physik. Ein Widerstand rauscht, weil sich seine Ladungsträger thermisch bewegen; entdeckt hat das J. B. Johnson im Jahr 1928. Bohn beziffert die Folge für die Praxis: Der übliche Quellwiderstand von 150 Ohm erzeugt über 20 Kilohertz Bandbreite bei Raumtemperatur eine Rauschspannung von −131 dBu, und leiser als seine Quelle kann keine Eingangsstufe sein. Halbiert man die Bandbreite auf 10 Kilohertz, sinkt der Wert auf −134 dBu — 3 Dezibel und nicht 6, weil die Rauschspannung mit der Wurzel der Bandbreite geht.

Für die Anlage im Wohnzimmer folgt daraus der eigentlich wichtige Satz: Was am Hörplatz zischt, hängt an der Verstärkungsstruktur. Rauschen, das eine frühe Stufe erzeugt, wird von jeder folgenden Stufe mitverstärkt. Bohn formuliert das für den Mikrofonvorverstärker so knapp wie möglich — dreht man die Verstärkung auf, steigt das Ausgangsrauschen entsprechend mit. In der Wiedergabekette ist die Lage dieselbe: Ein Zuspieler mit zu kleinem Ausgangspegel zwingt dazu, später mehr zu verstärken, und hebt damit alles an, was vorher entstanden ist. Die Eingangsempfindlichkeit ist deshalb der wirksamste Stellhebel für den Rauschabstand, den Du tatsächlich hörst.

Häufiges Missverständnis

„120 Dezibel sind besser als 110." Nur, wenn beide Angaben denselben Bezugspegel, dieselbe Bandbreite und dieselbe Bewertung nennen. Fehlt eine dieser Angaben, stehen zwei Messungen nebeneinander, die unter verschiedenen Bedingungen zustande gekommen sind. Wie groß der Effekt wird, zeigt schon ein einzelner Hebel: Zwischen der A-bewerteten und der unbewerteten Angabe desselben Geräts können zehn Dezibel liegen — mehr, als die beiden Prospektzahlen im Beispiel auseinanderliegen.

„Das Rauschen kommt vom Gerät mit der schlechtesten Zahl." Es kommt von der Stelle, an der verstärkt wird. Ein sehr rauscharmer Zuspieler mit zu geringem Ausgangspegel an einem Verstärker, der das aufholen muss, ergibt eine lautere Anlage als die umgekehrte Kombination — obwohl beide Datenblätter gut aussehen.

„Ein hoher Rauschabstand ist immer hörbar besser." Über dem elektrischen Rauschen liegt das akustische Grundgeräusch des Raums, und das ist in einem normalen Wohnzimmer der begrenzende Anteil. Wie hoch es liegt und wie es bewertet wird, behandelt der Grundgeräuschpegel. Ein Gerät, dessen Rauschen 20 Dezibel unter diesem Pegel liegt, wird durch weitere 10 Dezibel Abstand nicht leiser.

Nicht zu verwechseln mit

• Dynamikumfang: derselbe Aufbau, anderes Messsignal — hier ein Ton 60 Dezibel unter Vollaussteuerung statt gar keiner. Als Eigenschaft eines Musiksignals meint das Wort noch einmal etwas anderes.
• Klirrfaktor und THD+N: Verzerrung statt Rauschen. THD+N ist der Grenzfall, in dem beides zusammen gemessen wird — und deshalb die Zahl, die sich am ehesten mit einer Rauschangabe verwechseln lässt.
• Grundgeräuschpegel: ein akustischer Pegel im Raum, gemessen in Dezibel Schalldruck. Der Rauschabstand ist eine elektrische Verhältnisangabe ohne Einheit.
• Bittiefe: die Auflösung des Formats. Sie setzt eine theoretische Grenze für den Rauschabstand und ist nicht der gemessene Wert.

In der Planung

Eine MultiRoom-Anlage mit Deckenlautsprechern in Küche und Flur läuft seit zwei Wochen. Der Kunde meldet ein leises Zischen zwischen den Titeln und fragt, ob ein besserer Verstärker hilft.

Vor der Gerätefrage steht eine an den Raum: Wie leise ist er überhaupt? In einer Küche mit laufendem Kühlschrank liegt das Grundgeräusch so hoch, dass ein Zischen dort gar nicht auffällt — im Flur nachts liegt es deutlich tiefer. Wo das Zischen wirklich stört, ist damit schon die halbe Diagnose.

Danach das Verfahren; dort liegt in aller Regel die Ursache. Durchgegangen wird die Verstärkungsstruktur von vorn: Welchen Pegel gibt der Zuspieler ab, auf welche Empfindlichkeit ist der Eingang des Verstärkers eingestellt, und wie weit steht die Lautstärke im Normalbetrieb? Ein Installationsverstärker, dessen Eingang auf Studiopegel steht, während ein Netzwerkzuspieler mit Consumer-Nennpegel daran hängt, verlangt rund 12 Dezibel mehr Verstärkung — und hebt damit auch sein eigenes Rauschen um diesen Betrag an. Die Einstellung kostet nichts und wirkt sofort.

Die Geräte kommen zuletzt an die Reihe. Bleibt nach der Pegelanpassung ein hörbarer Rest, gehören zwei Datenblätter nebeneinandergelegt — und zwar nicht die beiden Zahlen, sondern ihre Bedingungen. Ohne Bezugspegel und Bandbreite ist der Vergleich ein Zahlenvergleich ohne Gegenstand.

Verknüpfte Inhalte

Wie sich Verhältnisse in Dezibel rechnen, steht beim Dezibel; welche Nennpegel es gibt und wie sie zueinander stehen, bei den Pegelkonventionen und beim digitalen Bezugspegel. Die Nachbarkenngrößen im Datenblatt sind Klirrfaktor und Frequenzgang; die Bewertungskurven behandelt der Eintrag zur A-Bewertung. Warum die Empfindlichkeit eines Eingangs über den Rauschabstand der ganzen Kette mitentscheidet, klärt die Eingangsempfindlichkeit; wie viel Reserve über dem Nennpegel bleibt, die Aussteuerungsreserve. Der akustische Gegenpart im Raum ist der Grundgeräuschpegel, und wie ein zweiter Masseweg zu Brummen führt, steht bei der Brummschleife.

Quellen

Die Definition des Rauschabstands, die Pflichtangaben Bezugspegel, Messbandbreite und Bewertung sowie die Feststellung, dass eine bloße Dezibelzahl nichts bedeutet, stammen aus dem Fachwörterbuch der Audio Engineering Society. Das Bezugspegel-Beispiel mit den 16 Dezibel Unterschied, die Musterschreibweise einer vollständigen Angabe, die Wirkung der A-Bewertung auf Netzharmonische, die Bandbreitenabhängigkeit samt der üblichen 22 Kilohertz und die Zahlen zum thermischen Rauschen eines 150-Ohm-Widerstands stehen in der Anwendungsschrift von Dennis Bohn für Rane aus dem Jahr 2000. Das Messverfahren für den Dynamikumfang mit dem Ton 60 Dezibel unter Vollaussteuerung, seine Begründung und die Zuordnung zu Abschnitt 9.3 der AES17 sind der Verfahrensdarstellung von Audio Precision entnommen. Die Zahlenwerte der Bewertungskurve und die Forderung nach einem Quasi-Spitzenwert-Gleichrichter stehen im Volltext der Empfehlung ITU-R BS.468-4. Die Formel für die Quantisierungsgrenze und ihre Bedingungen folgen dem Tutorial von Walt Kester für Analog Devices und einer Application Note von Texas Instruments; von dort stammt auch das Messbeispiel, in dem Dynamikumfang und Rauschabstand desselben Wandlerkanals um drei Zehntel Dezibel auseinanderliegen.