True Peak und dBTP

Der Echtspitzenpegel — englisch true peak — ist der höchste Wert, den die Wellenform eines digitalen Tonsignals im durchgehenden Zeitverlauf erreicht, also nach der Rückwandlung in ein analoges Signal. Dieser Wert kann höher liegen als der größte gespeicherte Abtastwert, weil die Spitze der Kurve meist zwischen zwei Abtastzeitpunkten liegt. Angegeben wird er in dBTP, in Dezibel bezogen auf die Vollaussteuerung, gemessen mit einem Verfahren, das das Signal zur Messung künstlich feiner auflöst.

Ausführliche Erklärung

Warum zwischen zwei Abtastwerten mehr stehen kann

Ein gespeichertes Tonsignal besteht aus Abtastwerten in festem zeitlichem Abstand, bei 48 kHz also aus 48 000 Werten je Sekunde. Was zwischen ihnen liegt, ist nicht verloren: Das Abtasttheorem besagt, dass sich die ursprüngliche Kurve aus diesen Werten eindeutig zurückrechnen lässt, solange sie keine Frequenzen oberhalb der halben Abtastrate enthält. Genau diese Rückrechnung macht der Wandler bei jeder Wiedergabe (siehe Abtastrate und Bittiefe im Audiosignal).

Der Spitzenwert dieser zurückgerechneten Kurve fällt fast nie genau auf einen Abtastzeitpunkt. Er liegt dazwischen, und dort kann er höher sein als jeder einzelne gespeicherte Wert. Die Empfehlung ITU-R BS.1770 definiert den Echtspitzenpegel deshalb ausdrücklich als den größten Betrag der Wellenform im durchgehenden Zeitbereich und hält fest, dass dieser Wert über dem größten Abtastwert liegen kann.

Wie groß der Abstand wird, hängt von der Frequenz ab. Für einen Dauerton bei einem Viertel der Abtastrate lässt sich ein Fehler von 3 dB zeigen, wenn die Abtastung ungünstig zur Phase liegt; nahe der halben Abtastrate wird die Unteranzeige nahezu beliebig groß. Ein Beispiel steht als Prüfsignal in der Messvorschrift des europäischen Rundfunks: ein Sinus bei einem Viertel der Abtastrate, dessen Abtastwerte rechnerisch genau die Vollaussteuerung erreichen, hat einen Echtspitzenpegel von +3,0 dBTP. Der Abtastwert-Spitzenmesser meldet dort eine gerade noch saubere Aufnahme, während die Kurve beim Abspielen um gut vierzig Prozent über die Grenze hinausschießt.

Für echte Musik und echten Filmton fällt der Abstand kleiner aus, weil deren Energie zu hohen Frequenzen hin abnimmt. Bei einzelnen Einschwingvorgängen — Schlagzeug, Türknall, Anblasgeräusch — sind mehrere Dezibel trotzdem üblich. Und je höher die ursprüngliche Abtastrate, desto kleiner wird das Problem, weil dieselbe Musik dann weniger Anteil nahe der halben Abtastrate hat.

Wie gemessen wird

Das Verfahren steht in Anhang 2 von ITU-R BS.1770 und arbeitet in fünf Schritten. Zuerst wird das Signal um 12,04 dB gedämpft, damit die folgende Rechnung auch in Ganzzahlarithmetik Platz nach oben hat; bei Gleitkommarechnung entfällt dieser Schritt. Dann wird das Signal vierfach überabgetastet, von 48 kHz auf 192 kHz — es werden also drei zusätzliche Stützstellen zwischen je zwei Abtastwerte gerechnet. Ein Tiefpassfilter glättet das Ergebnis auf die Kurve, die der Wandler später erzeugen wird. Danach wird der Betrag genommen, das Vorzeichen fällt weg, und der größte Wert wird logarithmisch umgerechnet, wobei die anfängliche Dämpfung wieder hinzugerechnet wird. Messgeräte, die mindestens auf 192 kHz überabtasten, dürfen ihr Ergebnis in dB TP anzeigen.

Kommt das Signal bereits mit höherer Abtastrate an, braucht es entsprechend weniger Überabtastung — bei 96 kHz genügt der Faktor zwei, weil das Ziel dasselbe bleibt: eine Auflösung von rund 192 kHz für die Messung.

Eine Zahl in dBTP ist damit eine sehr gute Schätzung und keine exakte Größe. Auch die vierfache Überabtastung liegt noch daneben, im ungünstigsten Fall um 0,554 dB bei einer normierten Grenzfrequenz von 0,45 und um 0,688 dB bei 0,5; achtfache Überabtastung drückt das auf 0,136 beziehungsweise 0,169 dB. Der europäische Rundfunk verlangt von einem Messgerät im EBU-Modus deshalb eine Toleranz von +0,2 bis −0,4 dBTP über die Prüfsignale hinweg, ausdrücklich einschließlich der Welligkeit des Überabtastfilters. In der Empfehlung selbst steht eine Messtoleranz von ±0,3 dB für Signale, die auf 20 kHz bandbegrenzt sind.

Welche Grenzwerte gelten und warum überhaupt einer

Der europäische Rundfunk normiert die Programmlautheit auf −23,0 LUFS und verlangt zugleich, dass der Echtspitzenpegel eines Programms in der Produktion −1 dBTP nicht überschreitet. Für die Verteilung über das Internet nennt die Audio Engineering Society denselben Wert am Eingang des Codecs. Ein Dezibel Reserve klingt nach wenig, hat aber drei Adressaten.

Erstens die Rückwandlung selbst. Der Unterschied zwischen dem mit vierfacher Überabtastung gemessenen Wert und dem analogen Pegel nach dem Wandler bleibt unter 1 dB und beträgt meist einige Zehntel — die Reserve deckt genau diese Unsicherheit ab.

Zweitens die Verarbeitung auf dem Weg. Spitzenpegel können durch alltägliche Schritte steigen: durch Filterung, durch Datenreduktion und durch Abtastratenwandlung. Ein datenreduziertes Format gibt beim Dekodieren eine Näherung der ursprünglichen Abtastwerte zurück, und deren Kurve fällt an einzelnen Stellen höher aus als die des Originals. Deshalb weist die Empfehlung darauf hin, dass für Verteilwege mit Datenreduktion niedrigere Höchstwerte angebracht sein können.

Drittens das Verhalten der digitalen Kette an ihrer Grenze. Eine analoge Stufe geht am oberen Ende allmählich in die Begrenzung; die digitale Zahlenkette hat oberhalb der Vollaussteuerung schlicht keinen Wert mehr und übersteuert abrupt. Was in der Aufnahme noch als Reserve vorhanden war, entscheidet daher darüber, ob eine Kette hörbar verzerrt — mehr dazu unter Aussteuerungsreserve.

Was das im Wohnzimmer bedeutet

Zwischen der Produktion und dem Lautsprecher liegen mehrere Stellen, an denen der Pegel noch einmal steigt. Der europäische Rundfunk rechnet für Heimkinogeräte mit einer Bezugslautheit von −31 LUFS gegenüber −23 LUFS bei Stereogeräten; wo ein Gerät Signale beider Welten an denselben Ausgängen mischt, kommen an dieser Stelle 8 dB Verstärkung hinzu, und die Empfehlung nennt als Mittel gegen die daraus folgende numerische Übersteuerung ausdrücklich einen Echtspitzen-Begrenzer. Dasselbe Papier beziffert Lautheitssprünge von 11 dB und mehr beim Wechsel zwischen Diensten mit verschiedenen Codecs und Abweichungen von 4 dB und mehr zwischen AV-Receivern verschiedener Marken und Modelle.

Dazu kommt alles, was ein Prozessor im Haus mit dem Signal macht: Bassmanagement summiert Anteile mehrerer Kanäle auf einen Ausgang, Raumkorrektur hebt einzelne Frequenzbereiche an, ein Upmix verteilt vorhandene Kanäle auf mehr Lautsprecher. Jeder dieser Schritte kann den Echtspitzenwert über den Wert des Ausgangsmaterials heben, und keiner davon meldet sich auf einer Anzeige, die nur Abtastwerte vergleicht.

Häufiges Missverständnis

„Über 0 dBFS geht nichts, also kann eine Datei nicht übersteuern." Für die gespeicherten Zahlen stimmt das: Die Vollaussteuerung ist das obere Ende des Zahlenbereichs, und darüber gibt es keinen Wert. Die Wellenform, die daraus beim Abspielen entsteht, kennt diese Grenze jedoch nicht. Sie ist das Ergebnis einer Rechnung über viele Abtastwerte, und ihr Maximum liegt oberhalb der Grenze, sobald die Abtastwerte nah genug an ihr liegen. Die Verzerrung entsteht dann im Wandler oder in einer nachfolgenden Rechenstufe.

„Meine Pegelanzeige zeigt die Spitzen." Die meisten digitalen Spitzenanzeigen vergleichen Abtastwerte, weil das einfach zu bauen ist, und dem Bediener ist das selten anzusehen. Drei Auffälligkeiten verraten sie: Dieselbe Aufnahme zeigt bei wiederholter Wandlung verschiedene Spitzenwerte, weil die Abtastzeitpunkte jedes Mal anders zur Kurve liegen. Übersteuerungen treten in späteren Stufen auf, obwohl die Anzeige nie den Anschlag erreicht hat. Und Ausrichttöne mit Frequenzen nahe einem ganzzahligen Teiler der Abtastrate werden zu niedrig angezeigt oder schwanken, obwohl ihre Amplitude konstant ist.

„dBTP und LUFS sind zwei Namen für dasselbe." Beide beziehen sich auf die Vollaussteuerung, beschreiben aber verschiedene Dinge. LUFS ist ein über die Zeit gemittelter Lautheitswert für ein ganzes Programm, dBTP der höchste Augenblickswert darin. Ein Programm auf −23 LUFS kann Spitzen bis nahe an die Vollaussteuerung enthalten; ein Programm mit Spitzen bei −1 dBTP kann trotzdem leise sein. Der Zusammenhang beider Größen steht bei Lautheit und Lautheitsnormalisierung.

Nicht zu verwechseln mit

• Abtastwert-Spitzenpegel in dBFS: der größte gespeicherte Wert. Er ist immer kleiner oder gleich dem Echtspitzenpegel. Beide Zahlen können in derselben Datei mehrere Dezibel auseinanderliegen, und nur die zweite sagt etwas darüber, was am Wandler passiert.
• Vollaussteuerung und Bezugspegel: 0 dBFS ist die obere Grenze des Zahlenbereichs, der Bezugspegel ein vereinbarter Arbeitspunkt darunter. Der Echtspitzenpegel ist dagegen eine Messgröße am konkreten Signal.
• Lautheit in LUFS: ein Mittelwert über die Dauer eines Programms, gemessen mit Frequenzbewertung und Schwelle. Der Echtspitzenpegel bleibt unbewertet und betrachtet einen einzigen Augenblick.
• Aussteuerungsreserve: der Abstand vom Arbeitspunkt bis zur Begrenzung, also eine Eigenschaft der Kette. Der Echtspitzenpegel misst, wie weit das Signal davon aufbraucht.
• Quasi-Spitzenwertmesser: das ältere Rundfunk-Messgerät mit festgelegter Trägheit. Es zeigt bewusst nicht jede Einzelspitze an und wurde für analoge Übertragungswege ausgelegt, deren Grenze weicher liegt als die der digitalen Zahlenkette.

In der Planung

Ein Heimkino spielt Filmton über einen Prozessor mit digitaler Lautstärkeregelung, Raumkorrektur und Bassmanagement, dazu Musik von einem Streamingdienst. Bei einzelnen lauten Passagen sind kurze Störgeräusche zu hören, und keine Anzeige im Gerät meldet eine Übersteuerung.

Zuerst zu klären ist das Konzept: Mit welcher Reserve bis zur Vollaussteuerung soll diese Kette arbeiten, und an welcher Stelle wird sie hergestellt — am Eingang des Prozessors, im Ausgangsweg oder gar nicht digital, sondern über die Verstärkung dahinter? Diese Entscheidung gehört an den Anfang, weil sie über die verfügbare Lautstärke und über den Abstand zum Grundrauschen mitentscheidet.

Steht die Reserve fest, wird sie überprüft. Gemessen wird mit einem Echtspitzen-Messgerät oder ersatzweise am Ausgang der Kette, nicht an der Abtastwert-Anzeige des Geräts; geprüft wird das Material, das die Spitzen erzeugt, also Filmton mit harten Einschwingvorgängen und lautheitsnormalisierte Musik aus dem Streamingdienst. Zeigt sich, dass die Störgeräusche mit angehobenen Frequenzbereichen der Raumkorrektur zusammenfallen, gehört die Reserve vor diese Stufe und nicht dahinter.

Erst danach ist die Gerätefrage sinnvoll, und sie hat ein klares Kriterium: Bietet der Prozessor eine einstellbare Eingangsdämpfung oder eine Echtspitzen-Begrenzung, und dokumentiert der Hersteller, an welcher Stelle der internen Kette sie wirkt? Ein Gerät, das dazu schweigt, lässt sich nur durch Ausprobieren in eine ausgerichtete Kette bringen.

Verknüpfte Inhalte

Wie aus einem Spannungsverlauf Abtastwerte werden und was dabei die halbe Abtastrate begrenzt, erklären Abtastrate und Bittiefe im Audiosignal und Digital-Analog-Wandler. Warum eine Wandlung der Abtastrate die Spitzen verschiebt, steht bei Abtastratenwandler, warum ein datenreduziertes Format nicht dieselben Werte zurückgibt bei Bitrate und Datenrate. Den Lautheitswert neben dem Spitzenwert behandelt Lautheit und Lautheitsnormalisierung, den vereinbarten Arbeitspunkt der Skala Bezugspegel zwischen analoger und digitaler Skala und die Reserve darüber Aussteuerungsreserve. Wo die Pegelfragen in der gesamten Signalkette zusammenlaufen, zeigt Die Audiokette.

Quellen

Die Definition des Echtspitzenpegels, das Messverfahren mit Dämpfung, vierfacher Überabtastung, Tiefpass und Umrechnung in dB TP, die Angaben zur verbleibenden Unteranzeige sowie die Auffälligkeiten von Abtastwert-Spitzenmessern stehen in der Empfehlung ITU-R BS.1770-5 der Internationalen Fernmeldeunion vom November 2023, dort in Anhang 2 und dessen informativer Anlage. Der Zielwert −23,0 LUFS, die Obergrenze −1 dBTP für die Produktion und die Messtoleranz stehen in der Empfehlung R 128 der Europäischen Rundfunkunion in der Fassung von 2023; die Toleranzen für Messgeräte und das Prüfsignal mit +3,0 dBTP in der zugehörigen Messvorschrift Tech 3341 von 2023. Die Angaben zur Abweichung zwischen Messwert und analogem Pegel nach der Rückwandlung, zu den Bezugslautheiten für Heimkino- und Stereogeräte und zu den Lautheitssprüngen zwischen Codecs und Geräten stehen in Tech 3344 der Europäischen Rundfunkunion von 2016. Alle vier Dokumente sind für diese Seite am Objekt gelesen. Die Obergrenze −1 dBTP am Eingang des Codecs für Internet-Verteilung stammt aus dem technischen Dokument AESTD1008 der Audio Engineering Society vom 24. September 2021 und ist aus dem vorhandenen Beleg übernommen.