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.
Jedes elektronische Gerät macht ein leises Grundgeräusch, auch wenn
gerade keine Musik läuft — ein feines Zischen, manchmal ein Brummen.
Der Rauschabstand sagt, wie weit die Musik über diesem Grundgeräusch
liegt. Je größer die Zahl, desto weiter ist der Abstand. Der Haken:
Die Zahl im Prospekt lässt sich fast nie mit der eines anderen
Geräts vergleichen, weil jeder Hersteller anders misst. Und wenn Du
im Wohnzimmer zwischen zwei Liedern etwas zischen hörst, liegt das
meistens daran, wie die Geräte aufeinander eingestellt sind. Das
Gerät mit der schlechtesten Prospektzahl ist selten der Grund.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
„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.
- 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.
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.
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.
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.
