Unterschied analog/digital

von redtie, 20.02.20.

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  1. redtie

    redtie Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 20.02.20   #1
    Hallo, ich schreibe gerade meine Bachelorarbeit zum Thema Vocals im Homestudio und schreibe dabei gerade über die Geschichte bzw. Entwicklung der Tonaufnahme bis heute. Nun möchte ich erklären, was der konkrete Unterschied zwischen analog und digital ist und bin drauf gekommen, dass ich es selbst noch nicht richtig verstanden habe. Ich finde auch keine eindeutige Erklärung, die ich checke, sondern oft nur Vergleiche oder Diskussionen, was besser klingt.

    Wikipedia sagt dazu:
    "Bei der analogen Tonaufnahme werden die von den Mikrofonen gewonnenen Signale je nach Trägermedium in andere analoge Schwingungen übersetzt, z. B. in wechselnd starke Magnetisierung eines am Schreibkopf einer Bandmaschine gleichmäßig vorbeigeführten Tonbandes. Die Nachteile der analogen Speicherung liegen hauptsächlich in der Abnutzung des Materials. Auch bei der Compact Disc (CD) wurden zunächst analoge Verfahren eingesetzt (siehe Geschichte der CD)."

    "Digitale Aufnahme bedeutet, dass die Signalquelle entweder schon selbst bereits digital ist (z. B. digitale Synthesizer), oder dass analoge Audiosignale, die beispielsweise von Mikrofonen aufgenommen werden, in der Signalkette mithilfe eines Analog/Digital-Wandlers digitalisiert werden.
    Durch die digitale Aufzeichnung entfallen bestimmte Störfaktoren, die bei einer analogen Aufzeichnung anfallen würden (z. B. Bandrauschen, Plattenkratzen). Andererseits wird bei der Digitalisierung die Qualität der Aufnahme entscheidend festgelegt. Daher wählt man für diesen Schritt teilweise höhere Sampling-Raten und/oder eine höhere Wortbreite pro Sample, als später für die Vervielfältigung z. B. auf einer Audio-CD eigentlich nötig wäre. Das Produkt aus Sampling-Rate und Wortbreite (und Kanalanzahl) wird auch Bitrate genannt."

    Kann mir das jemand übersetzen, so dass ich es verstehe? ;)
     
  2. glombi

    glombi Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 20.02.20   #2
    Steht zwar schon (fast) alles da, aber gerne ein ganz kurzer Anlauf.

    Analog: Zum Beispiel wir die analoge (kontinuierliche) Schwingung des Tonsignals wir über einen Wandler (Mikrofon) in eine kontinuierliches analoges elektrisches Signal gewandelt, welches über einen Magnetkopf zur dauerhaften Speicherung in eine analoge Magnetisierung des Magnetbandes gewandelt wird. Bei der ganzen analogen Bearbeitung entsteht Rauschen, Verzerrung, und was weiß ich. Die Magentisierung des Magnetbandes geht mit der Zeit verloren, das aufgenommene Signal verschlechtert sich also, aber nur schleichend...

    Digital: Zum Beispiel wir die analoge (kontinuierliche) Schwingung des Tonsignals wir über einen Wandler (Mikrofon) in eine kontinuierliches analoges elektrisches Signal gewandelt. Soweit wie beim Analoge. Das Signal wir dann in einem Analog-Digital-Wandler diskretisiert (es nur noch fest abgestufte Sprünge des Signals, keinen kontinuierlichen Verlauf mehr) und in eine Abfolge von Zahlenwerten gewandelt, die dann wiederum als Abfolge von Nullen und Einsen z.B. wieder auf einem Magnetband gespeichert werden. Selbst wenn die Magnetisierung nachlässt, sind Nullen und Einsen bei der Wiedergabe klar zu unterscheiden. Das Signal kann auf dem umgekehrten Weg wieder in ein hörbares Analogers Schallsignal gewandelt werden. Wenn die Unterscheidbarkeit nicht mehr gegeben ist, ist die Aufzeichnung plötzlich nur noch Schrott. Bei der Wandlung geht durch die Diskretisierung, Aliasing, etc. Information verloren, ob das heute noch relevant oder hörbar ist, will ich hier nicht diskutieren.

    Sehr vereinfacht, daher werden die Experten sicher ganz viele Fehler in meiner Erklärung finden...

    Gruß,
    glombi
     
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  3. Ralphgue

    Ralphgue Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #3
    Mein bescheidener Versuch...

    Schall erzeugt Schwingungen in der Luft (Stimmen, Saiten eines Instruments etc.) Diese breiten sich wellenförmig aus (Analogie: einen Stein ins Wasser werfen = Wellen)
    Diese Schwingungen werden von einer Membran (Mikrofon) empfangen, diese bewegt sich und erzeugt mittels einer dort angebrachten Drahtwicklung innerhalb eines Dauermagneten eine Spannung, (vereinfacht weiterhin Strom genannt), der genauso stark/schwach ist wie der Schall, ebenso z.B eine elektr. Gitarre, wo die Schwingung der (Stahl)Saite einen Magneten umwickelt von Draht (Ein Pickup) zur Erzeugung des Stroms anregt. Dieser wird mit elektrischen Schaltungen verstärkt zur Weiterverarbeitung, entweder zur Aufzeichnung auf (vormagnetisierte) Tonbänder oder zur mechanischen Bewegung einer Nadel, die die Rillen in eine Schallplatte ritzt (von der dann die Kopien erstellt werden), und natürlich zur Wiedergabe über Verstärker und Lautsprecher, die sozusagen wie ein "umgekehrtes" Mikrofon arbeiten, da hier der verstärkte Strom, in einen Magneten mit Drahtwicklung, die an der Membran des Lautsprechers befestigt ist, Dies "Pappe" zum Schwingen bringt.
    Hier ist (war) die Kette der Erfassung des Schalls, der Weiterverarbeitung der Aufzeichnung / Speicherung und der Wiedergabe komplett analog.

    Nun kann ich an beliebigen Stellen des Signalflusses (z.B. nach dem Mikrofon) eine elektronische Schaltung installieren, die aus dem analogen Strom ein digitales Signal macht (Analog-Digital Wandler).
    Grob vereinfacht wird hier ein Signal (kontinuierlicher pulsierender Strom) in die Schaltzustände An oder Aus (0 oder 1) viel tausendfach "zerlegt", weiterbearbeitet (z.B. im PC), und am Schluss der Kette entweder digital gespeichert (CD, Speicherkarte, Festplatte etc.) und/oder wieder mittels einen Digital-Analog Schaltung zurück gewandelt für Lautsprecher, Line Ausgänge, Kopfhörer etc.
    https://www.rohm.de/electronics-basics/ad-da-converters/what-are-ad-da-converters
     
  4. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 21.02.20   #4
    Schlägt man die Bedeutung des Wortes „analog“ nach, so kommt man auf Begriffe wie ähnlich, vergleichbar, gleichartig; entsprechend.
    Und genau das ist es. Bei der Analogen Mikrofon-Aufzeichnung wird der Schalldruck vom Mikrofon in ein elektrisches Signal und dann weiter z.B in eine Magnetisierung verwandelt. Mehr Schalldruck ergibt mehr Spannung und das wiederum eine stärkere Magnetisierung. Die entstehenden Ergebnisse sind direkt vergleichbar da es sich immer um physikalische Größen (Druck, Spannung, Magnetisierung) deren Werte immer den anderen Größen entsprechend sind. Sie sind also immer eine „Analogie“. Da es sich bei diesen Verfahren um einfache Umwandlungen von phys. Größen handelt ist sie kontinuierlich, also ohne Unterbrechungen möglich.

    Bei digitalen Aufzeichnung wird eine Physikalische Größe (Druck oder Spannung z.B) „digitalisiert“, also gemessen und mittels festgelegtem Berechnungsmodell in eine Zahl umgewandelt und diese erst wird gespeichert (oder übertragen). Man hat also aus einer physikalischen Größe eine mathematische gemacht, womit sie nicht mehr gleichartig ist, also nicht mehr analog. Dazu kommt dass man dieses Messen in einem vorgegebenen Zeitraster (Samplingrate) durchführen muss, womit eine kontinuierliche, unterbrechungsfreie Aufzeichnung nicht möglich ist.
     
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  5. adrachin

    adrachin Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #5
    Das ist aber eine steile These. Schallwandlung ist ein technisches Verfahren, das angewendet wird um entweder eine Beschallung (Verstärkung) über wiederum technische Mittel (Lautsprecher) zu realisieren, entweder direkt an dem Ort, wo auch das eigentliche Klanggeschehen sich ereignet, oder über geeignete Medien über eine Distanz übertragen und dann erst mit technischen Mitteln wieder in hörbare Schallwellen gewandelt. Bei Fernübertragung kann das das eigentlich Signal sogar noch mal gewandelt und zum Beispiel auf eine AM oder FM Welle aufmoduliert werden.

    In keinem Fall ist es möglich, das gewandelte Signal direkt zu hören. Es muss wieder gewandelt werden, um es hörbar zu machen.

    Übrigens wurden auch in der "analogen Zeit" schon digital Signale übertragen. Morsecode zum Beispiel. Buchstaben kodiert in An / Aus Sequenzen.

    Bei Tonträgern ist der eigentliche Unterschied die Speicherung des Datenstromes. Und eine Zusätzliche Wandlung, welche den Datenstrom in einen Zahlenstrom verwandelt.

    Natürlich muss die Aufzeichnung zwingend unterbrechungsfrei erfolgen. Ist das nicht der Fall, entstehen die Probleme, welche hier zu tausenden besprochen wurden und die niemand haben will. Und wer sie hat, wird alles tun, um sie loszuwerden. Dropouts.

    Bei CD ist ist das einfach. Ebenso bei diversen komprimierten Verfahren. Bei einer Unterbrechung des Datenstromes wird mit einer Fehlerkorrektur interpoliert und die Unterbrechung wird nicht mehr als solche wahrgenommen. Ander bei PCM Datenströmen. Hier wird keine Fehlerkorrektur vorgenommen, um das Signal so korrekt wie möglich zu erhalten.

    Das mit den Treppenstufen im Digital Signal ist eine Vorstellung, die sich weit verbreitet hat, aber mit der Realität der digitalen Signalbearbeitung nur am Rande zu tun hat.

    Hier ein Video zu dem Thema, welches das anschaulich zeigt:



    Auf der Originalseite gibt es das auch noch mal Schriftlich. Da finden sich auch weitere Informationen und Querverweise zu weiteren Informationsquellen.
     
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  6. nasi_goreng

    nasi_goreng Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #6
    Warum soll das eine "steile These" sein?" Ist zwar vereinfacht und allgemein gehalten, aber trifft doch den Kern, oder nicht?
     
  7. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 21.02.20   #7
    Hmm, ich habe auch nirgendwo gesagt dass es nicht wieder zurück gewandelt werden muss (da sind analoge wie auch digitale Übertragungsverfahren gleich). Es ging mir um den Unterschied Analog vs. Digital zu verdeutlichen. Und ich denke da liege ich nicht falsch mit meinen Ausführungen.

    Und mit Unterbrechungsfrei meine ich nicht das Fehlen von Dropouts. Das analoge Verfahren ist es ein vollständig kontinuierliches, während das digitale ein Zeitraster benutzt, die Samplingrate. Zwischen zwei Messungen (Samples) besteht eine zeitliche Lücke, in der man mit einer digitalen Übertragung keinerlei Aussage über das Eingangssignal treffen kann. Daher versucht man ja mit höheren Samplingraten diese zeitlichen Lücken immer kleiner zu machen um eine genauere Abbildung des Originals zu erreichen. Das gilt auch für ein ideales digitales System. Bei einem idealen analogen System hat man dieses Manko nicht, da es ein identes Abbild der Originalen Wellenform (um einmal im Audiobereich zu bleiben) erzeugt nur mit einer anderen physikalischen Größe (Spannung vs. Druck).
    Und ich hab auch nicht diese Geschichte mit den Treppenstufen erwähnt, denn auch das hat nichts mit dem digitalen übertragen von Audiodaten zu tun. Es wird ja nur die Sequenz an Messdaten (Samples) erzeugt und übertragen und keine Wellenformen (das macht die analoge Übertragung).
    Vielleicht hilft auch die Sichtweise, dass bei der analogen Übertragung Wellenformen übertagen werden und bei der digitalen Übertragung eben eine Reihe von Zahlen.
    Und der Typ hat sich wohl mehr über DA Wandler und was die so treiben (sollen) ausgelassen als über das Thema Analog vs. Digital. Aber ich habs mir nicht zu Ende angesehen.
     
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  8. adrachin

    adrachin Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #8
    Das wäre für Analog durchaus wünschenswert. Denn auch die Aufzeichnung eines analogen Signals findet auf einer Zeitachse statt. Die Auflösung und damit die Güte einer späteren Rückwandlung, wird da bestimmt durch die Geschwindigkeit des Magnetbandes zum Beispiel. Oder der Grösse der Magnetpartikel. Das, was gespeichert wird ist also alles andere als genau das, was das Mikro gewandelt hat. Bei der Rückwand kommt nochmal jede Menge Verlust dazu.

    Diese Nachteile hat eine digitale Speicherung nicht. Und im Gegensatz zu der analogen Speicherung kann man aus dem Digitalen Datenstrom das Ursprungssignal nahezu eins zu eins wieder Rückwandeln. Ohne die vielen Nachteile der analogen Speichermedien.

    In dem Video wird dann auch die Informationsmenge analoger Medien "analog" umgerechnet in digitale Begriffe. Die besten analogen Seichermedien kommen da gerade mal auf 13 Bit. Kassetten , die vielleicht einige noch kennen gerade mal auf 6 Bit wenn ich recht erinnere.

    Also mit Lücke im Sound durch Digitalwandlung, das kommt irgendwie nicht hin. Aus dem Grund kann ich Deiner These auch nicht folgen.

    Für mich ist weiterhin die Art der Speicherung der elementare Unterschied. Und der Umstand, dass sich das Eingangssignal zu nahezu einhundert Prozent wieder herstellen lässt. Daraus ergeben sich ja die immensen Vorteile. Und die kommen natürlich auch bei Fernübertragung zum tragen.
     
  9. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 21.02.20   #9
    Und genau das geht bei digitaler Signalbearbeitung eben nicht. Durch die Samplingrate von, sagen wir mal, 44.100 Hz ergibt sich dass du Eben keinerlei Informationen im Bereich von 50.000 Hz übertragen kannst. Bei analoger Übertragung geht das, auch wenn es durch die technische Umsetzung zu gewissen Verlusten kommt. Aber beim digitalen Verfahren gehts nicht mal theoretisch.
    Aber es geht auch nicht um Vor- oder Nachteile eines der Verfahren sondern nur um den grundlegenden Unterschied.
    Nimm eine Digitalisierung mit 10 Hz und 8 Bit. Da wird alle 100 ms ein Wert in max 256 Schritten ermittelt. Alles was innerhalb dieser 100ms passiert bleibt unerkannt. Klar wurden Samplingfrequenzen in einem Bereich gewählt, der für das zu übertragende Frequenzspektrum eignet. Aber mich würde mal interessieren was bei dem im Video aufgebautem Versuch ausgangsseitig angezeigt werden würde, wenn man einen DA Wandler im GHz Bereich benutzt und auch ein entsprechendes Oszilloskop mit dieser Auflösung einsetzt.
    Aber gut vielleicht wirds ab hier zu theoretisch, auch wenn dass für einen angehenden Bachelor durchaus passen könnte.
     
  10. adrachin

    adrachin Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #10
    Und? Nimmt man eben eine Samplingfrequenz von 100000. Oder 200000. Oder wie wäre es mit 500000? Das digitale Oszilloskop, mit dem ich arbeite kann 2 GHz.

    Gehen damit auch 2 GHz?

    Da kommt auch nichts anderes raus. Schickst Du 15 kHz Sinus rein, kommt 15 kHz Sinus raus. Oder meinst Du, dann endlich sind die Treppchen und Löcher im Signal endlich zu sehen?
     
  11. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 21.02.20   #11
    Aber immer doch. Oder wie glaubst du kommt das Signal zum DA Wandler?
    Nur, nochmal, um das geht es hier nicht. Eine digitale Übertragung ist eine Darstellung der Wellenform durch Zahlen, eine analoge überträgt dieselbe Wellenform als Wellenform, nur mit einem anderen Medium (Elektrische Leitung vs. Luftdruck). Das ist der essentielle Unterschied. Wie akkurat die Abbildung ist oder was dir oder mir genehmer wäre ist hier nicht von Bedeutung.
     
  12. adrachin

    adrachin Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 21.02.20   #12
    Sobald die Schallwelle das Mikrophon trifft, die Membran in Bewegung setzt und dadurch ein elektrischer Strom induziert wird, oder auch einen Spannungsschwankung wie das bei Kondensator Mikrophonen oder Bändchenmikrophonen der Fall ist, ist es nicht mehr die selbe Wellenform. Die ist umgewandelt mit einem technischen Verfahren in etwas ganz anderes. Ohne eine weitere Wandlung wird daraus auch kein als Schall wahrnehmbares Ereignis werden. Erst wenn es im Lautsprecher wieder über die Membran Luft bewegt, wird es wieder zum Schallereignis.

    Es wird ja wohl auch niemand annehmen wollen, das, was aus einem Lautsprecher kommt, wäre das gleiche, wie das, was von der ursprünglichen Schallquelle auf ein menschliches Ohr getroffen ist.

    Beides, ob nun auf einem Magnetband zwischengespeichert, oder als Zahlen abgelegt, sind technische Repräsentationen des ursprünglichen Ereignisses. Aber niemals das Ereignis selbst.

    Ich bemühe mich ja. Aber ich kann den Unterschied einfach nicht sehen.

    Wie akkurat die Abbildung ist, das ist auf jeden Fall von belangt. Das ist das, worüber sich Dekaden lang Ingenieure, die sich mit dem Problem beschäftigt haben, den Kopf zerbrochen haben.

    Was Dir oder mir genehm ist, da gebe ich Dir recht, das ist nicht von Belang.

    P.s.:

    Ganz bestimmt nicht mehr über ein Mikrophon oder einen anderen Schallwandler. Oder kennst Du welche? Die bis 100 kHz gehen? Oder Mehr?

    .... (;
     
  13. LoboMix

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    Erstellt: 21.02.20   #13
    Diesen Aussagen muss ich widersprechen.
    Erstens kann man mit 44,1 kHz Samplefrequenz ´nur´ maximal Frequenzen bis 22,05 kHz darstellen und zweitens gibt es mittlerweile AD-Wandler für Audio-Zwecke mit 768 khz Samplefrequenz, z.B. den AK4493-Chip [wird hier für rund 16 $ angeboten: https://de.aliexpress.com/i/33005910511.html], der beim ADI-2 Pro FS R zum Einsatz kommt [https://www.rme-audio.de/de_adi-2-pro-fs-be.html]. Damit können im Prinzip Frequenzen bis 384 kHz dargestellt werden, die man erst mal in der ´freien Wildbahn´ auftreiben müsste, ebenso Hörer dafür. Ich kenne auch nur einige Mikrofone für Musikaufzeichnung von Sennheiser, die bis rund 50 kHz kommen.

    Aus der Zeit der analogen Aufzeichnung (Tonband / Schallplatte) wird man nichts adäqautes finden. Tatsächlich waren ebene Frequenzgänge bis zu den schon erwähnten 22,05 kHz seinerzeit auch nur mit Mühe zu erreichen. Den Spalt am Magnetkopf kann man nämlich nicht beliebig schmal machen, da sonst die tiefen Frequenzen irgendwann schwächer werden. Dazu kamen sehr hohe Bandgeschwindigkeiten, 38 cm/s war im Profibereich sowieso Standard, es gab auch Maschinen mit 76 cm/s. Der Bandverbrauch war entsprechend groß und teuer, zumal professionelles Bandmaterial an sich schon seinen Preis hatte.
    Fazit: die analoge Aufzeichnung war ebenso bandbreitenbegrenzt auf ihre Weise, wie es die digitale Technik unvermeidbar ist, bzw. sein muss (dazu weiter unten mehr).
    Der Fakt, dass man mit einem schnell laufenden Tonband irgendwas um 50 kHz bei vielleicht -60 dB (oder noch weniger) noch irgendwie mitnehmen kann, hat in der Praxis absolut keine Bedeutung. Erstens hört das keiner (Fledermäuse ausgenommen) und zweitens geht es da schon weitgehend im Rauschen unter.

    Bandbreitenbegrenzung ist überhaupt das Stichwort.
    In der analogen Welt stand das Thema weniger im Vordergrund, die alte HiFi-Norm verlangte für Consumer-Geräte (relativ) ebene Frequenzgänge zwischen 40 Hz und 16 kHz (was in Anbetracht des menschlichen Hörvermögens eine sehr realistische Betrachtung war und immer noch ist - http://iiiii.klingt.org/soundart/ohr/).

    In der digitalen Audio-Welt wurde das irgendwann ein dickes Thema, wahrscheinlich weil bei der AD-Wandlung zwingend eine Bandbreitenbegrenzung erfolgen muss. Viele haben das wohl als einen Affront auf ihr (maßlos überschätztes) Hörvermögen angesehen und/oder sind wohl der Meinung, dass man weit über 20 kHz hinaus aufzeichnen können müsse, damit das Signal "ehrlich", "echt", "realistisch" oder wer weiß was sei. Diesen Gedanken kann ich nicht folgen. Wer als Erwachsener bis 16 kHz noch etwas hört, darf sich glücklich schätzen.

    Warum die Bandbreitenbegrenzung?
    Die ist deshalb nötig, weil es mindestens zwei Abtastpunkte geben muss, um eine Sinusfrequenz noch als Sample erfassen zu können. Die Grenzfrequenz nennt man auch die Nyquist-Frequenz, hier nachzulesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Frequenz, noch anschaulicher hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Hier nur soviel: Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz haben zu wenig Abtastpunkte und werden als Aliasing-Frequenzen in den hörbaren Bereich gespiegelt, was Verzerrungen und Verfälschungen produziert.
    Deshalb muss vor der Wandlung das Signal so begrenzt werden, dass den Wandler keine Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz erreichen. Das ist die halbe Samplingfrequenz, wobei man sinnvollerweise noch etwas zusätzlichen Abstand einhält. Ein Aliasing-Filter bei 44,1 kHz Samlingfrequenz sollte deshalb ab 20 kHz sozusagen abriegeln. Die dazu nötigen steilflankigen analogen Filter waren aber ihrerseits nicht unproblematisch, da steilflankige Filter mehr Verzerrungen produzieren als flache Filter 1. Ordnung. Bei 48 kHz Samplerate war der Spielraum größer.

    Die Zeit der analogen Filter, gar der steilflankigen, ist aber lange vorbei, denn durch das Prinzip des "Oversampling", also das Abtasten mit dem Mehrfachen der Samplingfrequenz, konnte das Filtern auf die Nyquist-Grenze in die digitale Seite des AD-Wandlers verlegt und damit die Verzerrungen der analogen Filter vermieden werden. Ein AD-Wandler mit 256-fachem Oversampling tastet intern bei 44.1 kHz Samplerate mit rund 11,3 MHz ab.

    Was auch sonst? Die Nyquist-Frequenz eines 10-Hz-Wandlers wäre 5 Hz. Das wäre wahrscheinlich sogar für Erdbebenwellen zu wenig.

    Das verwendete Oszilloskop Tektronix 2246 ist ein 4-Kanal / 100 Mhz-Oszilloskop und gehörte zu der damaligen State-of-the-Art-Technik für portable Oszilloskope. Ein modernes digitales Oszilloskop mit 1 GHz Samplefrequenz (die haben meistens auch nur 8-bit Stufen Auflösung) würde genau gar nichts anderes anzeigen. Qua Nyquist könnte es theoretisch bis 500 MHz Signale darstellen, aber das gilt nur für reine Sinus-Signale, zudem hängt die Grenze von der Grenzfrequenz des analogen (!) Eingangs selber ab. Um auch einigermaßen aussagekräftige Darstellungen von Signalen mit Oberwellen garantieren zu können, werden Oszilloskope mit 1-GHz-Wandlern meistens als 100 MHz-Oszilloskope angeboten. Dann gibt es einen Abstand um den Faktor 5 zur Nyquist-Frequenz.
    Kann also nicht mehr darstellen praktisch betrachtet als das alte Tektronix.
    Aber auch ein modernes, teures echtes 1-GHz-Oszilloskop würde nichts anderes darstellen als das Tektronix im Video. Denn wie "Monty" anschaulich demonstriert, ist das Signal nun mal nach dem ersten Durchgang durch die digitale Kette schon bandbreitenbegrenzt und das kann jetzt so oft durch die digitale Kette gehen wie man will, da ändert sich nichts mehr.
    (Im übrigen ein tolles Video, das jeder gesehen haben sollte, der sich mit der digitalen Technik beschäftigt.)

    Sowohl theoretisch als auch praktisch darf man heute (bzw. schon recht lange) konstatieren, dass die digitale Aufzeichnungstechnik in der Wiedergabetreue alles übertrifft und in den Schatten stellt, was selbst die beste professionelle Technik der Vergangenheit zu bieten hatte.

    Die einzige Bedingung, die erfüllt werden muss, ist das Einhalten der Nyquist-Frequenz!


    Alle Audio-Signale innerhalb der Nyquist-Frequenz, die am AD-Wandler ankommen, werden zu (nahezu) 100% sauber in die digitale Welt übertragen und später am DA-Wandler zu (nahezu) 100% genau wieder in die analoge Welt zurück gewandelt. Genau das sagt das das Nyquist-Shannon-Theorem aus und die Praxis beweist es.
    Wer sich mal genauer mit den Verzerrungen und dem Rauschen bei der analogen Aufzeichnung beschäftigt, wird schnell feststellen, dass die analoge Aufzeichnung wesentlich mehr Fehler produziert!
    Den Schallplatten-Fan möchte ich in dem Zusammenhang nur an die ausschließlich in Mono mögliche Aufzeichnung der tiefen Frequenzen bei der Schallplatte oder die RIAA-Entzerrung erinnern, ohne die es gar nicht möglich ist, einigermaßen gut klingende Signale auf der schwarzen Scheibe aufzuzeichnen.

    Die analoge Technik ist zwar "stufenlos" und die digitale "stufenförmig", aber bedingt durch das Nyquist-Theorem ist die digitale Aufzeichnung absolut adäquat und bildet alles bestens ab, was im Bandbreitenbereich der Nyquist-Frequenz liegt.
    (Über die bit-Tiefe, also die Dynamik habe ich jetzt hier nichts geschrieben, nur noch soviel dazu: 24 bit haben einen theoretischen Dynamikumfang von 144 dB - jedes bit bringt 6 dB. Die besten Wandler haben am analogen Eingang meines Wissens 124 dB Rauschabstand, liegen also schon darunter. Die CD mit 16 bit kann 96 dB Dynamik anbieten. Selbst die wird man bei keinem Konzert live erleben, 50-60 dB Dynamik dürften in den besten Sälen mit den besten Orchestern ungefähr das Maximum sein. Was will man also mehr als Aufzeichnungsformat? Auch hier bietet die digtale Technik weit mehr Spielraum als die reale Audio-Welt bieten kann.)

    Der besondere Vorteil der digitalen Aufzeichnung ist die absolute Robustheit der Signale beim Übertragen, der Speicherung usw. Die Kopie der Kopie der Kopie ... ist immer gleich den Original.

    Das konnte das analoge Tonband in keiner Weise gewährleisten, da wurde die Qualität mit jeder Kopierstufe unvermeidlich schlechter.


    Der Unterschied "analog" zu "digital" reduziert sich unter dem Strich darauf, dass analog stufenlos und kontinuierlich ist und digital stufenförmig bzw. in Schritten (digitus = Finger). In seiner Empfindung ist der Mensch ein analoges Wesen, weshalb vielen die digitale Welt gerade dann zu abstrakt scheint, wenn sie vornehmlich oder gänzlich analoge Signale empfängt und wandelt. Vielen erscheint das irgendwie unvereinbar und das irritiert sie.
    Ich hoffe aber, dass meine Ausführungen geeignet sind, diese Skepsis beiseite zu schieben. Unter den korrekten Voraussetzungen (hier die Nyquist-Bedingung) ist die digitale Abbildung von ausgesprochen großer Präzision und Zuverlässigkeit.

    In jedem Fall bilden beide Systeme sowieso nur Ausschnitte der Realität ab, hier war das Stichwort "Bandbreitenbegrenzung".
    Beide sind bandbreitenbegrenzt, wobei ein linearer Frequenzgang von 20 Hz bis 20 kHz das menschliche Hörvermögen mehr als ausreichend abdeckt. Dabei ist die digitale Technik genauer und kann, wenn erforderlich, einen erheblich größeren Ausschnitt, eine größere Bandbreite sauber abbilden als die analoge Technik.

    Ich sehe keinen Grund, der alten analogen Technik nachzuweinen oder sie auf ein Podest zu heben.
    Alles, was meinen analogen Ohren an digitalen Aufzeichnungen bis heute dargeboten wurde (eine gute Aufnahme, also Mikrofonierung usw. vorausgesetzt) hat mich mehr überzeugt und mir mehr Genuss bereitet, als das, was ich aus der analogen Zeit von Tonband und Schallplatte in Erinnerung habe.
     
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  14. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 22.02.20   #14
    Hmm rede ich chinesisch oder was? Eine Wellenform die in der Luft entsteht ergibt über den elektromechanischen Wandler, auch Mikrofonkapsel genannt, wieder eine Wellenform, diesmal allerdings eine elektrische. Unter idealen Bedingungen sind diese beiden Wellenformen gleich, nur in einem anderen Medium. Klar, gibt es verfälschungen in der realen welt und dies bedeutet dass die beiden Wellenformen nicht exakt deckungsgleich sind. Auch die Rückumwandlung ist nur in der idealen Welt Verlustfrei. Nur, und jetzt kommt es. In der Analogen Welt wird die eine Wellenform (oder das Signal) durch eine andere Wellenform abgebildet. Das ist das was „analog“ bedeutet. (Und ja, mir ist bewusst dass, solange es kein Interface direct to brain gibt, immer eine Rückumwandlung in Schall geben muss, damit wird den zuvor eingefangenen Schall auch wieder hören können, analog, digital ist da s.....egal)
    In der digitalen Welt wird die Wellenform aber durch einen Haufen Zahlen abgebildet und Zahlen sind keine Wellenform. Auch aus dem was digital über das Kabel übertragen wird kann man ohne Rechenaufwand das Originalsignal nicht wiedererkennen, denn es ist ein Rechteckssignal. Der Typ im Video zeigt uns ja auch nicht am Oszi was über das USB Kabel geht (das digitale Signal) sonder nur das was nach einer kompletten AD/DA Wandlung entsteht. Beim digitalen Signal gehts aber um das, was via USB/ADAT/Netzwerkkabel übertragen wird.
    Wiedergabegenauigkeit, Rauschabstand, Verzerrungen usw, kurz all das was so an Verlusten in der Signalübertragung passieren kann, sind zwar wichtig aber haben keinerlei Bedeutung beim Versuch zu erklären was prinzipiell anders ist zwischen Analoger und Digitaler Signalübertragung/Speicherung. Da gibt es einen grundlegenden Unterschied, und den wollte ich herausarbeiten.
     
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  15. adrachin

    adrachin Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 22.02.20   #15
    Da mag ich dann aber doch noch mal Einspruch erheben. Mikroskopisch betrachtet werden da Teilchen einer Metalllegierung gezwungen, einen bestimmten Zustand einzunehmen. Und den dann auch beizubehalten. Bei der analogen Aufzeichnung.

    Auch hier ist ein Raster erkennbar, das sich in der Beschaffenheit der Materie erkennbar macht, die eben nicht wie Luft reagieren kann. Eine metallische Legierung einem Strom ausgesetzt kann niemals gleich der Wirkung von Schall in der Luft sein.

    Hier liegt auf jeden Fall und immer eine Wandlung vor. Und da das Trägermedium ein gänzlich andes ist, als das Ursprungsmedium, können die auch nicht analog sein.

    Tatsächlich handelt es sich um eine Leistung des menschlichen Geistes, der es zustande Gebracht hat, spontane, eigentlich nicht konservierbare Ereignisse mit technischen Hilfsmitteln in eine konservierte Form zu bringen. Und diese dann wieder aus der Konserve zu einer beliebigen Zeit an das Ohr von anderen Menschen zu bringen.

    Eine kollektive Kulturleistung, die so nur dem Menschen zueigen ist.

    Am Ende wichtig, ist nur, was hinten rauskommt. Zumindest vom Standpunkt eines Technikers betrachtet. Und da ist weniger Fehler immer besser als mehr Fehler.

    Deshalb kann ich diese Aussage teilen:

    Bandaufnahmen würde ich nur noch machen, wenn mir jemand viel Geld dafür anbietet. Sonst nicht.

    Schliesslich habe ich mich lang genug mit den Unzulänglichkeiten sogenannter "analoger Technik" rumgeschlagen. Das wünsche ich nicht mal meine ärgsten Feind mehr...... (;
     
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  16. LoboMix

    LoboMix Helpful & Friendly User HFU

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    Erstellt: 22.02.20   #16
    Mein Widerspruch ergibt sich aus den Unschärfen in deinen Ausführungen, @Mfk0815.

    Während diese Aussage wie auch die entsprechende in deinem ersten Post in dem Thread korrekt sind:
    sind die folgenden Ausführungen, so kategorisch wie sie formuliert sind, schlicht falsch:

    Die "Mankos", die du der digitalen Technik unterstellst, stimmen einfach nicht - jedenfalls, wenn die von mir hervorgehobene Bedingung des Nyqist-Shannon-Theorems erfüllt ist. Es gibt diese Lücken einfach nicht, innerhalb der Abbildungsbandbreite des Systems lassen sich sehr wohl Aussagen über die "Lücken" zwischen des Samples machen, bzw. lassen diese sich genau rekonstruieren.
    Ein analoges 100-MHz-Oszilloskop kann ebensowenig ein 100 MHz-Rechtecksignal korrekt abbilden wie ein digitales 100-MHz-Oszilloskop, von komplexen Signalen mit höheren Frequenzen ganz zu schweigen. Insofern müsste man beim analogen Oszilloskop eigentlich ebenso von "Lücken" sprechen, was man aber nicht macht. Der Blickwinkel wäre auch ganz falsch.
    Richtiger ist die Betrachtung der abbildbaren Bandbreite, worauf ich hinweisen wollte.

    Die Betonung solcher "Mankos" deinerseits provozierte meiner Meinung nach erst den Widerspruch, der dann dazu kam, zumal faktisch die "Mankos" der analogen Technik trotz ihrer "Stufenlosigkeit" im Vergleich überwiegen. Dieser von dir heraus gestellte "Vorteil" (so liest es sich jedenfalls) provozierte dann auch die weiteren Erwiderungen und die vertieften Vergleiche der technischen Aspekte beider Aufzeichnungsverfahren, wobei man nachweisen kann, dass die analoge Technik trotz der Tatsache (oder eben wegen?), dass sie dem Schall analoge technische Schwingungen aufzeichnet, eben nicht "idente" Abbildungen erzeugen, kann, jedenfalls erheblich unsauberere und störanfälligere Ergebnisse zeitigt als die digitale Technik.

    Die Unterscheidung zwischen der Aufzeichnung von Schall-Wellen in technische Wellen einerseits (analog) und der Wandlung und Aufzeichnung in Nullen und Einsen im binären digitalen System andererseits war eigentlich erschöpfend und zutreffend. Es waren die nicht zutreffenden Ergänzungen und die Betonung von so nicht existierenden "Mankos" der digitalen Seite, denen ich widersprechen wollte.
    --- Beiträge zusammengefasst, 22.02.20, Datum Originalbeitrag: 22.02.20 ---
    Auf dieser Detailebene betrachtet muss auf jeden Fall von einer Art Raster gesprochen werden, dessen Auflösung von der Anzahl der in einer bestimmten Zeiteinheit magnetisierbaren Menge an Ferropartikeln abhängt. Wenn man so will, ebenso ´digital´, weil stufenförmig.
    Aber landläufig wird das Medium "Band" als ein analoges gesehen, weil (auch hier innerhalb der möglichen Bandbreiten) die Magnetisierung in einem (angenähertem) linearen Verhältnis zum anliegenden Signal und dessen Intensität ist.

    Bei einer 24-bit-Wandlung hat jedes Sample eine 24-bit Wortbreite, halt nur einen anderen Zahlenwert, wobei letzterer von der Dynamik des Signals abhängt. Der Spannungssprung von einem Null- zu einem Eins-bit ist nur vom verwendeten digitalen System abhängig (z.B. 5 V, 3 V usw.), damit immer gleich und nicht von der Intensität des anliegenden Signals abhängig.

    Auf der Ebene der Signalübertragung von der Schnecke zum Hörzentrum im Gehirn könnte man, wenn man so will, im übrigen auch von quasi-digitalen Sprüngen reden, da die Nerven stets nur Impulse und keine kontinierlichen Signale übertragen. Nervensignale sind insofern ebenso codiert wie es ihrerseits digitale Signale sind.

    "Codiert" wäre auch noch ein Begriff, der hier sinnvoll sein könnte. Im analogen Bereich werden die Audio-Signale nicht eigentlich codiert, also in einen Code übersetzt, wie es bei digitalen Systemen der Fall ist.
     
  17. Mfk0815

    Mfk0815 PA-Mod & HCA Digitalpulte Moderator HCA

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    Erstellt: 22.02.20   #17
    Rekonstruktieren heisst nicht Messen sondern Schätzen, es kann also über den Zustand des Signals zwischen zwei Samples keine Aussage getroffen werden. Warum ist das für dich nicht zu verstehen. Mir gehts nicht um einen praktischen Aspekt ob das Ohr nach der Rückumwandlung mit dem Ergebnis zufrieden ist oder nicht. Es geht darum wie das Signal auf digitaler Ebene abgebildet ist. Und das passiert eben mittels Rasterung und nicht kontinuierlich wie z.B im Mikrofon, Lautsprecher oder auch einer Vinylplatte. Das hat gar nichts mit besser oder schlechter zu tun. Es ist erstmal nur anders.

    Aber gut, ihr versteht das, was ich hier ausführte als Krieg Analog vs. Digital. War nicht meine Absicht aber wenn ihr es so wollt, sei es euch unbenommen. Ich denke es ist genug gesagt worden, um die Unterschiede herauszuarbeiten. Ich bin hier raus.
     
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  18. LoboMix

    LoboMix Helpful & Friendly User HFU

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    Erstellt: 22.02.20   #18
    @Mfk0815, es geht hier nicht um einen ´Krieg´ analog vs. digital. Es geht mir darum, den immer wieder zu begegnenden Ungenauigkeiten und Falschaussagen über die Wandlung und Abbildung analoger Signale in digitale Signale zu entgegnen. Die Vorurteile halten sich hartnäckig, leider.
    Das ist deshalb nicht zu verstehen, weil es schlicht nicht stimmt.
    Da wird gar nichts geschätzt. Das Nyquist-Shannon-Theorem besagt, dass für eine genaue Erfassung eines analogen Signals nicht mehr als mindestens zwei Samplepunkte für die höchste dazustellende Frequenz erfasst werden müssen, solange das Signal in der Bandbreite der Nyquist-Frequenz liegt. Für diese präzise Erfassung hatte man ursprünglich einen gewissen Sicherheitsabstand der Samplefrequenz gewählt um zu steilflankige analoge Filter zu vermeiden. Für die Obergrenze von 20 kHz beträgt der Abstand bei 44,1 kHz Samplefrequenz 2,05 kHz, bei 48 kHz Samplefrequenz entsprechend 4 kHz. Mit der Einführung der Oversampling-Technik bei AD-Wandlern hat sich das eigentlich erübrigt, da, wie ich schon schrieb, die Filterung, genauer Banbreitenbegrenzung, jetzt auf der digitalen Ebene erfolgt.

    Der weiter oben schon erwähnte AD-Wandler AK4493EQ samplet intern bei 768 kHz PCM-Ausgabe mit 64-fachem Oversampling, also mit rund 49 MHz!. Da wird rein gar nichts "geschätzt", Chips wie diese finden z.B. in hochwertigen Audio-Messystemen Anwendung. "Mess"-Geräte und nicht "Schätz"-Geräte. Bitte jetzt keine Diskussion darüber, dass letztlich alles Messen nur Schätzen ist getreu dem Motto " wer misst misst Mist". Diese grundlegende Unschärfe betrifft ohnehin analoge wie digitale Systeme gleichermaßen.
    Ein 100-MHz analoges Oszilloskop wird ein 100-MHz Rechtecksignal ebenso zu einer Art Sinus ´verschleifen´ wie es ein 100-MHz digitales Oszilloskop macht. In dieser Hinsicht ist die Wirkung ihrer begrenzten Bandbreite absolut vergleichbar. Beide Systeme sind vergleichbar genau so präzise wie unpräzise, je nachdem, ob das anliegende Signal innerhalb ihrer Bandbreite liegt oder sie überschreitet.

    Hier noch ein paar Daten zu den 768-kHz-Wandlern AK4493EQ und AK4490EQ (der 4493 hat noch etwas bessere Dynamikwerte als der 4490):
    https://www.digikey.de/de/product-highlight/a/akm-semi/ak4490eq-32-bit-2ch-dac
    https://media.digikey.com/pdf/Data Sheets/AKM Semiconductor Inc. PDFs/AK4493EQ_Web.pdf
    Bei digikey ist der 4493 schon für 7,54 € einzeln zu bekommen, Wandler dieses extrem hochauflösenden Typs (beide sind zudem 32-bit-Wandler!) darf man heutzutage schon getrost als Massenware bezeichnen (bei der Abnahme von 1000 Stück sinkt der Preis auf 4,11 €, Hersteller, die für ihre Produkte mal gleich 100.000 Stück ordern, dürften nur noch einen Bruchteil davon bezahlen).

    Wenn man wirklich ein echtes "Schätzeisen" sucht, wird man hingegen bei den klassischen analogen (sic!) VU-Metern mit Drehspul-Zeigerinstrumenten fündig. Die DIN schrieb für diese Teile eine Integrationszeit von 10 ms vor, mehr war auch für die alte Bandmaschinentechnik nicht nötig, ´versteckten´ die doch sozusagen so kurze Übersteuerungen in der Bandsättigung.
    Für die digitale Aufzeichnungstechnik sind 10 ms aber um Größenordnungen zu ungenau, da bei Überschreiten der 0 dBfs-Grenze keine Zahlenwerte mehr zur Erfassung des Signals zur Verfügung stehen und der Wandler "Zahlensalat" produziert, die als unschöne Verzerrungen schnell hörbar werden können.
    Wenn man so wollte, könnte man hier das analoge VU-Meter als zu ´lückenhaft´ bezeichnen, da ihm die Peaks, die kürzer sind als 10 ms entgehen. Für die digitale Aufzeichnung sind sie deshalb auch völlig unbrauchbar.
    Aktuell arbeiten die Pegelanzeigen in der Digitaltechnik intern mit Oversampling und können damit sogar Peaks erfassen, die zwischen zwei Samples liegen. Diese sog. "Intersample-Peaks" sind zwar in der Praxis ein mehr theoretisches Problem, können aber unter gewissen Umständen auftreten. Mit der Einführung des Oversampling bei den Pegelanzeigen (typischerweise 4-fach) hat man nun aber sozusagen ´übergenaue´ Peakmeter, die selbst dieses eher seltene Phänomen im Griff haben. (Zum Thema Aussteuerungsanzeigen siehe hier: https://de.wikipedia.org/wiki/Aussteuerungsmesser)

    Nach Jahrzehnten der Entwicklung darf man die digitale Audio-Technik mit Fug und Recht als erheblich präziser, linearer und zuverlässiger bezeichnen als es die analoge Audio-Technik jemals war.


    Sorry, @redtie, für diese weitschweifigen Ausführungen und dass die Diskussion hier so hoch her geht (was aber in Forum öfter mal vorkommt und selten ein Problem ist). Aber du sprachst von Infos für deine Bachelorarbeit und da wäre es sehr ärgerlich, wenn dein Prof. dir die Arbeit um die Ohren haut bzw. abwertet, weil du dort Details einfließen lässt, die so nicht stimmen.
    Manche der Vorurteile stammen noch aus der Frühzeit der Digitaltechnik in den 80-er Jahren, wo man oft noch mit Wandlern zu tun hatte, die gerade mal 14 bit konnten und sehr steilflankige analoge Filter benötigten, die ihrerseits Verzerrungen produzierten. Aber das ist sehr lange her und die Darstellung (nicht nur) von Musik usw. mit Nullen und Einsen ist heute derart perfekt und präzise geworden, dass es schlicht unzulässig ist, hier von irgendwelchen "Lücken" oder so zu reden.
    In der professionellen Messtechnik gibt es heute praktisch gar keine analogen Geräte mehr bzw. sind sie nicht mehr in Gebrauch (allenfalls um zu "schätzen" oder die reine Anwesenheit von Spannungen usw. anzuzeigen). Und die alten Bandmaschinen verstauben zurecht in irgendwelchen Ecken oder Museen.
     
  19. dubbel

    dubbel Registrierter Benutzer

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    Erstellt: 22.02.20   #19
    eine Lücke ist einfach etwas komplett anderes als eine Interpolation.

    mal stark vereinfacht: eine Welle kann sozusagen analog als sinusfunkltion dargestellt werden.
    die digitale version ist eine datentabelle mit funktionswerten. je höher die sampling-rate, also feiner die auflösung, desto kleiner werden die schritte von x(n) zu x(n+1).

    dazwischen ist aber eben nicht "nichts".
     
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  20. Mfk0815

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    Erstellt: 22.02.20   #20
    Egal wie hoch die Abtastfrequenz einer Digitalisierung ist, es gibt eine maximal darstellbare obere Grenzfrequenz. Das ist prinzipiell so, egalo die Abtastfrequenz 10 Hz, 48kHz, 768 kHz oder 900 tHz ist. Je höher desto kleiner ist die Lücke aber sie ist existent.
    Das gibt es in reiner Analogtechnik nicht. In real existierenden Übertragungssystemen wird zwar bei höheren Frequenzen die Qualität schlechter. Aber selbst dann können noch beliebig hohe Frequenzen nachgewiesen werden. Da kann Nyquest Shannon und all die Kapazunder auch nichts daran ändern.
    Das alles hat jetzt keinen realen praktischen Nutzen, ich wollte es nur nochmal gesagt haben denn falsch sind meine Aussagen nicht, sondern nur falsch interpretiert.
     
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