Die sechs grundlegenden Messungen für Audiosignale

Autor / Redakteur: David Mathew * / Michael Eckstein

Die Qualität von Audiosignalen und ihrer Aufbereitung lässt sich mit sechs grundlegenden Messungen weitreichend beurteilen. Welche das sind und worauf man achten sollte, erklärt dieser Artikel.

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Signalanalyse: Die 8-Ohm-Lastwiderstände simulieren die Lautsprecher am Leistungsverstärker. Der Analysator greift die darüber abfallende Spannung ab.
Signalanalyse: Die 8-Ohm-Lastwiderstände simulieren die Lautsprecher am Leistungsverstärker. Der Analysator greift die darüber abfallende Spannung ab.
(Bild: Audio Precision)

Vom Flohhusten bis zum startenden Düsenjet – unsere Welt ist durchdrungen von unterschiedlichsten Schall­ereignissen. Das menschliche Ohr ist darauf ausgelegt, Frequenzen von rund 20 Hz bis etwa 20 kHz besonders gut wahrzunehmen – zumindest in jungen Jahren. Außerhalb dieses Frequenzbands nimmt die Hörleistung schnell deutlich ab.

Die Sprachverständlichkeit ist im Bereich zwischen rund 500 Hz bis 3,5 kHz besonders ausgeprägt – ein Grund, warum Fernsprechsysteme bis heute auf diesen Bereich optimiert sind. Wobei moderne HD-Telefoniesysteme die doppelte Audiobandbreite, also rund 7 kHz, nutzen und damit eine Sprachqualität erreichen, die an UKW-Radios heranreicht.

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Wie natürlich wir zum Beispiel eine elektronisch übertragene Stimme oder abgespielte Musik wahrnehmen, hängt zum großen Teil von der Qualität der Audiosignalübertragung und -aufbereitung ab. Beispiel Musikwiedergabe: Hier geht es darum, aufgenommene Audiosignale möglichst unverfälscht elektrisch zu verstärken und über Lautsprecher wieder in Schall zu wandeln. Wiedergegebene Schallereignisse sollen nach Möglichkeit klingen "wie in echt".

Was auf den ersten Blick trivial erscheint, ist genau das nicht. An dem Prozess sind viele unterschiedliche Komponenten beteiligt, die alle einen Einfluss auf die Signale haben und sie mehr oder minder stark verfälschen. Das kann unter anderem zu Phasenverschiebungen, Verzerrungen, welligen Frequenzgängen, Rauschen, Auslöschungen und Überbetonungen führen. Beim Entwickeln beispielsweise eines Audioverstärkers ist es daher wichtig, die Übertragungseigenschaften der elektronischen Schaltung jederzeit genau ermitteln zu können.

Die „Big Six“ beim Messen und Analysieren von Audiosignalen

Im Grunde genommen geht es beim Messen von Audiosignalen und dem Messen von Audioequipment darum, Testtöne bekannter Frequenz und Amplitude in ein Messobjekt (Device Under Test, DUT) zu leiten und das resultierende Signal am Ausgang zu messen. Im Detail sind natürlich etliche Dinge zu beachten. Doch es gibt einen überraschend kleinen Satz einfacher Leistungsmessungen, die als minimales Basisset zum Beschreiben der technischen Leistung der meisten Audiogeräte verwendet werden. Aus ihnen wird gewöhnlich die gedruckte Spezifikation abgeleitet. Bei Audio Precision nennen wir diese grundlegenden Messungen die „Big Six“. Diese „großen Sechs“ sind Pegel, Frequenzgang, THD+N (harmonische Gesamtverzerrung plus Rauschen), Phase, Übersprechen und das Signal-Rausch-Verhältnis. Dieser Artikel erläutert diese grundlegenden Tests ausführlicher und zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung auf.

Pegel: Für ein Messobjekt können ganz unterschiedliche Pegelmessungen interessant beziehungsweise erforderlich sein. Sie dienen zur Beurteilung der Qualitätskriterien einer Audio­übertragungseinheit. Die wichtigsten sind:

  • ein Eingangspegel, der einen bestimmten Ausgangspegel wie 1 Volt oder 1 Watt erzeugt. Oder auch den Verstärkungsfaktor eins. Die Messobjekt-Verstärkung wird detaillierter weiter unten besprochen.
  • ein Eingangspegel, der eine bestimmte Ausgangsverzerrung erzeugt. Das kann beispielsweise 1 % THD+N sein.
  • ein Pegel, der ein gutes Rauschverhalten mit einer guten Aussteuerungsreserve liefert. Wird oft als Betriebspegel bezeichnet.
  • ein vorgegebener Eingangs- oder Ausgangspegel, der in einem definierten Testdokument angegeben ist.

Alle diese Pegel können als Referenzwert dienen, auf dem wiederum weitere Messungen basieren. Frequenzgangmessungen werden beispielsweise relativ zum Pegel einer Mittenfrequenz ausgedrückt. THD+N-Messungen werden bei bestimmten Pegeln durchgeführt. Es ist sinnvoll, diese in den Ergebnissen mit anzugeben.

Vorsicht bei variabler Verstärkung am Messobjekt

Das Verhältnis des Ausgangsspannungspegels eines Messobjekts zum Eingangsspannungspegel ist die Spannungsverstärkung des Messobjekts. Eine angelegte Eingangsspannung von 2 Volt erzeugt in einem Messobjekt mit einer Verstärkung von 2 beispielsweise eine Ausgangsspannung von 4 Volt. Eine Verstärkung von 1, bei der die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist, heißt dementsprechend Verstärkungsfaktor eins. Einige Messobjekte bieten keine Verstärkungseinstellungen, sie haben statt dessen einen fest vorgegebenen Verstärkungsfaktor. Beim Messen ist es sinnvoll, die Verstärkung auf einen bestimmten Faktor – zum Beispiel eins – festzulegen.

Beim Einstellen und späteren Messen des Pegels ist unbedingt zu prüfen, ob sich die Verstärkung des Messobjekts variieren lässt. Bei einem typischen Audioverstärker ändert nicht nur der Lautstärkeregler, sondern auch die Klangregler und andere Einstellungen die Systemverstärkung. In einem solchen Fall ist im Vorfeld genau zu definieren, wie die Regler am DUT für die durchzuführende Messung einzustellen sind. Nur von dieser definierten Ausgangslage aus lassen sich Messungen nachvollziehen und falls erforderlich später unter den gleichen Rahmenbedingungen erneut durchführen.

Frequenzgangmessung: Einfach oder aufwendig?

Frequenzgang: Eine Frequenzgangmessung gibt die Ausgangspegel eines Messobjekts an, wenn es mit verschiedenen Frequenzen eines bekannten Pegels stimuliert wird. Die einfachste aller Frequenzgangmessungen besteht aus nur zwei oder drei Tönen. In der Regel liegt der erste in der Nähe der Mitte des verwendbaren Frequenzbereichs des Messobjekts, gefolgt von einem Ton nahe dem oberen Extrem dieses Bereichs. Zusätzlich misst man oft noch einen Ton nahe dem unteren Extrem. Wenn wir annehmen, die Töne werden alle auf dem gleichen Pegel erzeugt, beschreiben die Ausgangspegel des Messobjekts seine Reaktion auf diese unterschiedlichen Frequenzen.

Aufwendiger sind Vollbereichs-Frequenzgangmessungen. Hierfür wird ein hochwertiger Sweep-Generator benötigt, der ein Signal mit definierter Amplitude über einen festgelegten Frequenzbereich fährt und an den Eingang des Messobjekts liefert. Mehrere Verfahren und Signaltypen eignen sich dafür, wobei ein Sinuswellenverlauf sicher der Klassiker ist. Die am Ausgang gemessenen Ergebnisse werden in einem Graphen dargestellt. Reagiert das Messobjekt bei allen Frequenzen überwiegend gleich, ergibt sich ein flacher Graph mit minimaler Welligkeit.

THD+N: THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise) steht für harmonische Gesamtverzerrung in kombination mit Rauschen. Beim harmonischen Verzerren fügt das DUT dem Audiosignal unerwünscht neue Töne hinzu. Diese Töne sind harmonisch verwandte Töne des Eingangssignals: Wenn das Signal eine Sinuswelle der Frequenz f1 ist, sind die harmonischen Töne f2, f3 ein ganzzahliges Vielfaches des Originaltons. Die gesamte harmonische Verzerrung ist die Summe aller harmonischen Töne, die in der Bandbreite des Messobjekts gemessen werden.

Grundsätzlich stellt sich die Frage, warum THD (die Verzerrung) und N (das Rauschen) einzeln gemessen werden. Das hat historische Gründe: Früher war es nicht ohne weiteres möglich, eine Analyse der Audiosignale über die schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transformation, FFT) durchzuführen. Entsprechend war das Rauschen immer Teil der Verzerrungsmessung. Daher hat sich THD+N als aussagekräftiges Leistungsmerkmal etabliert, das weithin verstanden und akzeptiert wird.

Bandbreite bestimmt harmonische Verzerrung mit

Der gemessene THD+N-Wert eines Geräts variiert mit der Messbandbreite - je größer die Bandbreite, desto höher der Rauschanteil. Daher ist man fast immer daran interessiert, die Messbandbreite mithilfe von Hochpass- und Tiefpassfiltern einzuschränken. Damit das Ergebnis aussagekräftig ist, ist es wichtig, die verwendete Bandbreite in Verbindung mit dem Ergebnis anzugeben. Im Audiobereich wird THD+N typischerweise in einer Bandbreite von 20 Hz bis 20 kHz gemessen und angegeben. Auch Pegel und Frequenz des angelegten Signals wirken sich deutlich auf den THD+N-Wert eines Geräts aus. Eine typische Messfrequenz für THD+N-Messungen von Audiogeräten ist 1 kHz. Wohl deshalb, weil der Bereich um diese Frequenz maßgeblich für die Sprachverständlichkeit verantwortlich ist. Ein weiterer wichtiger Parameter ist, ob die Messung beim Nennbetriebspegel des Geräts oder bei seinem maximalen Ausgangspegel (Maximum Output Level, MOL) erfolgt.

Phase: In der Tontechnik werden Phasenmessungen verwendet, um den positiven oder negativen Zeitversatz in einem Zyklus einer periodischen Wellenform wie einer Sinuswelle zu beschreiben, der durch eine Referenzwellenform gemessen wird. Die Referenz ist normalerweise das gleiche Signal an einem anderen Punkt im System oder ein verwandtes Signal in einem anderen Kanal im System. Diese Auswahl von Referenzen definiert die zwei häufigsten Phasenmessungen: Geräteeingangs-/-ausgangsphase und Interkanalphase.

Die Phasenverschiebung variiert mit der Frequenz, und es ist nicht ungewöhnlich, Phasenmessungen bei mehreren Frequenzen durchzuführen oder die Phasenreaktion eines Frequenzdurchlaufs grafisch darzustellen. Die Phase wird in Grad angegeben.

Übersprechen: Bei Audiosystemen von mehr als einem Kanal ist das Auftauchen des Signals eines Kanals mit einem reduzierten Pegel im Ausgang eines anderen Kanals unerwünscht. Ziel ist vielmehr eine möglichst hohe Kanaltrennung. Diese Signal-Leckage über Kanäle hinweg wird Übersprechen genannt. Definiert ist es als das Verhältnis des unerwünschten Signals im unstimulierten Kanal zu dem Signal im stimulierten Kanal. Der im englischen "Crosstalk" genannte Effekt lässt sich in Geräten zur Audiosignalaufbereitung und -übertragung nur schwer verhindern beziehungsweise eliminieren.

Crosstalk ergibt sich überwiegend aus einer kapazitiven Kopplung zwischen Kanalleitern im Gerät und weist mit der Frequenz üblicherweise eine ansteigende Charakteristik auf. Die Stärke des Übersprechens zwischen Kanälen wird in Dezibel (dB) angegeben. Im Vergleich zum Frequenzdurchlauf lässt sich mit dem Crosstalk beurteilen, wie ein Messobjekt über seine Betriebsbandbreite hinweg arbeitet.

SNR bestimmt die technische Qualität der Signalübertragung

Signal-Rausch-Verhältnis: Rauschen ist grundsätzlich unvermeidbar. Wann es sich störend auswirkt, hängt bei vielen Audioanwendungen vom Pegel des Nutzsignals ab. Ist er hoch, nehmen wir kein Rauschen wahr. Leise Nutzsignale können hingegen im Rauschteppich untergehen. Das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise-Ratio, SNR) ist ein Maß für die Differenz zwischen Nutz- und Rauschsignal – und damit für die technische Qualität der Signalübertragung. Es ist definiert als das Verhältnis der mittleren Leistung des Nutzsignals zur mittleren Rauschleistung des Störsignals.

Zur Messung wird das Signal normalerweise auf den Nennbetriebspegel oder auf den Maximalbetriebspegel des Messobjekts eingestellt. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis unter Verwendung des maximalen Ausgangspegels erzeugt wird, kann das Ergebnis auch als dynamischer Bereich bezeichnet werden, da es die zwei Extreme des Pegels beschreibt, die im Messobjekt möglich sind. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird wie das Übersprechen üblicherweise in Dezibel (dB) angegeben, oft als negativer Wert.

Mit herkömmlichen Methoden erfordert das Signal-Rausch-Verhältnis zwei Messungen sowie einige Berechnungen. Zuerst misst man den Signalpegel am Ausgang. Danach erfolgt eine zweite Messung bei abgeschaltetem Signalgenerator. Häufig werden zusätzlich die Signaleingänge des Messobjekts mit einer niedrigen Impedanz terminiert, um das Rauschen im Gerät so weit wie möglich zu reduzieren. So liegt an den Ausgängen nur ein Grundrauschen an.

* David Mathew ... ist Technical Publications Manager und leitender technischer Redakteur bei Audio Precision

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