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.
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.
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.
Was auch sonst? Die Nyquist-Frequenz eines 10-Hz-Wandlers wäre 5 Hz. Das wäre wahrscheinlich sogar für Erdbebenwellen zu wenig.
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.
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.)
Aber gut vielleicht wirds ab hier zu theoretisch ...
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.