High Quality Digital Audio

High Quality Digital Audio

Marc Henshall | April 17, 2014

High Quality Digital Audio - wo ist denn der Flaschenhals?

Mit dem Erscheinen der CD im Jahre 1982 wurden die audiophilen Hörer  in zwei Lager gespalten. Die einen, die meinten, dass die neue digitale  Technologie viel besser sei, und die anderen, die der Auffassung waren,  dass durch die Digitalisierung hörbare Informationen verloren gehen. Und  tatsächlich ranken sich viele Geschichten und Mythen um dieses Thema -  deren Diskussion möchte ich mich an dieser Stelle NICHT anschließen,  sondern darauf eingehen, wie man das beste Klangergebnis aus einer  digitalen Wiedergabekette herausholen kann.

Zu Beginn der digitalen Audio-Wiedergabe steht die CD. Also schauen wir erst mal, was hinter so einem Silberling steckt.

Was ist eigentlich ein digitales Audiosignal?

digitalisierung

Bei einem analogen Audiosignal, das unser Ohr  wahrnehmen kann, handelt es sich um Luftdruckschwankungen. In der  Elektroakustik werden diese Luftdruckschwankungen in Schwingungen der  elektrischen Spannung (Wechselspannung) umgesetzt. Diese sich  kontinuierlich ändernde Spannung wird bei der Digitalisierung  "zerhackt". Dies geschieht in einem bestimmten Takt. Bei der CD ist dies  beispielsweise 44,1 kHz. Das bedeutet, dass das analoge Signal 44.100  mal pro Sekunde abgetastet wird. Die Genauigkeit, in der abgetastet  wird, ist die Bit-Tiefe. Es muss natürlich von absoluter Stille bis hin  zum lautesten Signal alles erfasst werden. Bei  der CD sind dies 16 Bit,  was in insgesamt 65.536 Stufen resultiert. Daraus ergibt sich bei dem  Stereo-Signal einer CD ein Datenstrom von 2 x 16 Bit x 44,1 kHz = 1411,2  kBit/s.

Die Abtastrate von 44,1 kHz wurde gewählt, da diese mindestens  doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz, die übertragen  werden soll. Das menschliche Ohr nimmt maximal 20 kHz wahr, daher musste  also mindestens 40 kHz gewählt werden.

Was für Datenformate gibt es und wo liegen die Unterschiede?

Jahrelang war die CD als Standard-Musikträger etabliert. Als aber der  Rechner als Musik-Abspielgerät entdeckt wurde und man begann, CDs zu  rippen und die Daten auf die Festplatte zu bannen, stellte sich schnell  heraus, dass der damalige typische Speicherplatz nur für wenige CDs  ausreichte. Denn durch eine exakte Kopie der CD auf die Festplatte  ergibt sich genau so großes File im WAV-Format (ober bei MAC Usern eher das AIFF-Format).  Eine komplette CD belegt also etwa 650 MB. Eine enorme Größe für die  Festplatten der damaligen Zeit. Ganz zu schweigen von der Möglichkeit,  Musik auf einer Speicherkarte für mobile Geräte zu speichern. Meine  erste Speicherkarte z. B. hatte gerade mal 128 MB - Platz für etwa drei  Lieder.

MP3 - MPEG Audio Layer 3

Also versuchte man, die Audiodaten zu komprimieren. Vorreiter war natürlich das Fraunhofer Institut mit der Entwicklung von MP3.  Dabei war das Ziel, so viel Daten wie möglich zu reduzieren; ohne  Verlust der Klangqualität. Dabei wurden auch psychoanalytische Effekte  wie z. B. der Verdeckungseffekt mit eingebunden. Bei der üblichen  Kompressionsrate von MP3 wurde eine gute Balance erzielt. Ungeübte Ohren  hören keinen Unterschied zum CD Signal, bei genauem Hinhören gibt es  jedoch Artefakte. Dabei ergibt sich ein Datenstrom von 128 kBit pro  Sekunde und damit eine Speicherplatzersparnis von ca. 90%.

Viele andere verlustbehaftete Kompressions-Algorithmen erschienen. Von der Firma MPEG das AAC, das besonders durch iTunes bekannt wurde, oder auch das OGG-Format  von Vorbis. Beide beanspruchen für sich, bei gleicher Datenrate eine  bessere Klangqualität als das MP3 Format zu erzielen. (Anmerkung des  Autors: Etwa 2004 begann ich damit, alle meine CDs in .ogg zu  konvertieren.)

FLAC oder ALAC?

Dennoch war der Datenverlust für viele nicht akzeptabel und so wurden  Algorithmen gesucht, um das Audiomaterial verlustfrei zu komprimieren.  Die wohl bekanntesten Algorithmen sind FLAC (free lossless audio codec) und der von Apple entwickelte ALAC  (Apple lossless Audio Codec, die in m4p oder mp4 Dateien abgespeichert  werden). Mit diesen Codecs wird eine Reduzierung der Größe auf etwa 50%  erzielt, was natürlich einen wesentlich höheren Speicherplatz als die  verlustbehafteten Codecs benötigt. ALAC bietet keinerlei  Einstellungsmöglichkeiten, wobei FLAC die Möglichkeit bietet, den  Kompressionsgrad einzustellen. Je höher der Kompressionsgrad, desto mehr  Rechenleistung ist bei der Komprimierung bzw. Wiedergabe erforderlich.  (Anmerkung des Autors: Nachdem meine Festplatte genügend Kapazität  aufwies, wurden alle CDs nochmals in FLAC konvertiert.)

Mit den Jahren stieg die CPU Leistung - nicht nur beim PC oder MAC,  sondern auch bei mobilen Playern oder Smartphones. Und so wurden die  Stimmen der Analog-Anhänger wieder lauter, die seit 1982 schon immer  behaupteten, dass bei der CD-Qualität Musikinformationen verloren  gingen. Die Forderungen nach einer höheren Abtastrate und auch höherer  Bit-Tiefe wurden laut. Nachdem Super Audio CD und Audio-DVD aufgrund zu  teurer Hardware sich kaum durchsetzen konnten, inzwischen aber jedes  aktuelle Smartphone genügend Speicherplatz und Rechenleistung bietet,  wird das Angebot von High Definition Audio attraktiver. Es gibt diverse  Online Plattformen, in denen die Musik mit 96 kHz/24 Bit (und damit  einem Datenstrom von 4.608 kbit/s) oder noch hochwertiger zum Download  angeboten wird.

Hard- und Software für die Wiedergabe von HD Audio Dateien

Der Kauf von derartigem HD Audiomaterial macht natürlich nur Sinn,  wenn es auch entsprechend wiedergegeben werden kann. Für übliche  On-Board Soundkarten gibt es zwar Treiber, um die Daten wiederzugeben,  doch ob der analoge Ausgang qualitativ in der Lage ist, überhaupt  hörbare Unterschiede zur CD zu bieten, ist mehr als fraglich. Ebenfalls  weisen Smartphones oft nicht den hochwertigsten Kopfhörerausgang auf.

SHA900_SRH1540 with Laptop_LR 

Shure SHA900 - Portabler Audio-Verstärker mit DAC-Umwandlung

Um die hochwertige Qualität der HD Audio-Dateien wiederzugeben,  eignen sich externe DAC (Digital-Analog-Konverter), die über USB oder  (bei Nutzung einer NAS) über Ethernet angeschlossen werden. Diese haben  als Aufgabe, das hochauflösende, digitale Signal in ein ebenso  hochwertiges, analoges Signal zu wandeln. Dementsprechend wird hohe  Sorgfalt sowohl bei der Wandlung als auch beim analogen Ausgang - sei es  nun ein Cinch-Ausgang bei Home-Hifi-Geräten oder ein Kopfhörerausgang  bei mobilen Geräten - an den Tag gelegt.

Für die portable Musikwiedergabe müssen diese DACs natürlich  batteriebetrieben und möglichst klein und leicht sein. Beispielsweise  unser brandneuer SHA900, der in erster Linie für den Anschluss an iOS  Produkte entwickelt wurde, jedoch auch mit jedem Windows-Rechner und  vielen Android Geräten eingesetzt werden kann. Bei der Verwendung mit  Android Geräten müssen diese USB on the Go und USB Audio Rev. 2.0  aufweisen. Der SHA900 kann eine Datenrate von bis zu 96 kHz/24 Bit  verarbeiten.

Nun wird noch eine Software bzw. App benötigt, die mit den HD Audio  Dateien umgehen kann. Für Windows Rechner seien hier der kostenlose foobar2000 und das kostenpflichtige JRiver Media Center erwähnt. Unsere Empfehlung für Android-Geräte ist der USB Audio Player.  Diese App ist zwar relativ teuer, kann aber alle gängigen Formate bis  384 kHz/32 Bit umsetzen und ist damit für höchste Ansprüche gewappnet.

Wer nicht mit zwei Geräten (Smartphone mit externem DAC) unterwegs  sein will, findet in der Nische der hochwertigen, portablen  Musikwiedergabe ein paar Hersteller wie beispielsweise Astell & Kern, Colorfly oder auch den von Neil Young ins Leben gerufene Pono Player, mit denen eine HD-Audio-Wiedergabe möglich ist.

Das "audiophile Ende"

Ganz am Ende stehen nun noch die akustischen Wandler, die aus dem  elektrischen, analogen Signal wieder ein akustisches Signal generieren.  Zu Hause sind dies Verstärker und Lautsprecher, bei der mobilen  Musikwiedergabe Kopf- oder Ohrhörer. In der ganzen Kette der digitalen  Musikwiedergabe haben diese Komponenten wohl den größten Einfluss auf  die erzielbare Klangqualität. Um die klangliche Nuancen der HD Audio  Daten überhaupt hörbar zu machen, sind dementsprechend hochwertige  akustische Wandler notwendig.

An dieser Stelle sind unsere beiden Premium-Kopfhörer SRH1540 und  SRH1840 sowie Ohrhörer-Topmodelle SE535 und SE846 erwähnenswert, die  höchstwertige Klangwiedergabe ermöglichen. Das absolute Top-Produkt für  den mobilen Musikgenuss ist allerdings der KSE1500 - eine  High-End-Kombination von DAC und Ohrhörern mit elektrostatischen  Treibern.

Marc Henshall

Marc forms part of our Pro Audio team at Shure UK and specialises in Digital Marketing. He also holds a BSc First Class Hons Degree in Music Technology. When not at work he enjoys playing the guitar, producing music, and dabbling in DIY (preferably with a good craft beer or two).