Pre- und De-Emphasis (RIAA, UKW, CD, Tonband)

Vor dem Medium werden die Höhen angehoben, danach spiegelbildlich abgesenkt: Das Signal kommt unverändert an, Rauschen und Knistern werden leiser. Mit der RIAA-Kurve der Schallplatte, UKW, CD-Emphasis und den Bandentzerrungen – auch zum Hören.

Erklärung Aufgaben

Was passiert hier?

Was Emphasis macht

Viele Übertragungswege fügen ihre Störungen vor allem bei hohen Frequenzen hinzu: Rauschen auf der Funkstrecke, Knistern in der Rille einer Schallplatte. Musik hat dort meist wenig Energie. Der Trick: Vor dem Medium werden die Höhen angehoben (Pre-Emphasis), danach genau spiegelbildlich abgesenkt (De-Emphasis). Das Signal kommt unverändert an, die Störung wird beim Absenken mit leiser.

In der Animation kommt das „Eingang u(t)“ (blau; t steht für die Zeit) von links und läuft durch den Kasten „Aufnahme-EQ“. Im grau unterlegten Mittelteil liegt es türkis auf dem Medium, dort kommt die Störung dazu. Der Kasten „Wiedergabe-EQ“ macht die Anhebung rückgängig, rechts erscheint der „Ausgang y(t)“ (orange). Die kleinen Kurven in den Kästen und die gestrichelten Kurven im Frequenzgang zeigen die beiden Entzerrer, die durchgezogene Kurve die ganze Kette. Mit „an“ und „aus“ überbrückst du jeden Entzerrer einzeln.

RIAA: Bässe und Höhen der Schallplatte

Die Schallplatte nutzt Emphasis an beiden Enden des Spektrums. Bei den Höhen geht es um die Störungen: Rauschen und Knistern der Rille liegen vor allem dort. Beim Schneiden werden sie angehoben, um 13,6 dB bei 10 kHz.

Bei den Bässen geht es um Platz. Der Schneidstichel bewegt sich bei gleicher Lautstärke mit gleicher Geschwindigkeit; die Auslenkung der Rille wächst dann umgekehrt zur Frequenz. Tiefe Töne bräuchten breite Rillen und kosteten Spielzeit. Deshalb werden sie beim Schneiden abgesenkt, um 19,3 dB bei 20 Hz. Der Bezugspunkt ist 1 kHz: Dort verstärken beide Entzerrer mit 0 dB. Die Wiedergabe-Entzerrung steckt im Phono-Vorverstärker, der deshalb bei jedem Plattenspieler mit magnetischem Tonabnehmer nötig ist.

Drei Zeitkonstanten

Die RIAA-Kurve ist mit drei Zeitkonstanten τ (Tau) festgelegt: 3180 µs, 318 µs und 75 µs. Jede gehört zu einer Eckfrequenz f = 1/(2π·τ), also 50,05 Hz, 500,5 Hz und 2122 Hz. Die Kennwerte zeigen beide Angaben, und im Frequenzgang sind die Eckfrequenzen gestrichelt markiert.

Die Wiedergabekurve steigt unterhalb von 500 Hz zu den Bässen hin an und flacht unter 50 Hz wieder ab; oberhalb von 2122 Hz fällt sie mit 6 dB pro Oktave. Bei 20 kHz sind es −19,6 dB. Eine Zeitkonstante beschreibt ein einfaches Glied aus Widerstand und Kondensator, τ = R·C. Aus solchen Gliedern ist jeder Phono-Entzerrer aufgebaut. Mechanisch entspräche das einer Feder mit einem Dämpfer ohne Masse – anders als die Resonatoren in den Modulen Bell- und Shelving-Filter.

Spiegelbild mit Grenze

Der Aufnahme-EQ ist der Kehrwert des Wiedergabe-EQs. Bei RIAA und UKW würde er oberhalb der höchsten Eckfrequenz ohne Ende weiter ansteigen. Kein Verstärker kann das, und der Schneidstichel würde bei Ultraschall zerstört. Deshalb begrenzt das Modell die Anhebung mit einem zusätzlichen Pol bei 3,18 µs, also etwa 50 kHz. Bei Schneidverstärkern nennt man ihn nach dem Hersteller der Schneidmaschinen „Neumann-Pol“. Die ganze Kette verliert dadurch bei 20 kHz nur etwa 0,6 dB.

1976 kam bei der Wiedergabe-Kurve in einer IEC-Norm eine vierte Zeitkonstante von 7950 µs dazu: ein sanfter Hochpass unter 20 Hz gegen Rumpeln. Sie ist nicht überall üblich und fehlt in diesem Modell.

Wie viel Rauschen spart man?

Der Kennwert „Rauschen durch Wiedergabe-EQ“ gibt an, wie sich weißes Rauschen auf dem Medium durch den Wiedergabe-EQ ändert, gemessen zwischen 20 Hz und 20 kHz. Weißes Rauschen hat in jedem Hertz gleich viel Leistung, also vor allem bei hohen Frequenzen. Bei RIAA sind es −3,7 dB, bei UKW −6,5 dB (50 µs) bzw. −8,1 dB (75 µs), bei der CD −5,3 dB. RIAA spart weniger, weil der Wiedergabe-EQ die Bässe anhebt und damit auch das Rauschen dort.

Probier es aus: Schalte den Ton ein und beide Entzerrer abwechselnd an und aus. Das Signal klingt gleich, das Zischen ändert sich. Beim Knistern hörst du, dass die Knackser mit Emphasis dumpfer werden.

UKW und CD

Beim UKW-Rundfunk hebt der Sender die Höhen mit einer einzigen Zeitkonstante an: 50 µs in Europa, 75 µs in Nord- und Südamerika und Südkorea. Bei 10 kHz sind das 10,2 bzw. 13,5 dB. Der Preis ist die Aussteuerung: Höhenreiche Musik würde den Sender übersteuern, deshalb begrenzen Sender die Höhen. Passen Sender und Empfänger nicht zusammen, klingt es dumpfer oder heller.

Die CD kennt eine selten genutzte Emphasis mit 50 und 15 µs. Sie ist ein Shelf erster Ordnung: Oberhalb von etwa 10,6 kHz bleibt die Anhebung bei 10,5 dB stehen. Ein Kennzeichen auf der CD sagt dem Player, dass er absenken muss. Fehlt es, etwa nach dem Kopieren in eine Datei, klingt die Aufnahme zu hell.

Tonband: andersherum

Beim Tonband legt die Norm den magnetischen Fluss auf dem Band fest: Er ist bis zu einer Übergangsfrequenz konstant und fällt darüber mit 6 dB pro Oktave ab. Das zeigt der Aufnahme-EQ im Modell. Das Band kann hohe Frequenzen nur schwach speichern, deshalb hebt der Aufnahmeverstärker in echten Geräten die Höhen an, bis der Fluss die Norm erfüllt. Der Wiedergabekopf differenziert den Fluss, der Wiedergabeverstärker integriert wieder; beides hebt sich auf und ist im Modell weggelassen.

Die Wiedergabe muss die Höhen also wieder anheben, und damit wird das Bandrauschen lauter: bei NAB um 10,7 dB, bei IEC mit 38 cm/s (35 µs) nur um 8,2 dB, bei der Kassette Typ I (120 µs) um 16,5 dB. NAB senkt mit 3180 µs zusätzlich die Bässe auf dem Band ab. Ein IEC-Band auf einer NAB-Maschine klingt deshalb bei 20 Hz etwa 8 dB zu basslastig. Damit die Bassanhebung bei der Wiedergabe nicht ins Unendliche geht, begrenzt das Modell sie unterhalb von 5 Hz.

Was das Modell vereinfacht

Hinweis zum Zeitmaßstab: Die Animation läuft wie in den anderen Filtermodulen in Zeitlupe; der Faktor steht bei den Kennwerten. Bei 250 Hz zeigt der Kennwert „Zeitlupe“ 1 : 500. Der Ton läuft dagegen in Echtzeit. Er rechnet die Entzerrer digital mit der Abtastrate deines Geräts; bei 48 kHz weichen sie bis 5 kHz höchstens 0,5 dB von der Kurve ab, bei 10 kHz bis zu 1,5 dB. Ein Begrenzer schützt vor zu lauten Spitzen, etwa wenn nur der Aufnahme-EQ läuft.

Das Eingangssignal ist wie bei einer echten Aufnahme auf 20 kHz begrenzt. Ein Rechteck oder Sägezahn schwingt deshalb an jedem Sprung etwas über und vor (Gibbs-Phänomen), am Eingang wie am Ausgang. Ohne diese Grenze würde der Aufnahme-EQ jeden Sprung in eine beliebig hohe Nadel verwandeln. Die Störungen sind vereinfacht: Das Rauschen ist weiß, die Knackser sind kurze Rechteckimpulse in zufälligen Abständen. Echtes Plattenknistern, Bandrauschen und UKW-Rauschen haben eigene Spektren. Alle Entzerrer sind ideal linear. Echte UKW-Sender, Schneidverstärker und Bandgeräte begrenzen außerdem den Pegel, und Tonbänder verlieren Höhen auf eine Weise, die die Norm nur als Ziel vorgibt.

Aufgaben

Praxisfragen

Fragen aus Studio, Bühne und Mastering – zum Nachdenken, Diskutieren und mit dem Modul Überprüfen.

1. Warum werden bei der Schallplatte die Bässe beim Schneiden abgesenkt?

Antwort anzeigen

Der Schneidstichel bewegt sich bei gleicher Lautstärke mit gleicher Geschwindigkeit. Die Auslenkung der Rille ist dann umgekehrt proportional zur Frequenz: Bei 20 Hz wäre sie 50-mal so groß wie bei 1 kHz. Die Rille würde so breit, dass sie die Nachbarrillen berührt, und auf eine Seite passte kaum Musik. Die RIAA-Kurve senkt 20 Hz um 19,3 dB ab, die Auslenkung wird also etwa neunmal kleiner. Der Phono-Vorverstärker hebt die Bässe wieder an.
2. Eine CD mit Emphasis läuft auf einem Player, der das Emphasis-Kennzeichen ignoriert. Was hört man?

Antwort anzeigen

Die Höhen bleiben angehoben: um 4,5 dB bei 5 kHz, um 7,6 dB bei 10 kHz und bis zu 10,5 dB ganz oben. Die Bässe und Mitten bleiben unverändert. Die Aufnahme klingt deutlich zu hell und scharf. Emphasis-CDs stammen vor allem aus den 1980er-Jahren; beim Kopieren in Dateien geht das Kennzeichen oft verloren.
3. Ein UKW-Empfänger aus Nordamerika (75 µs) empfängt einen europäischen Sender (50 µs). Wie klingt das?

Antwort anzeigen

Der Empfänger senkt stärker ab, als der Sender angehoben hat. Bei 1 kHz fehlt fast nichts (−0,5 dB), bei 5 kHz sind es −2,8 dB und bei 10 kHz −3,5 dB. Das Programm klingt etwas dumpfer, dafür rauscht es auch etwas weniger. Umgekehrt klänge ein europäischer Empfänger an einem amerikanischen Sender zu hell.

Aufgaben

Erst vermuten, dann ausprobieren, dann die Auflösung aufklappen. „Ausgangslage laden“ stellt die passenden Startwerte ein.

1. Die RIAA-Kurve ablesen

Ein Sinus mit 20 Hz läuft durch die RIAA-Kette. Lies bei den Kennwerten ab, wie stark Aufnahme- und Wiedergabe-EQ verstärken. Wiederhole das bei 1 kHz und 10 kHz. Was steht jeweils bei „Gesamt bei f“?

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Bei 20 Hz senkt der Aufnahme-EQ um 19,3 dB ab, der Wiedergabe-EQ hebt um 19,3 dB an. Bei 1 kHz sind beide 0 dB, das ist der Bezugspunkt der Norm. Bei 10 kHz hebt die Aufnahme um 13,6 dB an, die Wiedergabe senkt um 13,7 dB ab. Gesamt bleibt es jeweils bei etwa 0 dB. Die kleine Differenz bei 10 kHz kommt vom Begrenzungspol bei 50 kHz im Aufnahme-EQ.
2. Vergessene Entzerrung

Der Wiedergabe-EQ ist ausgeschaltet – wie bei einem Plattenspieler, der ohne Phono-Vorverstärker am Line-Eingang hängt. Wie verändert sich der Sägezahn mit 250 Hz im Oszilloskop? Wie klingt es? Schalte den Ton mit dem Lautsprecher-Knopf ein.

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Am Ausgang liegt jetzt die Aufnahmekurve: Der Grundton bei 250 Hz verliert 6,7 dB, die 10. Harmonische (2,5 kHz) gewinnt 3,7 dB, die 40. (10 kHz) sogar 13,6 dB. Im Oszilloskop werden die Flanken des Sägezahns spitz und betont, er klingt dünn und scharf. Ein echter Plattenspieler wäre außerdem viel zu leise, weil ein magnetischer Tonabnehmer nur wenige Millivolt liefert.
3. Rauschen mit und ohne Emphasis

Beide Entzerrer sind an, auf der Rille liegt Rauschen mit −30 dB. Schau auf den Ausgang und lies „Rauschen durch Wiedergabe-EQ“ ab. Schalte dann beide Entzerrer aus. Was ändert sich am Signal, was am Rauschen? Probiere auch das Knistern.

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Das Signal bleibt gleich, denn beide Entzerrer zusammen sind flach. Das Rauschen wird ohne Emphasis lauter: Der Wiedergabe-EQ senkt weißes Rauschen zwischen 20 Hz und 20 kHz um etwa 3,7 dB ab. Mit Ton hört man vor allem, dass das Zischen ohne Emphasis heller ist. Die Knackser werden durch den Wiedergabe-EQ runder und dumpfer, weil ihre hohen Anteile abgesenkt werden.
4. UKW: 50 oder 75 µs?

Ein Sinus mit 10 kHz läuft über UKW mit 50 µs (Europa). Lies ab, wie stark der Sender anhebt und wie stark der Empfänger das Rauschen absenkt. Wechsle dann auf 75 µs (Nordamerika).

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Mit 50 µs hebt der Sender 10 kHz um 10,2 dB an, das Rauschen sinkt um 6,5 dB. Mit 75 µs sind es 13,5 dB Anhebung und 8,1 dB weniger Rauschen. Der Preis: Höhenreiche Musik braucht beim Sender 3,3 dB mehr Reserve, sonst wird übermodelliert. Deshalb begrenzen Sender die Höhen, und mit 75 µs müssen sie es stärker tun.
5. Tonband ist anders

Wähle „Band NAB“. Vergleiche die gestrichelten Kurven im Frequenzgang mit denen von RIAA. Was zeigt „Rauschen durch Wiedergabe-EQ“? Wechsle zu „Band IEC 38 cm/s“ und „Kassette Typ I“.

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Beim Band ist es umgekehrt: Der Fluss auf dem Band fällt zu den Höhen hin ab, die Wiedergabe hebt sie wieder an. Damit wird das Bandrauschen lauter, bei NAB um 10,7 dB. Mit IEC 38 cm/s (35 µs) sind es nur 8,2 dB, bei der Kassette (120 µs) dagegen 16,5 dB. Je kürzer die Zeitkonstante, desto weniger Höhenanhebung bei der Wiedergabe und desto weniger Rauschen. Deshalb brauchte die Kassette eine Rauschunterdrückung wie Dolby.

Einstellungen

Ton

Kalibrierung der Pegel (dB SPL)

MIDI-Keyboard

Pre- und De-Emphasis (RIAA, UKW, CD, Tonband)