Dynamic Range Meter

Die Thematik um die Dynamik der unterschiedlichen Rundfunk-Übertragungsarten ist sehr interessant. Ich verfolge das Thema "Dynamik" schon seit längerer Zeit im Zusammenhang mit der Unsitte, Musik immer stärker in ihrer Dynamik zu komprimieren - Stichwort "Loudness War". Für Messungen in diesem Umfeld gibt es ein u.a. sog. "Dynamic Range Meter" (dynamicrange.de/free-downloads). Dies ist ein Plugin für den Player "foobar2000".

Bei den Messungen zur DAB-Dynamic wurde der auf den Bildern gezeigte Empfänger-Typ benutzt. Bei einem der eingesetzten Empfänger-Sticks waren Adapter für SMA und BNC auf MCX dabei. Die MCX-Seite ist vermutlich auf 50 Ohm ausgelegt. Der Empfängereingang hingegen hat eine 75-Ohm-Buchse. Diese Kombination passt mechanisch nicht wirklich gut zusammen. Die Verbindung ist sehr schwergängig.

Die auf den Bildern gezeigten Stecker auf den selbstgefertigten Anschlussleitungen sind hingegen 75-Ohm-Varianten. Diese lassen sich von der aufzuwendenden Kraft so auf den Empfängereingang stecken, wie man es erwartet.

Dieses Tool eignet sich auch für Messungen an Rundfunk-Übertragungen. Verglichen wurden die Übertragungsarten UKW-FM / DAB und DABplus. Zur Gewinnung eines Datenfiles wurde ein UKW-Tuner (Technics ST-S8) an eine Soundkarte Terratec EWX2496 angeschlossen. Der ADC-Datenstrom wird per sox in ein WAV-File gespeichert. Die Aussteuerung wurde knapp unter die Clipping-Grenze eingestellt und blieb während aller Versuche unverändert.

Zum Empfang von DAB und DABplus wurde SDR-J-DAB (www.sdr-j.tk) benutzt. Dieses Programm kann seinen Audio-Output direkt in ein File schreiben. Als SDR-Empfänger werden RTL2832U-USB-Sticks benutzt.

Im Nürnberger Raum eignen sich vor allem BR1 und BR-Klassik für vergleichende Messungen. Diese werden (noch) über alle drei genannten Wege verbreitet. BR1 gibt es in der DAB-Variante zwar nur in der Oberbayern-Regionalisierung. Bis auf wenige Ausnahmen ist das Programm aber identisch.

Die Programme wurden zeitgleich über alle drei Verbreitungsvarianten etwa eine Stunde lang aufgenommen. Anschließend wurden die Wave-Files mit dem o.g. Dynamic-Range-Meter gemessen. Das Dynamic-Range-Meter liefert u.a. eine Größe, die die in den vermessenen Daten vorhandene Dynamik zusammenfasst. Je größer die Zahl, desto größer die Dynamik. Der Versuch wurde mit BR1 und BR-Klassik je zweimal durchgeführt.

Ergebnis:

fm dab dab+
br1 14 15 17
br1 14 11 17
brklassik 11 12 11
brklassik 13 12 12

Aus diesen wenigen Messungen kann man noch nicht viel herauslesen.

Nach de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_DAB-Sender_in_Deutschland werden folgenden Datenübertragungsraten benutzt:
BR-OBB (DAB) 160 kbit/s
BR-Franken (DAB+) 80kbit/s
BR-Klassik (DAB) 192 kbit/s
BR-Klassik (DAB+) 128 kbit/s (mit Mehrkanalton)

Die Datenraten zeigen also zur gemessenen Dynamik bei diesen Versuchen keinen unmittelbaren Zusammenhang. Interessant ist aber, dass bei BR-Klassik im Gegensatz zu BR1 die drei Varianten fast gleiche Dynamik-Werte haben.

Hier zwei Screenshots des SDR-J-Receivers. Einmal im Modus "DAB" und einmal im Modus "DAB+". Dargestellt wird u.a rechts oben das Spektrum des Empfangssignals. Man kann gut die Bandbreite des DAB-Kanals (1.536 MHz) erkennen. Die Einstellung des SW-Receivers ist nicht ganz einfach. Die Oszillatoren in den Sticks sind scheinbar nicht ganz so genau. Man muss etwas probieren (an der Auswahlbox über den "MP2"-Button und mit den zwei Buttons "-1K" und "+1K". Nach einiger Zeit klappt es aber recht gut. Das System hat auch eine AFC.

Mit dem "Writing"-Button auf der rechten Seite kann man das dekodierte Signal direkt als Wave-Datei ausgeben lassen.

Diese Dateien für DAB bzw. DAB+ und die per Sampling des Signals vom FM-Tuner gewonnene Datei werden nun mit dem Dynamic-Range-Meter analysiert. Der zugrundegelegte Player "Foobar2000" läuft mit "Wine" auch unter Linux. Für unsere Messzwecke wählt man die Dateien aus und wendet das Plugin "Dynamic-Range-Meter" nacheinander für alle gewünschten Dateien an. Es wird - getrennt für beide Stereo-Kanäle - der Dynamic-Range, die maximale Aussteuerung und der Durchschnittswert der Aussteuerung gemessen. Ein Durchschnittswert des "Dynamic-Range" für links und rechts ist dann der Wert, den wir hier betrachten.

Weitere Messungen ergaben folgenden Eindruck:
- "Der" bessere Übertragungsweg ist durch die Messungen nicht eindeutig auszumachen.
- Klassik ist tendenziell dynamikärmer als Popmusik (habe ich so nicht erwartet)
- Bei "Heute im Stadion" liegt die FM-Übertragung vorne (15 gegenüber 10 (DAB) und 12 (DAB+)
- FM schlägt sich allgemein aber recht gut.

Zu einer "sensorischen Messung" - also per Gehör - wurde ein Technics ST-GT1000 verwendet. Nach meinem Empfinden klingt FM angenehmer als DAB. Dabei wurde zunächst möglichst genau die Wiedergabelautstärke für die beiden Wege FM und DAB (der Technics ST-GT1000 kann kein DAB+ und wird wohl demnächst DAB-Edelschrott) angeglichen.

Erfahrungen mit dem TT Dynamic Range Meter von Wolfgang Hartmann

Dynamik von Musikstücken messen. Es ist mir gelungen, eine Version von TT DYNAMIK RANGE METER downzuladen und unter WIN7 und XP zur Funktion zu bringen.

Es wird ein Audiofile, wav-Format, geladen und die Ergebnisse werden angezeigt. Die Formate 44,1 kHz / 16 bit in WAV- und MP3-Files können ausgelesen werden. Nicht lesbare Formate werden durch LOAD abgelehnt. Bislang das einzig mir bekannte Programm, das die Dynamik eines ganzen Musikstücks durchsucht und die Dynamik angibt. Im richtigen Format abgespeicherte Audiofiles ob aus Rundfunk oder generell aus Audiofiles werden in einem Durchgang bewertet.

Alle Stücke zeigen sehr unterschiedliche Dynamikwerte. In Zusammenhang mit Dynamik-Tabellen kann jetzt ein Vergleich gezogen werden.

In dem obigen Beitrag von Bernd aus Nürnberg ist eine große Sammlung von Dynamikdaten aufgeführt. Hier können praktische Beispiele verglichen werden. Ein Grundsatzartikel zu Loudness War und generelle Informationen zum Thema: http://www.stereo.de/service/artikel/report-lautheitswahn-in-der-musikproduktion/

Die Internetseite für Messen bzw. Download von Progammen: http://www.pleasurizemusic.com/free-downloads

Empfehlungen für Wahl von Dynamikfaktoren in unterschiedlichen Musikarten bei www.dynamicrange.de:

BR:Klassik FM gegen DAB Dynamikwerte: Es ergeben sich bei gleichzeitigem Verlauf auf zwei parallell geschalteten Rechnern (XP. WIN7)
deutlich unterschiedliche Dynmikwerte.

FM-Dynamik DAB-Dynamik

Dynamikfaktor DR = 20, File gespeichert in Audacity:

Ein seltenes Audiofile mit einem Faktor von DR 20 im Zusammenblick mit abgespeicherter Datei und Anzeige des TT-Dynamik-Range-Meters.

Kommentare zur DAB-Dynamik, von Heinz D.
(D_iskussion um des A_ristokraten B_art, kurz DAB )

Die Whitepaper von AAC-LC (Low Complexity, die Basis-ACC für z.B. Kofferradio) und HE-AAC (Multichanel baut auf AAC-LC auf) sind bei Frauenhofer zu finden und zeigen die unterschiedliche Zielsetzung. Der BR hat wohl im laufe der Jahre mal beide Codecs gekauft. Das Personal hat möglicherweise die Schalterstellungen 'AUTO' gewählt, was bei verschiedenen Programmaterialien die obigen Unterschiede zeigt. Ich habe schon gehört, wie bei älteren Aufnahmen (mit Rauschen) der Codec ständig zwischen Mono und Stereo hin- und hergeschaltet hat, was grauenhaft war, weil auch der Empfänger kurz umschalten musste.

Geschichtliches: Früher wurden viele Sender (Frequenzmodulation) von der DBP betrieben und von den Rundfunkanstalten gemietet. Die Programmacher versuchten mit großen Lautstärken ihre Reichweite zu erhöhen (was nicht geht). Da die Übermodulation die Nachbarkanäle stört, hat die DBP nach wiederholter Übersteuerung Limiter/Kompressoren gekauft und in Rechnung gestellt. Die Anstalten haben dann selbst Limiter/Kompressoren gekauft und festgestellt, dass man mit dem Kompressor die Dynamik so weit zusammenquetschen kann, dass es auch im Auto noch gut zu verstehen ist. Maxi-Single-CD werden oft mehrfach abgemischt: 'Normal' und 'Radio-Edit' (komprimiert). Die AAC-Codecs haben Limiter und Kompressoren fest vorgeschaltet, weil sie mit Übersteuerung nicht arbeiten können (teilweise kann man auch noch 'Loudness' einschalten).

Nachdem das ursprüngliche Material durch Kompressor, Loudness, Limiter und AAC-Coder gelaufen ist, kann hinter der Decodierung (Empfänger) nur die Rest-Dynamik beurteilt werden! Keiner würde versuchen mit einem kleinen, stark komprimierten .jpg-Foto ein Gemälde zu beurteilen. Das Foto oder die Musik ist einfach nur schön oder nicht, niemand wird gezwungen.

Erklärungsversuch: Jede Information kann man als Volumen eines Quaders verstehen. Die x-Achse ist die Frequenz/Bandbreite, die y-Achse ist die Amplitude/Dynamik und die z-Achse stellt die Zeit dar. Für 'just in Time' -Übertragungen, also Telefon/Radio, ist t=z immer =1. Die t-Achse soll hier nicht näher betrachtet werden, aber Sie kennen das vom Kopieren eines 1-min-Audio-File, was meist schneller geht (offline-Übertragung). Es genügt hier eine 2-dimensionale Darstellung. Die zu übertragende Information ist dann x*y. x=f=linear (Fourier ist schuld), y=Dynamik=linear (60dB=Faktor 1000), obwohl wir f und den Pegel logarithmisch empfinden (Psyche). Beide Achsen sind gleichwertig: man kann das halbe Frequenzband mit der doppelten Dynamik übertragen und umgekehrt (gleiche Flächen)!

Zwischen Informationsquelle (Sender) und Informationssenke (Empfänger) liegt der Übertragungskanal. Wie ein 'Kanalrohr' lässt er mehr oder weniger übertragbares Volumen/Fläche zu. Funk-Übertragungen fügen noch Rauschen und Störungen hinzu. Hier kommen nun Kompressionsverfahren zum Einsatz, um möglichst effizient den Kanal zu nutzen (Volumen/Fläche zu reduzieren). In x-Richtung kann die Frequenz (auf z.B. 16kHz = 128kb/s .mp3) begrenzt werden. Leicht zu errechnen ist die verbliebene Dynamik: bei min.32kSamples -> 128kb/s / 32kS = 4 Bit. Darin muss die Polarität und die Stereo-Information untergebracht werden. Das ursprüngliche Signal (CD: 44100kS * 16Bit * Stereo = 1,4Mb/s) wird in mehreren Stufen von redundanten Anteilen und nicht hörbaren Überdeckungseffekten befreit. Durch Zusammenfassung zu kleinen Paketen kann Lautstärke, Polarität und Stereo-Information platzsparend untergebracht werden. (Kompression: 1,4Mb/s / 128kb/s = 10,94)

Bei der Rückwandlung können nicht alle entfernten Anteile restauriert werden! Unterschiede zum Originalsignal nennt man Klirrfaktor. Verlustbehaftete Kompressionsverfahren (MP3, AAC) müssen damit leben. Da die Verzerrung meist harmonische sind, werden sie nicht als so störend empfunden. Da die Decoder nur in Teilen ein Spiegelbild der Encoder sind und da er deren Vorkommpression und Limittereinstellung nicht kennt, ist eine Rückwandlung nur teilweise möglich.

Krieg oder nicht? Wie ich bereits im Teil 4 meiner Lautsprecher erwähnte, ist das Hören nicht nur eine physische sondern auch eine psychische Angelegenheit: Hört man zwei identische Lautspecherpaare (hinter Sichtschutz), von denen ein Paar leiser eingestellt ist, wird jeder das lautere als das bessere einstufen! Weil unser Gehirn sofort und von uns unbemerkt die Höhen- und Tiefen-Wiedergabe abschaltet, um mit den mittleren Frequenzen eine Richtungsortung durchführen zu können. Es war für uns (Menschen) mal überlebenswichtig Schallquellen horizontal zu orten, vertikal sind wir nicht so empfindlich. Aus dem Grund darf der Hochtöner nur über/unter dem Mitteltöner angeordnet werden, sonst gibt es Kopfschmerzen, weil das Gehirn ständig die Lautsprecher separat zu orten versucht. Unter 200Hz sind unsere Ohren und der Abstand zu klein, um sie zu orten.

Die Zielsetzung der Musik-Redakteure ist nun klar oder?

Analyse: Nur so zum Spaß habe ich mal wahllos ein paar Stücke analysiert (Pop.mp3 und Techno.mp3). Scheinbar ist es nicht so übel, was ich häufig höre. Ich kenne den Algorithmus nicht, schätze aber, dass die .mp3-Files über '12' wegen der Kompression kaum hinauskommen.

Man sollte nur lesen, hören oder sehen, was man es als angenehm/schön empfindet.

Weitere Messungen und Hinweise von Wolfgang Hartman:

Das Wichtige an der Situation ist, dass wir jetzt auch Dynamiken messen können und nicht nur Frequenzspektren durch Audacity 2.05. Damit können wir uns einen Spiegel der Rundfunk-Übertragungen messtechnisch selbst erstellen. Schon gut, dass Digitaltechnik so viele Möglichkeiten eröffnet. Seit Jahrzehnten bin ich aus persönlicher Neigung mit Audiotechnik verbunden. Analog und heutzutage auch digital als Messmöglichkeit oder Wiedergabe-Praxis beim bevorzugten Musikhören.

DAB-Technik im Rundfunk: DAB-Technik.pdf
Dynamik div. Rundfunksender in Nürnberg für DAB: Dynamik_Sender_Nürnberg.pdf
TT DYNAMC RANGE METER DR 1.4: TT DYNAMC RANGE METER DR 01.4.pdf
Dynamik-Faktoren von 20 und mehr: DynamikFaktoren.pdf