Grenzen der digitalen Audiotechnik (Ralf Koschnicke)

uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Wenn sich die geballte Fachkompetenz äußert sollte man sich nicht einmischen. Ich versuch es als Hobby-Ohrologe trotzdem mal, da sich für mich doch Fragen ergeben. Diese sind hier locker aufgeführt, da nicht nicht notwendigerweise schlüssig miteinander verbunden:

- wenn Oliver einen Unterschied 32/16 zu 22.5/16 hört, ist dies nun ein Beweis dafür, dass er richtig hört, ein anderer jedoch nicht, welcher meint einen Unterschied 192/24 zu 44/16 auch blind wahrzunehmen? Hilft dabei eine Statistik-Tabelle von Olivers Hörtest?

- wenn feine Pegelunterschiede verantwortlich dafür sind, dass 192/24 besser klingt als 44/16, insbesonders wenn 192/24 etwas lauter sind, wieso gibt es nirgends einen Hinweis, dass 44/16 doch besser klingt als 192/24, weil es z.B. um 0.2 dB lauter ist? Man kann doch beliebig die Lautstärke anpassen.

- wenn denn schon bei Mikrofonaufnahmen ein Grundrauschen von -60 dB in praktisch jedem Raum vorhanden ist, wieso muss man dann eigentlich noch dithern? Nach der Erläuterung der Experten müsste doch das stets vorhandene Grundrauschen als Maskierung ausreichen, auch dann wenn dann auf eine geringere Bittiefe heruntergerechnet wird.
Nun, ein anderer Experte (Bob Katz) behauptet klar, unterschiedliche Ditheralgorithmen selbst bei 24 bit Bittiefe herauszuhören. Geht das überhaupt?

- wenn das Grundrauschen bei Haralds Aufnahme schon so hoch ist, wie stellt Truesound fest, dass da gedithert wurde? Kann man das doch hören?

Ich habe mal folgenden Test gemacht, ausgehend von der Überlegung, dass ein geradzahliges Hochsampeln dadurch gemacht werden kann, dass man Nullsamples dazwischen einfügt und das Ganze durch einen sinc-Filter schickt. sin(x)/x ist nun = 1 für x=0. D.h. dass genaugenommen jedes reale Sample so erhalten bleiben müsste, wie es ist und dass dann nur die Zwischensamples bestmöglichst rekonstruiert werden.

Also, man nimmt den 192/24-Track und erzeugt nun mit jedem 4. Sample einen neuen Track = Downsampling. Wobei jedes Sample mit einem passenden Sample eines 48/24-Tracks korrespondiert. Dann kann man die Tracks subtrahieren und es verbleibt ein Rest, der den SRC-Fehler charakterisiert.

Mit den Beispiel-Dateien von Harald ergibt sich hiermit:
Bild

Das Bild zeigt eine FFT über die gesamte Tracklänge. Rot ist der originale Track, grün der von 192/24 auf 48/24 heruntergesampelte Track und blau die Differenz. Man erkennt, dass sich vor allem im hochfrequenten Bereich noch Unterschiede ergeben. Die blaue Differenz zeigt einen gleichmäßig niedrigen Rauschpegel, allerdings mit einem interessanten Buckel bei 10 kHz. Ursache unbekannt.

Nun hat ja Truesound ein "besseres" Resampling gemacht. Inkl. penibler Pegelanpassung. Das führt nun zu folgendem Bild:
Bild

Dabei zeigt die blaue Kurve ein Differenzverhalten das nun gar nicht mehr nur ein Rauschen enthält, sondern auch Musikbestandteile. Was nicht sein sollte und dürfte.

Die nähere Untersuchung ergibt, dass der pegelangepasste 48/24-Track von Truesound um 0.0243 dB zu laut ist. Das lässt sich korrigieren und es ergibt sich als neue Differenz:
Bild

Somit haben wir letztlich ein Ergebnis welches dann wiederum mit Haralds Beispiel übereinstimmt. Hat da etwa ein Laie zufällig doch etwas richtig gemacht (bzw. einen funktionierenden SRC verwendet)?

Grüsse
Uli
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dietert
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Beitrag von dietert »

Hallo Uli,

soweit ich verstehe, resultiert die blaue Differenz aus der Anwendung des Filters. Solche Brickwall-Filter sind üblicherweise für 0,1 dB bis 0,01 dB Welligkeit im Passband dimensioniert. In der Näherung 1dB = 10 % sollte die Differenz vor und hinter dem Filter also 40 bis 60 dB unter dem Signal liegen. In deinen Plots sehe ich etwa 50 dB im Tieftonbereich. Aber eigentlich sieht man keine Wellen, sondern eher sowas wie Rauschen.

Im Hochtonbereich würde man eher erwarten, dass die Differenz auch wieder 60 dB unter dem absackenden Audiosignal bleibt. Das verstehe ich nicht. Ist das ein numerisches Problem? Vielleicht gibt der DSP mit seinem Filter oder die FFT aus irgendeinem Grund nicht mehr als die 60 dB her.

Außerdem sehe ich bei genau 10 KHz einen 8 dB-Peak auf der obere Kante des blauen Plots.

Grüße,
Dieter T.
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Dieter,

jedes 4. Sample aus dem 192 kHz-Signal sollte idealerweise gleich dem zugehörigen Sample aus dem 48 kHz Signal sein. Oder andersrum: jedes Sample des 48 kHz-Signals wäre idealerweise gleich dem um 3 Samples dezimierten 192 kHz-Signals.
Dann würde ein optimales Rechteckfilter vorliegen mit Passband = 0dB.

Nun natürlich wird gerechnet, es entstehen Abweichungen. Und selbst bei idealer SRC würde das Hinzufügen von Dither ein solches dargestelltes Rauschen erzeugen. Die sich ergebende Differenz sieht im Zeitsignal auch wie Rauschen aus und hat einen max. Pegel von -62 dB im Vergleich zum max. Pegel des Nutzsignals.

Die Berechnung erfolgt rein im Zeitbereich, erst danach erfolgt ja die FFT. Da alles mit 64 bit float gerechnet wird ist (Acourate) sehe ich keine Probleme hinsichtlich der 60 dB.

Der Peak bei 10 kHz ist interessant, für die Ursache habe ich noch keine Idee. Er hat sich bei Haralds und Svens Datei (also unterschiedliches SRC) gleichermassen gezeigt.

Grüsse
Uli
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dietert
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Beitrag von dietert »

Hallo Uli,

Double hin oder her - ich würde erstmal meine Methodik mit synthetischen Signalen so abklopfen und bereinigen, dass auch im Hochtonbereich zwischen 5 KHz und 20 KHz die Differenzen deutlich unter dem Nutzsignal bleiben. Ich meine, das wäre mein Verständnis von einem SRC.
Vielleicht hast Du in irgendeinem untergeordneten Zwischenschritt clipping, sowas könnte vielleicht ein breitbandiges Rauschen geringer Amplitude erklären.
Dithering sollte im Fall von 16 Bit Genauigkeit bei -90 dB was machen und würde bei der vorgestellten Analyse erstmal keine Rolle spielen.
Ich habe gestern stundenlang an einem Mitteltöner rumgedoktert, der bei Spannungssteuerung breitbandig mit 0,4 % klirrt. Zum Glück habe ich eine Kette aus DAC, Verstärker, Mitteltonkalotte, Mikrofon und Kabeln, die mir reproduzierbar unter 0,1 % Klirr liefern. Sonst wäre es zum verrückt werden. Was du für deine Untersuchung brauchst, ist ein SRC und eine FFT, die reproduzierbar Differenzen im Bereich -100 bis -120 dB unter Vollaussteuerung liefern. Käufliche SRC-Chips haben ja THD-Specs um die -140 dB.

Grüße,
Dieter T.
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Truesound
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Beitrag von Truesound »

Hallo Oliver!
Die 16/22,5 ist mal so ein unten um nochmal zu schauen was passiert...
Wenn man einen Filter entsprechend setzt als ob man mit einer Samplingfrequenz von ca. 28 kHz arbeiten würde müsste man sich bei dem Stück auch schon sehr quälen um noch was zu hören....

Mir sind bislang noch keine Musikstücke untergekommen wo es nicht mit dem CD Redbook richtig funktionierte....

Grüße Truesound
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Hallo Dieter,

ich glaube Du verstehst da etwas falsch. Ich mach da überhaupt kein SRC.
Also nochmal das Ganze:
es gibt drei Dateien, eine 192/24 und zwei SRC gewandelte 48/24. Nicht von mir, sondern von Harald und Sven.

Theorie, zuerst mit Hochsampling: ein 48 kHz Signal mit den Samples a, b, c, d, e, f, ... wird auf 192 kHz gerechnet mit zero stuffing = a, 0, 0, 0, b, 0, 0, 0, c, 0, 0, 0, d, 0, 0, 0, e, 0, 0, 0, f, 0, 0, 0, ...
Eine FFT davon würde prima zeigen, dass es nun oberhalb fs/2 = 24 kHz Spiegelfrequenzen gibt. Was ja nicht sein darf und soll. Ergo wird nun das gestuffte Signal mit einem perfekten linearphasigen sinc-Filter (=perfekter Tiefpass) behandelt. Wobei die Werte a, b, c, ... unverändert bleiben !!! und sich dazwischen die gewünschten interpolierten Werte ergeben.

Wenn man beim ideal upgesampelten Signal nun wieder die Zwischenwerte herausnimmt, bekommt man das 48 kHz Signal wieder. Und wenn man das dann vom Originalsignal subtrahiert ergibt sich NULL.

Nun, die SRC ist ja nicht ideal. Was aber nicht daran hindert, das nun mit den gegebenen Signalen trotzdem zu tun. Die Differenz ist dann aber eben nicht Null. Es bleiben die Abweichungen vom Ideal über. Die dann eben Abweichungen sind, welche durch das jeweilige Verfahren inkl. verwendetem Filter verursacht werden.

Was in in diesem Fall eben ein rauschähnliches Signal ist. Und auch Signalanteile beinhalten kann, wenn die Verstärkungen abweichen.

Die Bilder zeigen nichts anderes als die FFT über die jeweilige Signallänge (hier 1.682.274 Samples). Es gibt kein Clipping, kein Dithering etc. Nur das Herausnehmen jedes 4. Samples beim 192 kHz-Signal, eine Subtraktion der Samples und dann die FFT.

Also, das Ganze kannst Du mit irgendeinem anderen Programm, z.B. Matlab oder was auch immer nachvollziehen. Und von mir aus auch mit einem käuflichen SRC-Chip, dessen Ausgang dann eben aufzuzeichnen ist. Wenn der SRC-Chip besser ist, sollte es sich dann ja auch zeigen.

Grüsse
Uli
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Ich hab das Ganze nun mal mit einem künstlichen Signal gerechnet. Also bei 48 kHz Abtastrate einen Sinus mit 1500 Hz erzeugt, Signallänge 131072 Samples. Dann mit zero stuffing auf 192 kHz "hochgerechnet". Dazu dann einen sinc-Tiefpass mit Trennfrequenz 24 kHz erzeugt, die Länge des Filters ist 65536 taps. Das upgesampelte Signal dann mit dem sinc-Filter convolvt. Das Ergebnis dann mit 4 multipliziert (= Ausgleich Pegelabsenkung durch zero stuffing) und auf die ursprüngliche Länge beschnitten.

Anschliessend vom 192 kHz-Signal jedes 4. Sample genommen und das dann als 48 kHz Signal gespeichert.

Das Originalsignal und das upgesampelte und dezimierte Signal geladen und voneinander subtrahiert.

Es ergibt sich im Zeitbereich
Bild

Die grüne Kurve überlagert die rote und das Differenzsignal ist blau.

Im Frequenzbereich sieht es dann so aus:
Bild

Rot dargestellt ist das Originalsignal (eine perfekte Nadel), grün das Ergebnis nach Upsampling und Dezimierung, man erkennt einen allerersten Ansatz von side-lobing. Blau entspricht der Differenz.
Alles ist mit gleichem Verstärkungsfaktor bezogen auf 0 dB normalisiert. Man erkennt schön, dass sich mit 64 bit Gleitkomma für das von Dieter geforderte synthetische Signal eine Abweichung von kleiner -300 dB ergibt !! Was für praktische Anwendungen sicher jenseits von Gut und Böse ist.

Grüsse
Uli
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Truesound
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Beitrag von Truesound »

Kleiner 300 dB oder kleiner 210 dB ist für praktische Anwendungen längstens gut genug......weit jenseits von Gut und Böse

Grüße Truesound
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O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Uli Brueggemann hat geschrieben: - wenn Oliver einen Unterschied 32/16 zu 22.5/16 hört, ist dies nun ein Beweis dafür, dass er richtig hört, ein anderer jedoch nicht, welcher meint einen Unterschied 192/24 zu 44/16 auch blind wahrzunehmen? Hilft dabei eine Statistik-Tabelle von Olivers Hörtest?
Hallo zusammen ,

nur um die Bezüge nochmals herzustellen.

- "Ich höre einen Unterschied" von 32/16 zu 22.5/16 bezog sich auf "You gotta move".

- Meine "Strichliste" mit dem Versuch Redbook zu identifizieren, bezog sich auf ein zufälliges
Abspielen von 3 Versionen des von Harald eingespielten Stücks

Dabei liefen alle 3 Versionen, die ersten, die @Truesound bereitgestellt hat

24Bit 192kHz (Basis 64Bit_float) Truesound converted auf 16-44.wav ("Redbook")
24Bit 192kHz (Basis 64Bit_float) Truesound converted to 48-24.wav
24Bit 192kHz (Basis 64Bit_float).wav (Original)

in zufälliger Reihenfolge.

Dabei habe ich nur "Redbook oder nicht" versucht zu unterscheiden und zu bewerten, weil ich beim unverblindeten Hören glaubte, einen Unterschied bei Redbook zu vernehmen, der greifbar schien.
Es hat sich für mich eher als Auto-Suggestion herausgestellt, mit einem "Münzwurf-artigen" Ergebnis.

Evt. mache ich den "Strichlistentest" mit Zufallsreihenfolge nochmal anders indem nur die 192/16 Version vs. Redbook läuft.


@Uli:

Um es mal für alle ganz klar herauszustellen: Ich "beweise" hier überhaupt nichts und habe auch nie behauptet das zu tun.

Ich habe nur an einem Beipiel demonstriert, daß man auch (oder gerade ?) als erfahrener Hörer einer Auto-Suggestion erliegen kann und daß man Maßnahmen treffen kann, dies zu offenbaren bzw. auszuschließen. Das ist alles.

Mich interessiert in Dieser Sache vor allem anderen, wo die Grenzen meines eigenen Urteilsvermögens liegen. Wer an hochwertiger Wiedergabe interessiert ist, der sollte sich - jeder für sich selbst - m.E. ebenfalls ein Bild davon machen als Form von Selbstreflexion.

Wer hier jedoch "richtig oder falsch" hört, oder welcher andere Hörer Unterschiede hört oder nicht, ohne jedoch wenigstens ein paar Blindtests zu machen, das interessiert mich nicht und wäre bei dieser Thematik nicht die Ebene, auf der ich mich bewege möchte (*). Vielleicht trägt das dazu bei, künftig Missverständnisse zu vermeiden.

Settings bei denen die Samplerate am DAC zuhause wiedergabeseitig umgeschaltet wird, erscheinen mir hier grundsätzlich als "vage", etwa aufgrund technischer Schwankungsbreiten der DACs u.a. im Pegel. Dann lieber wieder "upsampeln" und Formate bei gleicher "Pseudo" Samplerate vergleichen.

Das ist meine derzeitige Meinung, denn viele haben daheim unterschiedliche Geräte. Wenn man nicht einmal auf der Ebene "was vergleichen wir eigentlich" klare Verhältnisse herstellen kann, dann ist man wohl eher in der Nähe einer "Farce" als eines "Vergleichstests".

Ich werde mich jetzt mal wieder um andere Dinge kümmern ...

Grüße Oliver

___________________

(*) Statistisch aussagefähige verblindete Vergleiche mit Gruppen von Hörern würden mich interessieren.
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Truesound
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Beitrag von Truesound »

Im Vorfeld hatte ich unverblindet gehört und dabei natürlich auch gesehen was ich da jeweils höre und dann meint man schnell (auch ich) was dabei zu hören.
Als dann verblindet getestet wurde kam es bei mir wie bei Oliver aufs Horneberger Schießen heraus....Zudem strengt man sich beim Vergleich auch nochmal besonders an in einer Form wie normal nicht Musik hört.
Ich hatte später die Versionen auch nochmal in einer Foobarplaylist zusammengefasst und einfach nebenbei durchlaufen lassen und auch da bin ich auf nichts gestoßen was mich hätte aufhorchen lassen...

Grüße Truesound
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

Mit "etwas weniger" Kompromissen lässt sich folgendes erzielen:
Haralds 48 kHz-Datei auf 192 kHz upgesampelt und dabei ein 65536 taps-Filter als Brickwallfilter eingesetzt. Dann wieder durch Dezimation auf 48 kHz "heruntergerechnet" und das Ergebnis vom Original subtrahiert ergibt
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Der Thread heisst ja: Grenzen der digitalen Audiotechnik

Grüsse
Uli
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dietert
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Beitrag von dietert »

Hallo Uli,

OK, 340 dB sind ein Wort!

Wenn die beiden verglichenen Streams vorgegeben waren, dann liegt der Mangel eben bei demjenigen, der die beiden 48 KHz und 192 KHz Signale vorbereitet hat. Die Differenz nach dem Upsampling soll jedenfalls weniger als -90 dB in Bezug auf Vollaussteuerung und weniger als -60 dB in Bezug auf das Audiosignal sein, wenn man einen vernünftigen SRC vor sich hat. Bei 24 Bit statt 16 Bit werden aus den -90 dB sogar -140 dB.

Solche Unterschiede hört keiner, genau wie man einen Klirr von 0,1% bzw. -60 dB oder weniger nicht hört.
Dass ein suboptimaler SRC hörbare Unterschiede liefert, könnte ich mir schon vorstellen.

Grüße,
Dieter T.
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O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Truesound hat geschrieben: Im Vorfeld hatte ich unverblindet gehört und dabei natürlich auch gesehen was ich da jeweils höre und dann meint man schnell (auch ich) was dabei zu hören.
Angenommen, ich könnte in einem Experiment einen Apfel entweder "rosa-rot" oder "grün" erscheinen lassen, bevor Probanden hineinbeißen, und sie würden trotzdem jedesmal in exakt dieselbe Apfelsorte beißen:

Würden hinterher abgefragte geschmackliche "Parameter" wohl mit der Farbe korrelieren ?

Unser Wahrnehmungssystem sucht nach Unterschieden, um sie ggf. innerhalb verschiedener Sinneseindrücke verknüpfen zu können. Wäre das System anders aufgebaut, würden wir nicht lernen können.

Im Falle des Gehörs können sich Unterschiede - bei gleichem akustischen Input - sogar am Sinnesorgan physisch manifestieren, denn die äußeren Haarzellen erzeugen Schall, können den Input also u.a. frequenzabhängig verstärken oder abschwächen.

Das wäre so ähnlich, wie wenn unsere Augen aus sich heraus aktiv leuchten würden und je nach "Input" und identifizierten Objekten dieses Leuchten nach Farbe und Intensität variieren würden ...

Deshalb streite ich nicht mit anderen Hörern "die etwas hören", denn sie hören es ggf. wirklich, wenn sie es sagen (!). Wer etwas hört, der hört es: Sich über Sinneseindrücke zu streiten macht an der Stelle keinen Sinn.

Das gilt für jeden von uns, und einem Menschen, der gerade unter einem Tinnitus (*) leided, hilft es recht wenig, wenn man ihm versichert, daß sein Ohrgeräusch keine akustische Entsprechung in der Außenwelt hat.


Verpackung sowie Haptik und Farbe der Isolation sind bei audiophilen Kabeln neben der Beschaffenheit der Stecker auch sehr wichtig in der Bedeutung für den Klangeindruck: Diese "Vorboten" triggern das Gehör dazu an, nach auditiver Evidenz zu suchen, die mit "goldener" oder "blauer" oder "roter" Farbe verknüpft wird.

Blau ummantelte Kabel klingen für mich z.B. immer etwas "kühler" aber oft auch "präziser" (eine weiche aber strukturierte Oberfläche der Isolation kann diesen "kühlen" Eindruck bei mir sehr stark abmildern, dafür muss ich das Kabel aber am besten auch anfassen können) , für manche Stücke sind aber rote Kabel ganz einfach Pflicht ... :wink: (**)



424/42 Ultra Resolution

192/24 High Resolution

44/16 Standard Quality

32/16 Low-Rate Format



Wer kann hier noch "neutral hören", nachdem er z.B. leuchtende Knöpfe in dieser Aufmachung gedrückt hat ? (***)

Ich weiß von mir, daß ich es nicht könnte. Ich habe jedoch m.E. eine ganz gute Intuition dafür, wo mein Unterscheidungsermögen jeweils an Grenzen stoßen könnte, denn ich teste mich in der Hörpraxis öfter mal selbst ...


Grüße Oliver

_______________

(*) Ich kenne mögliche Mechanismen bei Tinnitus nicht genau und möchte hier auch keine Aussagen darüber machen.

(**) Nein, ich habe nicht gesagt "Kabelklang, Verstärkerklang, ..." kann es nicht geben ...

(***) Den Knopf für "Low-Rate Format" würde ich nicht einmal leuchten lassen: Es soll ja ein "Sparformat" sein. Wer diesen Knopf drückt, der muss sich schon "sehr bewusst werden", daß er mit einer sehr minderen Qualität einverstanden ist und er hier für seinen geringeren Invest auch nur entsprechendes erwarten kann.
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O.Mertineit
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Beitrag von O.Mertineit »

Hallo zusammen,

auch dies nur zur Anregung:

https://secure.aes.org/forum/pubs/journal/?ID=2

Grüße Oliver
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uli.brueggemann
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Beitrag von uli.brueggemann »

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Audibility of a CD-Standard A/DA/A Loop Inserted into High-Resolution Audio Playback

Anmerkung:
Vermutlich ist es eine Eigenheit des beschriebenen Testaufbaus, dass die zwischengeschalteten AD- und DA-Wandler digital mit "kurzer Leitung", z.B. I2S verbunden waren und beiden Wandlern eine gemeinsame Clock zugrunde lag.
Spannend wäre hier wiederum, wie sich zwei per USB angebundene Wandler verhalten, jede mit eigener Clock. Logischerweise müsste demzufolge auch ein Rechner dazwischen als Transportmedium die Daten dann verschieben, natürlich ohne weitere Beeinflussung. Somit müsste sich dann der DA-Wandler z.B. per PLL auf das ankommende Signal synchronisieren. Wenn man auch dann keinen Unterschied wahrnimmt (statistisch im Blindtest) wäre das HighRes-Format tatsächlich hinsichtlich einer Notwendigkeit bei der Wiedergabe anzuzweifeln.

Grüsse
Uli
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