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Vom VU-Meter zum Goniometer

Analoge Aussteuerungsmesser

Der Aussteuerungsmesser im Zeitalter der Surroundtechnologie

 

Die Aussteuerungskontrolle oder –messung ist so alt wie die Rundfunktechnik. Um die vorhandenen Leitungskapazitäten und den Sender richtig aussteuern zu können bediente man sich schon früh der Tonfrequenz-Spannungsmeßtechnik. Doch die elektrische Messung einer akustischen Größe brachte 2 entscheidende Schwierigkeiten mit sich:

1. Ein Tonsignal eines Programms ist keine in der Frequenz und Amplitude konstante Wechselspannung und:

2. Der Spannungsmeßbereich über die Skala eines normalen Voltmeters, das eine Pianissimo- und eine Fortissimo-Stelle gleichsam anzeigen soll, ist zu klein.

 

Während man in den Vereinigten Staaten gegen Ende der dreißiger Jahre das VU-Meter (das Voltmeter mit Zeiger und einem Wechsel-Spannungsmeßbereich) normte, machte man sich in Deutschland bereits viele Gedanken, wie man mit Hilfe eines Zeigerinstrumentes  eine befriedigende Aussteuerungsanzeige realisieren konnte. Das VU-Meter ist ein Überwachungsinstrument für die Aussteuerung nach amerikanischer Norm. Da in den USA jedoch immer mehr Produktionen hergestellt und auch gesendet werden, die mit VU-Metern ausgesteuert sind, werden auch diese Eigenschaften kurz erklärt: Der wesentliche Unterschied zum Aussteuerungsmesser ist, daß das VU-Meter annähernd die Lautheit und nicht den Pegel anzeigt.

 

Mit seiner Hilfe läßt sich also besser die Dynamik einer Darbietung einstellen. Aber gerade hierbei ist das Gehör allen Meßinstrumenten weit überlegen. Für die technisch optimale Pegeleinstellung ist das VU-Meter nur sehr schwer zu gebrauchen! Hier lassen sich Übersteuerungen nämlich nur noch abschätzen, nicht mehr kontrollieren. Hauptunterschied zwischen VU-Metern und einem Pegelmesser ist die Bewertung der Pegelspitzen. Sie werden vom VU-Meter mit einem wesentlich niedrigeren Pegel angezeigt, als ihrem tatsächlichen Wert entspricht. Der Aussteuerungsmesser zeigt Pegelspitzen nach 10 ms an, das VU-Meter erst nach ca. 300 ms! Bei verschiedenen Modulationen wie Sprache, Hörspiel, klassische Musik etc. sind die Anzahl und die Dauer der Pegelspitzen ganz unterschiedlich verteilt. Da die Lautheitsanzeige von Pegelspitzen beim VU-Meter – welches übrigens in dB kalibriert ist - nach der die Austeuerung auf 0 dB vorgenommen wird, geringer ist, als der tatsächliche Pegel, (etwa um 6 bis 10 dB geringer), käme es zu Übersteuerungen, wenn nur diese Anzeige für die Aussteuerung benutzt würde. So kam es, daß ein mechanisch vorgespanntes Drehspulinstrument - in Serie geschaltet mit der Anodenspannungsversorgung eines Röhrenverstärkers - sowohl von der Ballistik als auch vom Meßbereich her eine befriedigende begleitende optische Beurteilung eines Audiosignals zuließ. (Dieses Drehspulinstrument erweckt in ausgeschaltetem Zustand den Eindruck, es sei defekt: der Zeiger „hängt“ scheinbar rechts am Vollausschlag fest! Erst, wenn der Anodenstrom fließt, geht es auf der linken Seite zu seinem (elektrischen) Nullpunkt.) Besonders nach dem 2. Weltkrieg entstand in Deutschland die dringende Notwendigkeit, einen solchen Aussteuerungsmesser zu konstruieren und auch überall zu benutzen, da man – durch die Genfer Wellenkonferenz v. 1947 bedingt – nur noch auf UKW mit FM quasi „freie Hand“ hatte. Dieser Aussteuerungsmesser wurde dann im Pflichtenheft 3/6 durch das Institut für Rundfunktechnik eingenormt. Sein Meßbereich umfaßt 55 dB (-50 ... +5dB) und er hat eine Anstiegszeit von 10ms für 90% des Endausschlags. Der Abfall wird mit 1,5sec. für 20dB spezifiziert. Der Referenzpegel ist +6dBu. Zur Realisation diente ein Spiegelgalvanometer, welches als Strommesser in einer Röhrenschaltung betrieben wurde. Der Spiegel hatte eine hinlänglich kleine Masse für eine geringe Integrationszeit und die Skala ließ sich durch Projektion optisch sehr lang gestalten.

 

Ferner gab es noch eine „20-dB-Taste“, mit deren Betätigung der Aussteuerungsmesser um 20 dB empfindlicher gemacht werden konnte: der Meßbereich erstreckte sich dann von –70 ... –15 dB. Aussteuerungsmesser mit dieser Ballistik sind heute Standard in der analogen Rundfunktechnik in Deutschland. Im europäischen Ausland aber gibt es immer wieder Abweichungen von dieser Norm:

 

IEC 268-10 Typ I

Es handelt sich um ein Instrument, ähnlich dem deutschen, wird aber als „Quasi-Spitzenwert-Messer“ bezeichnet. Die Integrationszeit beträgt 5 ms, wobei der Anzeigewert 2 dB unter dem Referenzpegel liegen darf. Die Abfallzeit beträgt hier 2sec. für 20dB. Der Referenzpegel ist ebenfalls +6dBu.

 

IEC 268-10 Typ IIa

Es handelt sich um ein sog. PPM (Peak-Programme-Meter) mit einer Integrationszeit von 10ms. Dieser Typ ist der Aussteuerungsmesser der BBC und wird auch als „UK-PPM“ bezeichnet. Die Skaleneinteilung ist hier nicht das dBu, sondern eine Skalierung von 1.....7, wobei der Zwischenraum jeder Einheit (Zahl) 4dB ist. Der Gesamt-Meßbereich erstreckt sich also von –12 ... +12dB. Der Referenzpegel liegt bei „6“. Das sind 1,94 Volt. Eine zusätzliche Taste „+40dB“ macht das Gerät um 40dB empfindlicher.

 

IEC 268-10 Typ IIb

Dieses PPM ist genormt für die Sendestrecken innerhalb der EBU. Es hat einen Meßbereich von –12.... +12 dBu. Der Referenzpegel liegt bei +9dBu.

 

Nordic Recommendation N9

Meßbereich von –42dB ... +12dB, Integrationszeit 5 ms, zuschaltbare Verstärkung von 20dB mittels Taste.

Eine Ergänzung zu den reinen Pegelmessern mit Zeiger oder Bargraph als VU-Meter oder als PPM sind Meßgeräte mit der Lautheits-Anzeige (Loudness-Meters). Hier werden sowohl Pegel als auch Frequenz in Abhängigkeit des Hörempfindens berücksichtigt. Der bekannte Psychoakustiker Eberhard Zwicker hat diese Zusammenhänge in den 50er Jahren nachgewiesen und mit Hilfe von Versuchsreihen Lautheits-Diagramme festgelegt. Daher wird diese Messung auch als „Zwicker-Methode“ bezeichnet.

 

Korrelationsgradmesser

Mit Einführung von Stereoproduktionen und der Stereo-Rundfunktechnik in den 60er Jahren kam zum Aussteuerungsmesser ein 2. wichtiges Gerät hinzu: der Korrelationsgradmesser! Durch die Forderung, daß jedes Stereoprogramm auch monokompatibel sein muß, benötigte man eine ständige Anzeige für die Phasenbeziehung zwischen den beiden Stereokanälen. Das Gerät enthielt 2 Verstärker (mit Kompressorwirkung für eine gleichmäßigere Anzeige) für den jeweiligen rechten und linken Kanal, deren Signale in einem Synchrongleichrichter und nachfolgendem Integrierglied mit einem Nullinstrument (Drehspulmeßgerät mit Nullpunkt in der Mitte) zur Anzeige gebracht wurde.

Die Skala erstreckte sich von –1...0...+1.

Eine Anzeige zwischen 0 und +1 bedeutete: Das Signal korreliert, ist also weitgehend monokompatibel. Eine Anzeige zum negativen Bereich bedeutete, daß nichtkorrelierende Anteile enthalten waren, die bei Monobetrieb Klangverfärbungen bis hin zur Auslöschung enthalten konnten. Bald wurde dieses spezielle Zeigerinstrument durch ein Oszilloskop ersetzt, dessen x- und y- Strahlablenkung von den beiden (L und R)- Kanälen beeinflußt wurde. Das Stereosignal war nun nicht nur nach Korrelation und Phase zu beurteilen, sondern es konnten gleichzeitig Frequenzgangabweichungen der Kanäle gegeneinander, sowie falsch eingestellte Kompressoren und Limiter erkannt werden.

 

Dieses als „Stereoskop“ bezeichnete Gerät ist mittlerweile in fast jedem Studio als „Filbig“ ein Klassiker

 

Digitale Pegelmesser

 

Nachdem sich nun die gesamte Audiowelt an dieses sehr typische, und nur mit den drei Buchstaben seiner Geburtsstätte bezeichnete „Maß aller Dinge“ gewöhnt hatte, wurde Audio digital! Folgerichtig kamen die ersten Aussteuerungsmesser ohne positiven dB-Bereich in die Studios, da es bekanntlich in der Digitaltechnik nur 0 dBFS (Full Scale)  und kleinere (negative dBFS) gibt! Der einzige „Rote Bereich“ war die „OVER-Led“, und wenn diese leuchtete, war es für diesen Take das gnadenlose „Aus“. Die „Angst des Tonmeisters vor dem roten Bereich“ war schließlich ausschlaggebend für viele Diskussionen um den Headroom bei Sendung und Produktion. Einige Rundfunkanstalten begannen vorsichtig mit 12 dB, mutigere mit 6 dB Headroom zu arbeiten.... Man einigte sich schließlich in der IEC R 68 auf die goldene Mitte: 9dB für Produktion und Sendung! (Dieser Wert: „9dB“ ist übrigens nicht aus der hohlen Hand gezaubert, sondern mathematisch begründet. Stichwort ist der Unterschied der Messung einer Wechselspannung in Effektivwerten und in Spitze-Spitze-Werten, sowie deren Abhängigkeit von der Kurvenform. Ich möchte jetzt hier nicht die Formeln herleiten, aber es sei angemerkt: Bei der Umrechnung von Effektivwert zu Spitze-Spitze-Wert und der Zugrundelegung einer Sinus-Spannung bekommt man einen Pegelzuwachs von 9dB!) Somit haben heute alle für den Rundfunkbereich verwendeten digitalen Geräte in den Sendeanstalten einen Headroom von 9 dBFS. Folglich beginnt der imaginäre „Rote Bereich“ bei –9dBFS, welches dann in der analogen Welt den Funkhauspegel von +6dBu ergibt!

 

AES/EBU Digitalstandard

Der Meßbereich dieser Geräte erstreckt sich von –60dBFS... 0dBFS. Eine Taste erlaubt die Zugabe von 40dB Verstärkung. Neben der Anzeige der Sampling-Rate des angeschlossenen digitalen Gerätes gibt es auch Leuchtdioden für die Anzeige von Emphasis und Error sowie Overload. Die in den Rundfunkanstalten verwendeten Geräte haben natürlich einen roten Bereich, beginnend bei –9dBFS!

Die Anzeige arbeitet sample-genau, also ohne Integrationszeit. Es ist ein echter Spitzenwertmesser. Mit dem Aufkommen von Dolby-Surround für das Heimkino gab es aber plötzlich für Tonstudios und Fernsehanstalten noch ein neues Problem: Wie stellt sich optisch etwas dar, was akustisch „von hinten“ kommen soll? Denn gerade jetzt, wo die meisten Studios gute Meß- und  Abhörbedingungen für das 2-kanalige Stereo hatten, kamen noch mehr Lautsprecher dazu, die (leider) anfangs in den wenigsten Fällen für eine richtig Surround-Wiedergabe plaziert waren. Also machte man sich Gedanken, wie denn eine (Dolby-) Surround- Produktion überhaupt zu erkennen, geschweige denn zu messen sei. Angefangen hat die Problematik bei den Rundfunkanstalten und den Fernsehsendern, da sie plötzlich mit dem Problem konfrontiert wurden, daß es durchaus bei bestimmtem Programmaterial zu Korrelationsgrad-Messer-Ausschlägen in den negativen (nicht korrelierenden) Bereich kam. Hierbei handelte es sich jetzt meist um Anteile im Tonmaterial, die für die rückwärtigen (Surround-)Lautsprecher bestimmt waren. Der Korrelationsgradmesser und das Stereoskop waren damit überfordert, die Anzeige auf diesen Geräten mußte „interpretiert“ werden: wenn etwas nicht korrelierte (querlag) wurde dem Programmverantwortlichen die Entscheidung überlassen: Fehler, oder Dolby-Surround! Dies war die Geburtsstunde des Goniometers! Das Goniometer ist nichts anderes als ein Winkelmessgerät, dessen Funktion aus der Nautik entnommen wurde: Dort war seine Aufgabe, mit Hilfe von HF-Sendesignalen vom Land den Standort eines Schiffes auf See bestimmen zu können. Dazu diente eine Kreuzdipolantenne, fest verankert auf Deck, deren empfangene Signale ebenfalls auf einem Ozillographenschirm sichtbar gemacht wurden. Ein Produktdetektor lieferte dabei die Ablenkspannung. Genau das Gleiche geschieht bei einem Goniometer in der Tonstudiotechnik: Die Sendesignale sind NF-Quellen im Raum (oder im Freien), und 4 Mikrofone bilden den Kreuzdipol. So lassen sich direkt auf dem Display die Richtung und die Intensität des Schalles ablesen. Das Display ist heute in TFT-Technik realisiert und die Anzeige (Darstellung) geschieht mit Unterstützung von Elektronik recht elegant, sprich: ablesefreundlich. Selbstverständlich läßt sich ein solches Goniometer auf die entsprechenden Surroundformate einstellen:

1/0 (mono); 2/0 (stereo); 3/2 (Dolby Pro Logic) oder 5.1 bis 7.1. (DVD)

Diskutieren kann man nun freilich über die Anzeige: Waberndes Wolleknäuel oder Qualle? (Jelly-Fish).

Besonders praktisch erweist sich eine Farbänderung der Anzeige, wenn sich zwischen akustisch benachbarten Kanälen die Phase um mehr als 90° verschiebt. Als Hilfsmittel lassen sich 4 Korrelatoren für die Beziehungen: L/C, C/R, L/R und LS/RS einblenden. Auffallend ist hier nicht nur die Winkelmessung, (das sog. „Surround-Sichtgerät“) sondern vor allem auch die Möglichkeit, viele relevante, in der Studiotechnik wesentliche Eigenschaften von digitalem Audiomaterial anzuzeigen. Neben dem mehrkanaligen Bargraphen, der selbstverständlich auf alle Normen eingestellt werden kann, hat sich sowohl der Real-Time-Analyzer als auch das Kanalstatus-Protokoll als sehr hilfreich erwiesen.

Besonders bei Problemen mit den digitalen Audioschnittstellen ist der Statusmonitor ein unentbehrliches Hilfsmittel, da hier nicht nur die Kanalstatusbits (Professional, Consumer, Emphasis, etc.), sondern auch die Wort-Bit-Aktivität (16, 20 oder 24 Bit) zur Anzeige gebracht wird. Auf einen Blick läßt sich schnell erkennen, welches Verhalten das Digitalsystem in Pausen zeigt, und warum evtl. ein Digitalsignal nicht hörbar ist. Mit diesen Funktionen gehen die modernen Goniometer weit über die Darstellung eines Pegels oder über den Einsatz als alleiniger Aussteuerungsmesser hinaus. Es handelt sich hierbei um mittlerweile standardisierte Anzeigegeräte, die in der Hektik des Studioalltags durch ständige Präsenz und einfache Bedienung das Ohr entlasten, indem sie das Hörbare auf vielfältige Weise vor Augen führen. Besonders in Videostudios helfen sie, das Bewußtsein für Audio nicht aus den Augen zu verlieren...