Analog vs. Digital – Warum analog noch immer besser klingt!

 

Mastering Equipment API Warm Audio Drawmer Whitstone und IGS

Zwar gilt es nicht in jedem Fall, aber hin und wieder ist analoger Sound im Mixing oder Mastering immer noch weit vor Audioplugins.

Witzig dabei ist, dass es dazu in der Tat wissenschaftliche Tabellen und Fakten gibt, die analoges Mixing und Mastering weit vor Audioplugins stellen. Hier geht es also nicht um Zauberei oder nur Bauchgefühl, die Fakten sprechen Bände.

Das heißt aber nicht, dass man einen Number One Hit nur analog produzieren kann. Es gibt viele großartige Songs die auch digital, rein ITB (in the box) entstanden sind. Wenn aber ein richtig tiefgründiger und satter Sound erzeugt werden soll ist analog nach wie vor der beste Weg.

Noch Eines sei gesagt, bevor wir tiefer einsteigen. Wie sooft steckt der Teufel im Detail und dieser ist nur zuoft in den dunkelsten Ecken der Signalverarbeitungsmathematik versteckt. Wir versuchen hier deshalb nicht zu viel Fachchinesisch an den Tag zu legen und es kinderleicht zu erklären.

SAMPLERATE – GENAUIGKEIT UND ZEITLICHE AUFLÖSUNG

Alle Audio Systeme (DAWs) haben ihre Grenzen. Aber es kommt vor, dass analoge Schaltungen nicht immer auf 22 kHz oder 48 kHz begrenzt sind (wie es digital mit 44,1 kHz oder 96 kHz Abtastrate funktioniert), und selbst wenn die kombinierte In-to-Out-Bandbreite nur 20 kHz beträgt, die einzelnen Zweige der selben Schaltung kann Bandbreiten im Bereich von Megahertz oder höher haben.

Aber warum ist das notwendig? Der Mensch hört nur bis 20 kHz und das auch nur in jungen Jahren oder wenn Dein Vater ein Hund ist 🙂

Spass beiseite, während der Verarbeitung selbst, gerade wenn irgendwelche schnellen Timing-Konstanten in die Dynamikverarbeitung involviert sind (z.B. beim Audio Kompressor 1176…), können die Nebenprodukte der Synthetisierung der Steuersignale, oder sogar des Steuersignals selbst,  auftreten und haben eine viel größere Bandbreite als als das menschliche Ohr wahrnehmen kann.

Im Vergleich zu grundlegenden digitalen Verarbeitungsalgorithmen ermöglicht dies den analogen Schaltungen, auf „Inter-Sample-Peaks“ zu reagieren und Steuersignale aus Frequenzinhalten zu erzeugen, die den menschlichen Hörbereich oder die Nyquist-Frequenzgrenze eines digitalen Systems erheblich überschreiten.

Eine Audio-Schaltung mit größerer Bandbreite kann, wenn sie nicht wirklich vorsichtig gestaltet ist, anfälliger für Schwingungen bei Frequenzen sein, die weit über unserem Hörbereich liegen. Dieses Phänomen kann zu verringertem Headroom, seltsamen Verzerrungen und Intermodulationen in unsererm Song führen, und nichts davon klingt wirklich angenehm. Dennoch ist nicht zu verachten, dass man bei richtiger Schaltungsauslegung des „eingebauten“ True-Peak-Processings beim Gang in den AD-Wandler (Wandlung von analog nach digital) einige dB Headroom einsparen kann.

NICHTLINEARITÄTEN – UNGLEICH GLEICH BESSER?

Analoge Geräte in der Musik müssen auch nicht irgendwie verschiedene mathematische Kurven zusammenfügen, um Sättigung, Verzerrung und andere Nichtlinearitäten zu simulieren – Dinge, die der digitalen Klangverarbeitung am schwersten fallen, richtig zu machen. Stattdessen kann analoges Equipment genau den gleichen Effekt mit weit überlegener Genauigkeit erzielen, damit kann man perfekt, unperfekte Ergebnisse im Mixing oder Mastering erzielen. Es ist nicht erforderlich Oversampling einzusetzen. Es funktioniert weiterhin, auch wenn Du Deine DAW oder die Plugins aktualisiert hast.

OVERSAMPLING IN DER AUDIOBEARBEITUNG

Oversampling* oder Überabtastung tritt dann ein, wenn ein Signal mit einer höheren Abtastrate bearbeitet wird, als eigentlich für die Darstellung der Signalbandbreite benötigt wird. Ein Oversampling kann bei einigen Anwendungen Vorteile haben.

*Die korrekten Begriffe für diesen Prozess, wenn er digital/ITB durchgeführt wird, wären Upsampling, Processing und Downsampling, aber da der Effekt der erhöhten Bandbreite derselbe ist, wie wenn das Signal ursprünglich überabgetastet würde, wenn es digital konvertiert wird, verwenden die meisten Plugin-Hersteller den Begriff Oversampling als Erklärung.

Dieser Prozess muss bei den Plugins sehr gute Filter enthalten, um zu vermeiden, dass Frequenzinhalte erzeugt werden, die im Originalaudio nicht vorhanden waren, um nicht einen verzerrten Klang im Mix oder Master zu bekommen.

Viele gut klingende digitale Dynamikprozessoren (VST Plugins) verfügen über eine eingebaute Oversampling-Funktion, um eine genauere, natürliche Gain-Reduction-Reaktion zu liefern.

Aber selbst Oversampling ist nicht zu vergleichen mit der Genauigkeit einer gut entworfenen analogen Schaltung. Dies ist insbesondere bei allen zeitabhängigen Verarbeitungen von Bedeutung. Der Unterschied ist daher bei Dynamikprozessoren (wie Kompressoren, Limiter, Gate, etc.) viel deutlicher, wo die Genauigkeit der Attack- und Release-Timing-Kurven den klanglichen Charakter der Kompression, Begrenzung, Expansion oder des Gatings entscheidend beeinflusst. Plugins müssen sowohl Audio- als auch Timing-Schaltungen zumindest überabtasten, um halbwegs eine Chance im Vergleich zu haben.

BANDBREITE VON ANALOGEN GERÄTEN UND PLUGINS

Weiter oben im Text wurde das Thema Bandbreite von analogen Geräten und Plugins schonmal angeschnitten, wir wollen aber hier nochmal in die Tiefe gehen.

Immer wenn das Audio Signal nichtlinear läuft, erzeugt das einen zusätzlichen Frequenzinhalt. Wenn also ein Peak abgeschnitten wird muss alles oberhalb des Schnitts ja irgendwohin, es ist nämlich sehr unwahrscheinlich dass das in der Luft verpufft…

Bei analogen Geräten verschwinden diese höheren Frequenzen entweder im Schaltkreis oder sie gelangen bis in den A/D-Wandler und verpuffen dort.

Mit Audio Plugins kann es kompliziert werden. Um dem Sampling-Theorem treu zu bleiben, muss ein digitaler Algorithmus diese Energieumverteilung mit einem viel begrenzteren Satz verfügbarer Frequenzen bewältigen.

Welche Auswirkungen auf das Audiosignal hat das?

Um also angenehme 2. und 3. harmonische Obertöne in Eurem Song zu hören, wenn eine Sättigung bei einer 14-kHz-Komponente eines „S“-Klangs, bei einer Abtastrate von 48 kHz auftritt, muss man hier zu drastischeren Maßnahmen greifen. 28-kHz- und 42-kHz-Frequenzen „existieren“ in 48-kHz-Abtastraten einfach nicht, da sie aufgrund der Funktionsweise der Physik die Nyquist-Frequenzgrenze überschreiten.

Wenn Du nicht aufpasst, dann erscheinen diese höheren Harmonien fälschlicherweise bei 20 kHz und 6 kHz. Wenn das auftritt ist da total schlecht, dieses Phänomen nennt man Aliasing. Hier hört man bei der Verarbeitung eine seltsam metallische oder plastische Qualität. Eine gute Lösung für dieses Pluginpronblem zu finden ist nicht immer einfach und erfordert immer Kompromisse beim Filterdesign und der CPU-Auslastung.

ANALOGE MODELLIERUNG BEI PLUGINS

Du möchtest eine originalgetreue analoge Nachbildung machen? Dann schnall Dich an, denn das wird nicht einfach.

Wir versuchen mal Licht in den Techniksumpf zu bringen und einen grundlegenden Überblick ohne Fachchinesisch zu geben.

Das Modellieren einer analogen Schaltung bedeutet, dass wir herausfinden müssen, wie sich die Schaltungen in Bezug auf die unterschiedlichen Eingangssignalpegel und Frequenzinhalte verhalten, damit wir wissen, was am anderen Ende für eine beliebige Eingabe herauskommt. Es reicht nicht, die Emulation mit einem Testsignal auszuprobieren und das dann für alle Sounds genau gleich zu machen. Man muss es mit unterschiedlichen Sounds machbar machen und es wird zu einem Balanceakt beim Codieren von Plugins.

Um es sorgfältig und richtig zu machen, müssen wir die elektrischen Komponenten dieser Schaltung kennen (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Röhren, Induktoren usw.) und je genauer das Modell sein soll, desto besser müssen wir diese Elemente beschreiben. Sicher, ein Widerstand ist nur ein Draht, der es nicht mag, wenn viele Elektronen darüber geschoben werden, aber macht er das für alle Arten von Audiosignalen gleichermaßen? Was ist, wenn diese Widerstand in der Nähe eines sperrigen Induktors oder einer überhitzten Röhre vorkommt?

Jedes Mal, wenn wir für jedes Element eine bessere, vollständigere Beschreibung erstellen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, wird das Hochrechnen innerhalb der VST oder AU Plugins komplizierter. Es kann so komplex werden, dass es entweder nahezu unmöglich ist zu navigieren oder zu schwer in Echtzeit zu berechnen ist.

Man muss wohl nicht explizit erwähnen, dass es viel mehr Entwicklungszeit und somit Geld braucht, um diese Hochrechnung richtig gut funktionieren zu lassen. Deshalb haben viele Plugins eine vereinfachte Version. Und obwohl es in Echtzeit funktioniert muss man sagen, dass auch wenn man darauf mit Abstand blickt, es nur dem ähnelt was eine echte Schaltung kann, denn es fehlt an den wesentlichen Details.

Irgendetwas fehlt in den Audio Algorithmen und das hört man auch. Wenn für Dich bei Deinen Tracks halbe Sachen akzeptabel sind, dann ist alles cool, aber ich gehe mal davon aus das der Großteil von Euch mehr braucht.

MEHR TIEFE IN DER AUDIOBEARBEITUNG

Analoges Hardware Equipment für Recording, Mixing und Mastering

Werfen wir einen Blick aufdie Sidechain-Schaltungen dynamischer Prozessoren wie Audio Kompressoren oder Limiting-Plugins. Sie verwenden Dioden (neben vielen anderen Elementen), um die Steuerspannung aus einem Audiosignal zu erzeugen. Eine Diode ist ein „Einwegventil“ für elektrischen Strom und jedes Mal, wenn dieses Ventil öffnet oder schließt, tut es das sehr schnell und erzeugt folglich ein kurzes hochfrequentes Rauschen, ähnlich einem „Klick“, das ein fehlendes oder schlechtes Sample in der digitalen Aufnahme von Audio produziert. Das ist kein Problem für eine analoge Schaltung mit einer natürlich begrenzten Bandbreite, die dieses Rauschen einfach herausfiltert, aber in digitalen Plugins muss man bei solchen Sachen gut hinschaun, sonst hat man damit mehr Arbeit als wert ist.

Und dann ist da noch die Nichtlinearität in jeder dritten Komponente und zwar unterschiedlich für jeden einzelnen Transistor, jede Röhre, jeden Transformator und viele andere Elemente.

Fazit:  Analoge Geräte scheren sich nicht um mathematische Gleichungen, sie machen einfach ihr Ding und zwar mit sanften Übergängen, komplexen Kurven oder seltsamen Cut-Offs, und das ohne Latenz. Einfach unschlagbar.

Nichtlinearitäten in der digitalen Verarbeitung werden normalerweise mit mehr oder weniger komplexen Polynom-Transferfunktionen durchgeführt – Kurven, die Ihnen sagen, welchen Pegel ein Ausgangssample für ein bestimmtes Eingangssample haben sollte. Manchmal müssen verschiedene zusammengefügt werden, um für unterschiedliche Pegel oder unterschiedliche Polaritäten unterschiedliche Sättigungen zu erzielen, wenn es sich um eine asymmetrische Sättigung handelt. Diese Gleichungen und ihre Kurven sind normalerweise Annäherungen an das, was ein einzelner Transistor, eine Röhre, ein Transformator oder ein ganzer elektrischer Schaltkreis tun könnte, aber es sind eben nur Annäherungen.

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KOMPLEXITÄT VON ANALOGER AUDIO HARDWARE

Je genauer diese Annäherungen sein sollen, desto länger und größer sind die Gleichungen, was komplexere Mathematik, längere Rechenzeiten und eine höhere Fehlerquote bedeutet. In den meisten Fällen ist es also ein Kompromiss zwischen Genauigkeit, CPU-Auslastung und geistiger Gesundheit des DSP-Ingenieurs um ein gutes audio Plugin zu entwickeln.. Das sind die fehlenden „letzten paar Prozent“.

Gehen wir also tiefer rein. Lass uns ein echtes, elektrisches Modell der Schaltung bauen, die wir für den warmen Klang und ihre Tiefe lieben.

Keine Angst, Du musst jetzt nicht drei Semester Elektrotechnik studiert haben um mitzukommen und Du musst auch nicht alles verstehen. Es soll nur die Komplexität echter analoger Modellierung bei Plugins veranschaulichen, damit Du die gut klingenden Plugins noch mehr schätzen und eine Vorstellung davon bekommen kannst, warum es da immer noch so viele Schwächen gibt.

Wir beginnen mit den Kirchhoffschen Gleichungen, die zur Berechnung der Ströme und Spannungen in elektrischen Schaltkreisen verwendet werden, und machen uns an die Arbeit! Nachdem wir tagelang Simulationen ausgeführt und 20 cm lange Gleichungen über mehrere Seiten Papier durchexerziert haben, erhalten wir endlich eine Übertragungsfunktion. 7. Ordnung (weil eine ziemlich kleine Audioschaltung leicht 7 Kondensatoren haben kann). Geschafft?!

Leider geht es so schnell auch wieder nicht. Jeder Kondensator ist auch ein winziger Induktor und hat einen gewissen Leckstrom (Parallelwiderstand) und einen gewissen Serienwiderstand (ESR). Das verdoppelt praktisch die Anzahl der reaktiven Teile in der Schaltung und verdoppelt die Ordnung der Übertragungsfunktion.

Ups, ich hatte wohl vergessen zu erwähnen, dass verschiedene Operationsverstärker unterschiedliche Anstiegsgeschwindigkeiten haben, die sich in einem pegelabhängigen High-Cut-Verhalten niederschlagen. Du hast aber keine Operationsverstärker, nur Transistoren oder Röhren? Parasitäre Kapazitäten, nichtlineare Übertragungsfunktionen, Ableitwiderstände zwischen N- und P-Schicht, …. Die Mathematik scheint mit jedem richtigen Modell, das Du integrieren möchtest, zu explodieren. Dabei hast Du Dich doch so bemüht, was ist passiert?

 

Induktionsspulen

Ja kann es denn sein, dass ich in diesem schönen Neve 33609 einen Eingangs-, Zwischenstufen- und Ausgangstransformator gesehen habe? Ooooh, einer hat sogar eine Tertiärwicklung – na klasse!

Jetzt bloß nicht aufgeben!

Bevor Du auch nur daran denkst, nur das Übertragungsverhältnis und etwas Sättigung anzuwenden … gibt es auch eine parasitäre Kapazität zwischen den Wicklungen, die mit der Induktivität der Wicklung, dem Serienwiderstand jeder Wicklung und wahrscheinlich etwas weniger als zehn anderen elektrischen eine Resonanzschleife bildet parasitäre Sidekick-Störungen, die Sie berücksichtigen müssen, wenn Sie sich auf den Weg machen, ein perfektes Transformatormodell zu erstellen.

Die Sättigungs- und Hystereseeigenschaften des Kerns hängen von seiner Legierung, dem Produktionsprozess, der Form, dem Konstruktionsprozess und möglichen physikalischen Mängeln ab, wie z. B. einem unbeabsichtigten Luftspalt in einem Kern, der nicht perfekt zusammengefügt ist.

Einige Transformatoren und Induktoren fangen sogar an, physikalisch Geräusche zu erzeugen, weil die Magnetkräfte sie so weit bewegen, dass Du sie hören kannst. Das ist ein weiterer nichtlinearer Energieverlust, den Du für eine perfekte Vorlage berücksichtigen musst. Im übrigen bezieht sich der oben genannte Text auf Induktoren, die in vielen Vintage-EQ-Designs verwendet werden (z. B. Pultec EQP-1A), in gewissem Maße für Magnetbänder und in vielerlei Hinsicht für Tonköpfe.

DAS NÜCHTERNE FAZIT

Wie wäre es nun, nachdem alle oben genannten Punkte von allen Seiten beleuchtet hat, mit der richtigen Modellierung einer diskreten, transformatorsymmetrischen Vintage-Bandmaschine der Klasse A?

Höre ich da jetzt etwa von Dir, lieber würde ich mich ins eigene Bein schießen?

Tja – wahrscheinlich ist das die einzig richtige Antwort.

Und ich sag Dir auch warum…

Wie Du siehst, haben digitale Audio-Tools die meisten Probleme, wenn es darum geht den Sound gerade nicht perfekt klingen zu lassen. Denn wie es der Zufall will, lieben wir diese Imperfektion irgendwie, weil wir es so empfinden, dass sie die Aufnahmen voller, glatter, wohlklingender klingen lassen –  und damit natürlich subjektiv in vielerlei Hinsicht besser.

Wir haben diesen Sound verinnerlicht in Leib und Seele, den spezifischen Klangeindruck der analogen Geräte, die bei unseren Lieblingssongs verwendet werden. Das liegt daran, dass wir die Songs lieben und die Sounds, die die Ingenieure und Produzenten ausgewählt haben, sie sind Teil einer kombinierten Ästhetik geworden. Wenn Du einen Track erstellst,  sind diese Sounds die Referenz, die Du erreichen und übertreffen willst.

Mit diesem Wissen ist es kein Zufall, dass viele Audioingenieure, die Hybrid-Setups verwenden, zu einem Workflow übergegangen sind, der in etwa so lautet wie „digital für Chirurgie und Korrektur, analog für Farbe“. Es nimmt das Beste aus beiden Welten und verwendet verschiedene Technologien für Aufgaben, die sie am besten ausführen.