Beim ersten ernsthaften Einsatz des RME Fireface UCX II als Messinterface hatte ich im Grunde genau das erreicht, was ich mir erhofft hatte: Die Hardwaregrenze meines bisherigen Audio-Messplatzes war ein gutes Stück nach hinten gerückt. Das Fireface bietet genügend Eingangsreserve, einen sauberen analogen Pfad, flexible Pegelbereiche und eine ASIO-Anbindung, mit der sich auch anspruchsvollere Messaufgaben sinnvoll abbilden lassen. Gleichzeitig zeigte der erste Test schonungslos, dass bessere Hardware allein noch keine bessere Messung ergibt. Denn irgendwann misst man nicht mehr nur den Prüfling, sondern auch den Generator, den Analyzer, ihre unterschiedlichen Takte, die gewählte Host-API, den aktuellen Pegelbereich, die Last, die Laufzeit des Signalwegs und nicht zuletzt die Grenzen der eigenen Auswertung. Genau an diesem Punkt wurden meine bisher getrennt existierenden Skripte und kleinen Analyseprogramme zunehmend lästig. Sie funktionierten, bildeten aber noch kein geschlossenes Messsystem.

Also war es an der Zeit, die Fragmente zu sortieren. Aus Frequenzgang-Skripten, FFT-Auswertungen, THD-Experimenten, Pegelroutinen, Kalibrierungshelfern und diversen Sonderlösungen ist nach und nach Audio Analyzer Next entstanden. Nicht als Ersatz für ein Audio Precision und auch nicht als bunt aufgehübschte RMAA-Kopie, sondern als Werkzeug für meinen Messalltag: Soundkarten, Mainboard-Audio, DACs, Kopfhörerverstärker und externe Interfaces mit nachvollziehbarer Kalibrierung, reproduzierbaren Messbedingungen und möglichst wenig methodischem Selbstbetrug. Damit sind wir beim wichtigsten Punkt dieses Artikels: Ich möchte nicht nur zeigen, welche Knöpfe das Programm besitzt, sondern erklären, was hinter den Messungen steckt, warum bestimmte Verfahren gewählt wurden und wann eine scheinbar tolle Zahl in Wirklichkeit überhaupt nichts wert ist. Und keine Angst, etwas Theorie muss sein, aber heute gibt es sie als Sendung mit der Maus.

Das Setup-Fenster ist deshalb bewusst kein dekorativer Startbildschirm, sondern die eigentliche Schaltzentrale. Ganz oben sieht man Projektname und Messmodus, darunter werden Generator und Analyzer getrennt festgelegt. Im gezeigten Aufbau ist der Realtek-USB-Audio-Ausgang des MSI MEG Z890 ACE der Prüfling beziehungsweise Signalgenerator, während das RME Fireface USB über Native ASIO ausschließlich als Analyzer arbeitet. Das ist ein fundamentaler Unterschied zu einem einfachen Soundkarten-Loopback. Beim klassischen Loopback erzeugt dieselbe Hardware das Signal und nimmt es anschließend wieder auf. Das ist bequem und hat einen großen Vorteil: Beide Richtungen verwenden normalerweise denselben Takt. Man erkauft sich diese Bequemlichkeit jedoch damit, dass Generator- und Analyzerfehler in einer gemeinsamen Messkette stecken. Mit einem getrennten Messinterface lässt sich das sauberer aufteilen. Der Prüfling erzeugt das Signal, während das Fireface ausschließlich beobachtet, was am analogen Ausgang tatsächlich herauskommt.

Im gezeigten Setup läuft die Ausgabe über Windows WASAPI, die Aufnahme dagegen über Native ASIO. Gemessen wird mit 96 kHz, float32 , zwei Eingangskanälen und zwei Ausgangskanälen. Die ASIO-Aufnahme beginnt beim Fireface ab Kanal 5, womit physisch die Kanäle 5 und 6 verwendet werden. Das ist keine nebensächliche Verwaltungsinformation. Wenn ich denselben Prüfling drei Monate später erneut teste, muss ich wissen, ob wirklich dieselben analogen Eingänge, dieselbe Eingangsempfindlichkeit und derselbe Signalweg verwendet wurden.

Die Samplerate gibt an, wie oft das analoge Signal pro Sekunde digital abgetastet wird. Bei 96 kHz sind das 96.000 Samples pro Sekunde und Kanal. Nach dem Nyquist-Shannon-Theorem können Frequenzen bis knapp unter der halben Samplerate dargestellt werden. Theoretisch wären das bei 96 kHz also Frequenzen bis knapp unter 48 kHz. Das bedeutet aber nicht, dass ich plötzlich einen Audio-Frequenzgang bis 48 kHz bewerten müsste. Für klassische Audiometriken bleibt ein definiertes Nutzband bis 20 kHz sinnvoll. Die zusätzliche Bandbreite schafft vielmehr Abstand zur Nyquist-Grenze, vereinfacht die Filterung und erlaubt beispielsweise die Untersuchung höherer Harmonischer, solange diese noch im digital erfassten Bereich liegen. Genau deshalb muss man zwischen Aufnahmebandbreite und Auswertebandbreite unterscheiden.

Das float32 beschreibt hier das interne Sampleformat. Es bedeutet nicht, dass der angeschlossene DAC plötzlich eine effektive Auflösung von 32 Bit besitzt. 32-Bit-Floating-Point ist vor allem für die interne Signalverarbeitung praktisch, weil sehr große Dynamikbereiche verarbeitet werden können, ohne dass es sofort zu Integer-Clipping kommt. Der tatsächliche analoge Signal-Rausch-Abstand eines ADC oder DAC wird dadurch natürlich nicht besser. Ein 32-Bit-Float-Sample kann eine schlechte analoge Aufnahme genauso präzise speichern wie eine gute. Mehr Containerpräzision ersetzt keine bessere Hardware.

Im unteren Bereich der Setup-Ansicht sieht man die Pegelanzeige für links und rechts. Dort werden RMS und Peak getrennt dargestellt. Das ist wichtig, denn beide Werte beschreiben etwas anderes. Peak zeigt die höchste momentane Aussteuerung und ist entscheidend, wenn ich wissen möchte, ob ein Signal digital oder analog in Richtung Clipping läuft. RMS, also Root Mean Square, beschreibt dagegen den Effektivwert. Vereinfacht gesprochen ist das diejenige Gleichgröße, die an einem ohmschen Widerstand dieselbe Leistung erzeugen würde wie das betrachtete Wechselspannungssignal. Bei einem idealen Sinus gilt:

VRMS=VPeak2V_{RMS}=\frac{V_{Peak}}{\sqrt{2}}

Für Pegelmessungen ist RMS deshalb wesentlich aussagekräftiger als ein reiner Spitzenwert. Die digitale Pegelskala arbeitet wiederum in dBFS, also Dezibel relativ zu Digital Full Scale. 0 dBFS ist die maximal darstellbare digitale Vollaussteuerung, alle normalen Signalpegel liegen darunter. Minus 6 dBFS bedeutet deshalb weder minus 6 Volt noch automatisch die halbe analoge Spannung eines bestimmten Geräts. Es beschreibt lediglich ein digitales Verhältnis. Genau daraus entsteht gleich das nächste Problem.

Die absolute Spannungskalibrierung verbindet den digitalen Generatorpegel mit der tatsächlich gemessenen analogen Ausgangsspannung. Im Kalibrierfenster sieht man sehr schön, warum ein Audio-Benchmark mit ausschließlich dBFS-Werten nur einen Teil der Wahrheit liefert. Im Screenshot beträgt der Generatorpegel minus 2,0 dBFS. Am realen Ausgang werden dabei 0,408320 Vrms gemessen. Aus dieser Kombination kann das Programm berechnen, welche Spannung einem theoretischen 0-dBFS-Sinus entspricht.

Die Umrechnung erfolgt über

VFS=Vmess10LdBFS/20V_{FS}=\frac{V_{mess}}{10^{L_{dBFS}/20}}

Mit minus 2 dBFS ergibt sich:

10−2/20≈0,794310^{-2/20}\approx0{,}7943

und damit

0,408320,7943≈0,514  VRMS\frac{0{,}40832}{0{,}7943}\approx0{,}514\;V_{RMS}

Genau diesen Wert zeigt das Ausgangsprofil anschließend an: 0,5140 Vrms bei 0 dBFS. Damit besitzt die Software eine Brücke zwischen digitaler und analoger Welt. Das ist besonders wichtig für Kopfhörerverstärker. Bei einem Frequenzgang kann es mir relativ egal sein, ob minus 2 dBFS gerade 400 mV oder 4 V entsprechen. Wenn ich Leistung an 32 Ohm berechnen möchte, ist dieser Unterschied dagegen gewaltig.

Im Kalibrierfenster findet sich daneben auch ein dBV-Wert. dBV verwendet 1 Vrms als Referenz:

dBV=20log⁡10(V1 V)dBV=20\log_{10}\left(\frac{V}{1\,V}\right)

0,514 Vrms entsprechen beispielsweise etwa minus 5,78 dBV.

Im professionellen Audiobereich begegnet einem außerdem häufig dBu. Dort liegt die Referenz bei 0,775 Vrms:

dBu=20log⁡10(V0,775 V)dBu=20\log_{10}\left(\frac{V}{0{,}775\,V}\right)

Diese beiden Größen darf man nicht mit dBFS verwechseln. dBV und dBu beschreiben analoge Spannungen, dBFS dagegen einen digitalen Pegel relativ zur maximalen digitalen Aussteuerung.

Das Fireface selbst benötigt ebenfalls einen Spannungsbezug. Im Screenshot steht für den Analyzer 1,7325 Vrms bei 0 dBFS, ermittelt per Cross-Kalibrierung. Damit weiß Audio Analyzer Next anschließend nicht nur, dass ein aufgenommenes Signal beispielsweise minus 20 dBFS besitzt, sondern kann daraus auch die reale Eingangsspannung rekonstruieren. Die Herkunft dieser Skalierung wird bewusst gespeichert. Im Screenshot steht beim Ausgang externally calibrated, DMM/oscilloscope, beim Eingang dagegen cross calibration. Das halte ich für wesentlich. Eine nominale Herstellerangabe, eine Geräteprofil-Schätzung und eine mit dem Multimeter verifizierte Spannung sind drei unterschiedliche Evidenzklassen und sollten nicht so behandelt werden, als wären sie dasselbe.

Im gezeigten Beispiel steht während der Spannungskalibrierung eine Last von 32 Ohm am Ausgang. Damit gilt die ermittelte Ausgangsspannung für genau diese Lastsituation. Ein idealer Spannungsquellenausgang würde unabhängig von der angeschlossenen Last immer dieselbe Spannung liefern. Reale Kopfhörerverstärker besitzen jedoch einen endlichen Ausgangswiderstand und eine begrenzte Stromfähigkeit. Deshalb kann ein Ausgang bei offenem Anschluss beispielsweise 1 V liefern und unter 32 Ohm nur noch 0,8 V. Würde man die Leerlaufspannung einfach als Belastungsspannung interpretieren, erhielte man eine zu hohe Leistung. Audio Analyzer Next speichert die Kalibrierungslast deshalb zusammen mit dem Profil.

Okay, das reicht jetzt aber auch, und wir wollen endlich einmal etwas messen.