Anti Aliasing

Die Wahrscheinlichkeit in einem analogen Audiosignal auf unerwünschte, zunächst nicht hörbare Überlagerungen zu treffen ist äußerst hoch. Ob zufällig aufgenommener Ultraschall von Fledermäusen, Einstreuungen durch UKW Radio, Mobiltelefone und WiFi oder natürlich durch die Elektronik der verwendete Audiogeräte selbst – all dies kann bei der Wandlung zu Aliasing führen.

Digitalwandlung Aliasing Auswirkungen
Digitalwandlung Aliasing Auswirkungen

Um diese Problematik in der Praxis in den Griff zu bekommen, wird auf eine Kombination von Oversampling und Low Pass Filter zurück gegriffen. Die Überabtastung mit dem vielfachen der eigentlich benötigten Samplingrate sorgt für eine hohe Nyquist-Frequenz, so dass der Filter alle Störanteile entfernt, ohne dabei auch das eigentliche Nutzsignal mit zu beeinflussen.

Digitalwandlung Anti Aliasing Filter Oversampling
Dank Oversampling verschiebt sich die Nyquistfrequenz weiter nach oben. Ein Filter dämpft alle Aliasing-Frequenzen ohne in das Nutzsignal einzugreifen.

Anti Aliasing Filter

Der bei der AD-Wandlung verwendete Low Pass wird auch als „Anti Aliasing Filter“ bezeichnet und befindet sich direkt am Anfang der Signalkette. Um seine Aufgabe zu erfüllen, muss er alle Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz soweit im Pegel abschwächen, dass diese nicht mehr oder nur mit einer irrelevanten Amplitude erfasst werden.

Bei einer tatsächlichen Samplingrate von 44.100 kHz, ist ein solcher Filter jedoch nicht mit bekannter Hardware umsetzbar. Einen gewünschten Nutzbereich von 20.000 Hz vorausgesetzt, bleiben dem Filter 2.050 Hz (=1/10 Oktave) um die notwendige Dämpfung über Nyquist zu erlangen. Dies entspräche einem unrealistischen Filter 130ter Ordnung.

Digitalwandlung Anti Aliasing Filter Unmöglich 441khz
Ohne Oversampling ist eine AD-Wandlung mit 44.100 Hz nicht möglich.

Oversampling

Glücklicherweise lässt sich diesem Dilemma mit der Samplingfrequenz entgegen steuern. Je höher diese ausfällt, desto weiter ist die Nyquist-Frequenz vom Nutzsignal entfernt und der Filter kann entsprechend flacher abfallen.

Digitalwandlung Anti Aliasing Filter Erste Ordnung

Moderne Delta-Sigma-Wandler tasten das Signal zu diesem Zweck per Oversampling mit dem Vielfachen der eigentlich benötigten Samplingfrequenz ab. Bei einer Grundfrequenz von 44.1 kHz entspricht doppeltes Oversampling 88.2 kHz. Für den optimalen Filter, einen Filter 1. Ordnung, kommen intern gar bis zu 512 faches Oversampling zum Einsatz. Dies entspricht etwa 22 Megahertz.