Die 4 häufigsten Irrtümer bei FFT-Spektrum-, Rausch- und Klirrfaktormessungen
Ein Spektrumanalysator zeigt Kurven, die auf den ersten Blick eindeutig wirken. In der Laborpraxis sehen wir jedoch immer wieder vier klassische Fehlinterpretationen: Der optische FFT-Rauschboden wird mit dem Signal-Rausch-Abstand (SNR) verwechselt, das Rechenrauschen einer 32-Bit-FFT wird dem Messobjekt angelastet, Fenster-Leckeffekte verfälschen Sinuspegel um 3,5 dB und Verstärkerrauschen wird durch eine A-Bewertung um 10 dB geschönt.
Warum eine Rauschlinie bei -150 dB im Spektrum in Wahrheit -120 dB SNR bedeutet
Viele Anwender blicken auf ein hochauflösendes FFT-Spektrum, sehen den Rauschboden (Noise Floor) bei -90 dB oder -150 dB liegen und tragen diesen Wert als Signal-Rausch-Abstand (SNR) ins Prüfprotokoll ein. Das ist physikalisch falsch: Ein FFT-Spektrum zeigt keine Gesamtenergie, sondern eine Spektraldichte (Energie pro Frequenzlinie).
Verdoppeln Sie die FFT-Blocklänge N (z. B. von 4.096 auf 16.384 Punkte), verteilt sich dieselbe Rauschenergie auf viermal so viele Frequenzlinien – die sichtbare Rauschlinie im Diagramm sinkt um exakt 6 dB, obwohl sich am Eingangssignal nichts geändert hat! Um den wahren RMS-Rauschpegel zu erhalten, muss die Spektraldichte über alle N/2 Frequenzlinien integriert werden. Bei 4.096 Punkten (2.048 Linien) beträgt dieser FFT-Prozessgewinn 10 · log10(2048) = 33,1 dB. Eine optische Rauschlinie bei -156 dB ergibt integriert exakt -122,9 dB RMS-Rauschen.
Interaktiver Simulator: Optischer FFT-Rauschboden vs. wahrer RMS-Rauschpegel
Warum eine 32-Bit-Fließkomma-FFT ab 8.192 Punkten selbst rauscht
Auf den ersten Blick scheint eine 32-Bit-Fließkommazahl (IEEE 754 Single Precision) mit über 200 dB Zahlenbereich für jedes 16-Bit- oder 24-Bit-Audiosignal auszureichen. Doch eine 32-Bit-Float-Zahl besteht nur aus 24 Bit Mantisse und 8 Bit Exponent. Bei einer FFT mit 4.096 oder 8.192 Punkten durchläuft jeder Abtastwert 12 bzw. 13 sequenzielle Additionsstufen.
In jeder Stufe summieren sich winzige Rundungsfehler der 24-Bit-Mantisse. Unser Messvergleich im Handbuch (Kap. 22.4) an einer idealen digitalen 16-Bit-Sinusdatei beweist den Effekt: Bei 1.024 Punkten erreichen sowohl die 32-Bit- als auch die 64-Bit-FFT die theoretischen 96 dB THD+N. Erhöht man die Auflösung auf 8.192 Punkte, fällt die 32-Bit-FFT durch ihr eigenes Rechenrauschen auf 90 dB THD+N zurück (-6 dB Verlust!), während unsere 64-Bit-Double-Precision-FFT (#3005) mit 144 dB tieferem Eigenrauschen exakt bei 97 dB bleibt.
| Mess-Konfiguration (1 kHz Ideal-Sinus) | Standard 32-Bit Float FFT | WinAudioMLS 64-Bit FFT (#3005) |
|---|---|---|
| 16-Bit Signal · 1.024 Punkte FFT (10 Stufen) | 96,0 dB THD+N (OK) | 96,0 dB THD+N (OK) |
| 16-Bit Signal · 8.192 Punkte FFT (13 Stufen) | 90,0 dB THD+N (6 dB Fehler durch FFT-Rauschen!) | 97,0 dB THD+N (Exakt) |
| 24-Bit Signal · 4.096 Punkte (0,0005 % THD / 120 dB SNR) | Harmonische k3 im Rechenrauschen verdeckt | 120,0 dB SNR & 0,0005 % THD klar aufgelöst |
3,5 dB Pegelfehler zwischen den FFT-Stützstellen – und wie Peak-Interpolation auf < 0,01 dB korrigiert
Eine diskrete Fourier-Transformation berechnet Pegel nur an festen Frequenzstützstellen (f = n · F_s / N). Bei 44.100 Hz und 1.024 Punkten liegt beispielsweise bei 1.378,125 Hz eine exakte Stützstelle, bei 1.000,0 Hz jedoch nicht. Stimmt man einen Sinus von 100 Hz bis 1.000 Hz durch, schwankt die angezeigte Spitzenamplitude bei einfachen FFT-Analysatoren periodisch um bis zu 3,5 dB (Rechteckfenster) bzw. 1,0 dB (Blackman-Fenster).
WinAudioMLS löst dieses Problem auf zwei Wegen: Erstens über das Flat-Top-Fenster für schnelle Gleitsinus-Messungen, und zweitens über unsere mathematische Peak-Interpolation, die den Fenstereffekt aus den Nachbarlinien herausrechnet. Der Restfehler sinkt dadurch beim Blackman-Fenster von 1,0 dB auf unter ±0,01 dB (und beim Rechteckfenster von 3,5 dB auf < 0,1 dB).
Warum dB(A) bei weißem Rauschen 10 dB weniger anzeigt als die gehörrichtige ITU-R 468 Kurve
Die A-Bewertungskurve dB(A) stammt aus der Fletcher-Munson-Kurve für reine Einzel-Sinustöne bei 40 Phon. Für breitbandiges statistisches Rauschen (Verstärkerrauschen, Mikrofon-Eigenrauschen, Bandrauschen) stimmt die A-Kurve jedoch nicht mit dem menschlichen Hörempfinden überein. Das Ohr ist im Bereich um 5 bis 6,3 kHz für Rauschen extrem empfindlich.
Deshalb wurde im Rundfunk- und Studiobereich die CCIR / ITU-R 468 Bewertungskurve eingeführt: Sie ist bei 1 kHz auf 0 dB normiert, hebt den Bereich um 6,3 kHz um +12,2 dB an und dämpft hohe Frequenzen steil ab. Misst man dasselbe weiße Rauschen (20 Hz – 20 kHz) einmal mit dB(A) und einmal nach ITU-R 468, liegt der A-bewertete RMS-Wert um volle 10 dB niedriger! Genau deshalb wird in Prospekten gerne dB(A) angegeben. In WinAudioMLS schalten Sie direkt zwischen DIN A, DIN C, CCIR/ITU-R 468 und ITU-R ARM um.
Interaktiver Bewertungs-Vergleich: Unbewertet (Z) vs. DIN A vs. CCIR / ITU-R 468
Messsysteme für hochauflösende Spektral- und Rauschanalysen
Stellen Sie sich Ihre Messkette für Verzerrungs- und Rauschmessungen zusammen – von der 2-kanaligen WinAudioMLS PRO EX mit 192-kHz-ASIO-Erweiterung bis zu unserem 6,5-dB(A)-Mikrofonset von Microtech Gefell und der Eigenrauschen-Kalibrierung im Prüflabor:
PRO EX
Erweiterung auf Stereo, Klirrfaktor, Impedanz sowie Spektrogramm
LAB
Log-Sweep (chirp), 192kHz sample rate, incl. USB Dongle
Plug-in ASIO 192kHz 24bits
Mit diesem Modul können Sie die Dynamik moderner Audio-Schnittstellen vollständig ausnutzten. Unterstützt werden Abtastraten bis 192kHz sowie 24-Bit Dynamik. Die Ansteuerung erfolgt über ASIO
Microtech Gefell MTG MMS214 rauscharmes Mikrofon Set 6.5dB(A)
Spezialmikrofon geeignet für sehr rauscharme Messungen
MTG Microtech Gefell MV240 USB Mess-Mikrofon System 1/2"
Microtech Gefell USB Mess-Mikrofon System 1/2"
Mikrofon Kalibrierung Eigenrauschen
Messung des Eigenrauschens akustisch und elektrisch