True Peak nach dem Encoding: Wie stark AAC, MP3, Ogg Vorbis und Opus die Spitzen eines Masters anheben, gemessen

Ein Master, der mit −1 dBTP abgegeben wird, kommt bei den Hörerinnen und Hörern fast nie in dieser Form an. Streamingdienste spielen verlustbehaftet kodierte Fassungen ab, und beim Kodieren und Dekodieren verändert sich die Wellenform. Danach können die Spitzen über dem Wert des Masters liegen. Wie weit, hängt vom Codec und von der Bitrate ab, vor allem aber vom Master selbst.

Für diesen Artikel wurden zwei synthetische Mixe zu je vier Mastern verarbeitet und mit ffmpeg nach AAC, MP3, Ogg Vorbis und Opus kodiert, zusammen mit den Kontrollen 88 Kodierungen. Gemessen wurde der True Peak nach ITU-R BS.1770-5 vor und nach dem Kodieren. Das wichtigste Ergebnis: Stark begrenzte Master mit −9 LUFS und −1 dBTP verlieren meist bis zu einem Dezibel ihres Abstands, dynamischere Master mit −14 LUFS bleiben dagegen fast unverändert.

Was True Peak misst

Ein digitales Signal besteht aus Abtastwerten, das Signal nach dem Digital-Analog-Wandler aus einer durchgehenden Kurve. Zwischen zwei Abtastwerten kann diese Kurve höher liegen als beide Werte; solche Spitzen heißen Inter-Sample-Peaks. ITU-R BS.1770-5 schätzt den Höchstwert der Kurve, indem das Signal vierfach überabgetastet und gefiltert wird. Das Ergebnis heißt True Peak und wird in dBTP angegeben. Auch diese Messung liegt knapp unter dem wahren Wert: Laut EBU Tech 3343 kann ein vierfach überabtastender Messer bei 48 kHz um etwa 0,5 dB zu niedrig anzeigen, deshalb genügt dort 1 dB Abstand zu 0 dBFS.

Ein Limiter, der nur die Abtastwerte begrenzt, hält seine Grenze also nicht zwingend im True Peak ein. Der Unterschied zeigte sich schon beim Mastern: Um −9 LUFS mit höchstens −1 dBTP zu erreichen, musste die Grenze für die Abtastwerte bei −1,59 dBFS (Mix) und −2,22 dBFS (heller Mix) liegen.

Welche Codecs die Streamingdienste ausliefern

Die großen Dienste streamen ihre Standardqualität verlustbehaftet und bieten zusätzlich verlustfreie Stufen an:

So wurde gemessen

• Material: zwei synthetische Mixe von 32 Sekunden bei 120 BPM, in Python erzeugt. Der „Mix“ besteht aus Kick, Snare, Hi-Hats, Bass, Flächen und einem Lead, der „helle Mix“ hat lautere Hi-Hats und Lead sowie Flächen bis 12 kHz. Beide liefen durch einen Bus-Kompressor.
• Master: vier Fassungen je Mix mit dem Limiter alimiter von ffmpeg. A: −8 LUFS mit einer Grenze von 0 dBFS für die Abtastwerte. B: −9 LUFS mit höchstens −1 dBTP. C: −9 LUFS mit höchstens −2 dBTP. D: −14 LUFS mit höchstens −1 dBTP. Verstärkung und Grenze wurden nachgeregelt, bis Lautheit und True Peak stimmten.
• Kodierung: ffmpeg 7.1.5 mit den Encodern aac (128 und 256 kbit/s), libmp3lame (128 und 320 kbit/s), libvorbis (96, 160 und 320 kbit/s) und libopus (128 und 256 kbit/s). Dekodiert wurde in 32-Bit-Gleitkomma, damit Werte über 0 dBFS erhalten bleiben.
• Kontrollen: verlustfreies FLAC, das nichts verändern darf, und reines Resampling auf 48 kHz, weil Opus ausschließlich mit 48 kHz arbeitet.
• Messung: True Peak nach Anhang 2 von ITU-R BS.1770-5 mit dem 48-Tap-Filter bei vierfacher Überabtastung, Lautheit mit dem Filter ebur128 von ffmpeg.
• Gegenprobe: alle Dateien zusätzlich mit 16-facher Überabtastung durch den soxr-Resampler von ffmpeg.

Die Messung hat Grenzen. Die Dienste arbeiten mit eigenen Encodern und Einstellungen, Apple etwa mit einem eigenen AAC-Encoder. Das Material ist synthetisch, und je Variante gibt es nur ein Stück. Die Zahlen zeigen deshalb Größenordnungen und Zusammenhänge, aber keine Garantie für einen bestimmten Dienst.

Laute Master mit −1 dBTP verlieren meist bis zu einem Dezibel

Die Master B lagen vor dem Kodieren bei −1,02 dBTP (Mix) und −1,05 dBTP (heller Mix). Nach dem Kodieren sah es so aus:

Nur drei der 18 verlustbehafteten Kodierungen blieben beim Ausgangswert oder darunter: MP3 128 in beiden Mixen und Ogg Vorbis 320 im Mix. Abgesehen von einem Einzelereignis stieg der True Peak mit AAC 128 am stärksten, auf −0,21 und −0,07 dBTP. Ogg Vorbis 160 und Opus 128 hoben die Spitzen in beiden Mixen um 0,40 bis 0,74 dB an. Die Kontrolle mit reinem Resampling auf 48 kHz zeigte einen Anstieg um 0,18 und 0,29 dB, der sich in der Gegenprobe weiter unten als Messeffekt herausstellt.

Über 0 dBTP kam eine einzige Kodierung: AAC 256 hob im hellen Mix eine einzelne Stelle bei 30,5 Sekunden auf +1,37 dBTP. Die sekundenweise gemessenen Spitzen derselben Datei lagen im Median bei −1,33 dBTP. Ein solches Einzelereignis reicht für eine Übersteuerung im Player, stammt aber vom AAC-Encoder von ffmpeg und lässt sich nicht auf den Encoder von Apple übertragen.

MP3 mit 128 kbit/s senkte die Spitzen dagegen und kostete zugleich 0,4 bis 0,5 LU Lautheit; bei allen anderen Kodierungen änderte sich die Lautheit um höchstens 0,2 LU. Am abgeschnittenen Hochton allein liegt das nicht. Eine Spektralanalyse der dekodierten Dateien zeigt, dass MP3 128 und Ogg Vorbis 96 oberhalb von 17 kHz praktisch nichts mehr enthalten und AAC 128 oberhalb von 19 kHz, und gerade AAC 128 hob die Spitzen am stärksten an.

Dynamischere Master mit −14 LUFS bleiben fast unverändert

Die Master D mit −14 LUFS brauchten kaum Begrenzung. Vor dem Kodieren lagen sie bei −1,51 dBTP (Mix) und −1,05 dBTP (heller Mix). Im Mix senkten neun der elf Kodierungen den True Peak; der höchste Wert danach war −1,48 dBTP mit Ogg Vorbis 320. Im hellen Mix stiegen Opus 128 und MP3 320 am stärksten, um 0,21 und 0,19 dB auf −0,84 und −0,86 dBTP; alle anderen Kodierungen blieben bei −0,97 dBTP oder darunter.

Keine der 18 verlustbehafteten Kodierungen dieser beiden Master kam damit über −0,84 dBTP. Der Unterschied zu den Mastern B liegt in der Begrenzung: Ein Limiter, der viele Spitzen auf dieselbe Höhe drückt, erzeugt eine Wellenform, bei der jede Veränderung durch den Codec sofort über die Grenze hinausreicht.

Mit −2 dBTP bleibt auch ein lauter Master deutlich unter 0 dBTP

Der Master C des Mixes hatte −9 LUFS bei −2,05 dBTP. Nach dem Kodieren lag der höchste Wert bei −0,89 dBTP mit AAC 128, alle anderen Kodierungen blieben bei −1,57 dBTP oder darunter. Genau diesen Abstand empfiehlt Spotify für Master, die lauter als −14 LUFS sind. Beim hellen Mix ließ sich dieses Ziel mit dem verwendeten Limiter nicht erreichen: Selbst mit 40 dB Verstärkung blieb die Lautheit bei −9,2 LUFS, der Master ging deshalb nicht in die Auswertung ein.

Ein Master mit 0 dBFS Sample Peak liegt schon vorher über 0 dBTP

Die Master A waren auf −8 LUFS gebracht, mit einer Grenze von 0 dBFS für die Abtastwerte. Der True Peak dieser Master lag schon vor dem Kodieren bei +0,37 dBTP (Mix) und +1,03 dBTP (heller Mix). Nach dem Kodieren stieg er auf bis zu +2,29 dBTP (AAC 128, Mix) und +2,23 dBTP (AAC 256, heller Mix). In den dekodierten Dateien lagen je nach Codec zwischen 14 und 411 Abtastwerte über 0 dBFS, am meisten nach Opus 128 im hellen Mix.

In 32-Bit-Gleitkomma bleiben solche Werte erhalten. AES TD1008 weist aber darauf hin, dass Player mit Festkomma-Decodern intern übersteuern können und dass Betriebssysteme wie Windows solche Überschwinger mit eingebauten Limitern um bis zu 3 dB abregeln.

Gegenprobe: 16-fache Überabtastung zeigt bis zu 0,5 dB mehr

Die vierfache Überabtastung nach BS.1770 ist ein Kompromiss: Zwischen den berechneten Zwischenwerten kann die Kurve noch höher liegen. Deshalb wurden alle Dateien ein zweites Mal gemessen, mit 16-facher Überabtastung durch den soxr-Resampler von ffmpeg und dem Spitzenwert aus dem Filter astats.

Die Master mit −1 dBTP lagen in der feineren Messung also nur bei −0,80 und −0,54 dBTP. Das entspricht der Unterschätzung um etwa 0,5 dB, die EBU Tech 3343 für vierfach überabtastende Messer nennt. Im hellen Mix ging nach dem Kodieren neben AAC 256 auch Ogg Vorbis 160 über 0 dBTP, auf +0,21 dBTP. Der Anstieg durch reines Resampling verschwand dagegen: In der Gegenprobe blieben die Spitzen gleich, die vierfache Messung traf sie nach dem Umrechnen auf 48 kHz nur genauer. Beim Master D des Mixes zeigte die vierfache Messung sogar 0,15 dB mehr als die Gegenprobe.

Die Reihenfolge der Codecs blieb im Wesentlichen erhalten, die einzelnen Anstiege verschoben sich aber um bis zu ein halbes Dezibel. Für die Aussagen zu den Mastern D und C ändert die Gegenprobe wenig, für die Master B verschärft sie das Ergebnis.

Warum die Spitzen steigen

AES TD1008 nennt mehrere Ursachen. Ein Codec kann am Ausgang des Decoders höhere Spitzen liefern, als am Eingang des Encoders anlagen. Hohe Bitraten um 256 kbit/s kommen laut dem Dokument teils mit einer Limiter-Grenze von −0,5 dBTP aus, bei sinkender Bitrate wächst der Überschwinger aber meist, sodass die Grenze unter die empfohlenen −1,0 dBTP rücken muss.

Filter tragen ebenfalls bei, weil sie Energie aus dem Signal nehmen und nicht linearphasige Filter zusätzlich die Laufzeiten verschieben. Das Dokument rechnet ein Beispiel vor: Wird aus einer Rechteckwelle jeder Oberton herausgefiltert, bleibt die Grundwelle übrig, und deren Spitze liegt 2,1 dB über der des Rechtecks. Abtastratenwandler verändern die Abtastwerte ebenfalls. Entfernen sie beim Herunterrechnen Energie, entstehen Überschwinger, die sich laut dem Dokument zu denen des Codecs addieren können.

Die Messung stützt die Regel zur Bitrate nur teilweise. Opus 128 hob die Spitzen in beiden Mixen stärker an als Opus 256, AAC 128 im Mix stärker als AAC 256. Bei MP3 war es umgekehrt, und im hellen Mix lag Ogg Vorbis 160 höher als Ogg Vorbis 96. Den stärksten Einfluss hatte, wie dicht der Master begrenzt war.

Was Dienste und Normen empfehlen

• Spotify empfiehlt für Master −14 LUFS integriert und einen True Peak unter −1 dB. Für Master, die lauter als −14 LUFS sind, empfiehlt die Hilfeseite einen True Peak unter −2 dB, weil lautere Titel beim Kodieren anfälliger für zusätzliche Verzerrungen sind. Leise Master hebt Spotify nur so weit an, dass 1 dB Abstand für die verlustbehafteten Formate bleibt.
• AES TD1008 empfiehlt für alle Inhalte höchstens −1 dBTP am Eingang des Codecs verlustbehaftet kodierter Streams.
• EBU R 128 legt −1 dBTP für die Produktion fest und weist darauf hin, dass für Verteilsysteme mit Datenreduktion niedrigere Werte gelten können. EBU Tech 3343 nennt −2 dBTP für MPEG-1 Layer 2 und Dolby AC-3.
• Apple empfiehlt in Apple Digital Masters mindestens 1 dB Abstand und rät, mit dem Werkzeug afclip die kodierte Datei zu prüfen, weil Pegel ohne Übersteuerung im PCM-Master nach dem Kodieren trotzdem übersteuern können.

Einordnung

Für Master um −14 LUFS reicht −1 dBTP: In dieser Messung kam keine Kodierung über −0,84 dBTP, im Mix senkten neun von elf die Spitzen sogar. Für laute, stark begrenzte Master stützt die Messung die Empfehlung von Spotify. Mit −1 dBTP rückten fünf Kodierungen auf weniger als ein halbes Dezibel an 0 dBTP heran und eine ging darüber, in der Gegenprobe zwei. Mit −2 dBTP lag der höchste Wert bei −0,89 dBTP, in der Gegenprobe bei −0,77 dBTP. Weil ein Messer nach BS.1770 die Spitzen um bis zu ein halbes Dezibel unterschätzen kann, schafft −2 dBTP bei dicht begrenzten Mastern den Puffer, den −1 dBTP in dieser Messung nicht bot. Eine Grenze von 0 dBFS für die Abtastwerte ergibt dagegen keinen sicheren Master, weil der True Peak schon vor dem Kodieren über 0 dBTP liegt.

Ob ein bestimmter Master genug Abstand hat, zeigt am zuverlässigsten eine kodierte Probe, etwa eine mit ffmpeg erzeugte AAC- oder Opus-Datei. Das LUFS- und True-Peak-Messgerät liest solche Dateien über den Decoder des Browsers und misst ihren True Peak direkt, ohne dass die Datei das Gerät verlässt. Weil Spotify laute Master ohnehin leiser stellt, bringt zusätzliche Lautheit auf Kosten des Abstands dort keinen Vorteil.