Wie wird analoges Audio in digital umgewandelt?
Ton ist ein komplexes analoges Signal. Zur Analyse solcher Signale wird eine in der Elektronik weit verbreitete Technik verwendet. Mit der Fourier-Transformation wird ein komplexes Signal in eine harmonische Reihe umgewandelt, die aus Sinuskurven mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden besteht. Aber in der Praxis unterscheidet sich das Signal, mit dem wir es zu tun haben, natürlich stark von dem sinusförmigen.
Musiker nennen die erste Harmonische in diesem Spektrum den Grundton, und Harmonische mit höheren Frequenzen werden Harmonische genannt. Der Hauptton bestimmt die Tonhöhe und die Harmonischen geben ihm eine bestimmte Farbe, wodurch das Timbre einer Stimme oder eines Musikinstruments entsteht.
Zur Untersuchung der Spektren von Audiosignalen werden komplexe und teure Instrumente verwendet – Spektrumanalysatoren.
Mit Hilfe solcher Geräte kann festgestellt werden, dass einige Musikinstrumente wie eine Geige ein relativ einheitliches Spektrum und einige Windspektren mit ausgeprägten Maxima und Minima aufweisen, die als Formanten bezeichnet werden.
Es gibt keine Begriffe, die die Färbung des Timbres einer menschlichen Stimme oder von Musikinstrumenten direkt beschreiben. Daher müssen verschiedene Metaphern wie “tiefes Timbre”, “hartes Timbre”, “metallischer” Klang oder sogar “Transistor” verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der Tonaufzeichnung wurden viele Male digitale Informationsverarbeitungsverfahren versucht, aber die ersten ernsthaften Ergebnisse wurden in den frühen 1980er Jahren erzielt, was mit der raschen Entwicklung der Computer und dem Erfolg der Computer zusammenfiel Mikrominiaturisierung von Funkkomponenten. Der Einsatz digitaler Tonverarbeitungstechniken hat aufregende neue Möglichkeiten eröffnet.
Um Ton auf einem Computer zu verarbeiten, muss er zuerst in ein digitales, codiertes Format konvertiert werden. Ein analoges Signal wird von Geräten codiert, die als Analog-Digital-Wandler (ADCs) bezeichnet werden. Das Hauptverfahren zum Codieren eines analogen Signals ist die Pulscodemodulation, die aus drei Operationen besteht: Abtasten, Quantisieren und Codieren.
Wir werden jetzt nicht auf die Codierungstheorie eingehen, zumal sie ziemlich komplex ist und höhere mathematische Fähigkeiten erfordert. Für uns ist es wichtig zu verstehen, dass die Qualität des digitalisierten Klangs und die daraus resultierende Dateigröße von der Abtastrate und der Bittiefe abhängen.
Die Abtastrate ist die Frequenz, mit der die Eigenschaften eines Audiosignals gemessen werden. Aus Kotelnikovs Abtasttheorem folgt, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz des codierten Signals, um ein unverzerrtes digitales Signal zu erhalten. Daher muss beim Codieren eines Audiosignals die Abtastrate mindestens 40 kHz betragen. In digitalen Kommunikationssystemen beträgt die Abtastfrequenz 32 kHz, in Laser-CD-Playern und digitalen Consumer-Tonbandgeräten 44,1 kHz. Bei digitalen Studiogeräten ist die Abtastrate sogar noch höher: 48 kHz.
Die Bittiefe des aufgezeichneten Tons ist die Anzahl der Speicherbits, die zugewiesen sind, um jeden Wert der Amplitude des Tonsignals zum Zeitpunkt seiner Messung aufzuzeichnen. Moderne Soundkarten verwenden 8 oder 16 Bit Speicher pro Dimension, und 32-Bit-Karten höherer Qualität sind verfügbar. Je höher die Bittiefe ist, desto höher ist die Qualität des digitalisierten Klangs.
Wie bereits erwähnt, hängt die Größe einer Audiodatei von der Abtastrate und der Bittiefe des Sounds ab. Bei einer Abtastrate von 44 kHz und einer Klangtiefe von 16 Bit erfordert eine Minute Ton eine Dateigröße von 5,3 MB und bei einer Abtastrate von 11 kHz und 8 Bit 660 Kb.
Es ist klar, dass sich eine solche Verschwendung von Speicherplatz als inakzeptabel herausstellte und spezielle Algorithmen und Formate für die billigere Speicherung von Audiodateien erstellt wurden.
Beim Vergleich verschiedener Komprimierungsformate wird häufig der Parameter “Klangqualität bei einer bestimmten Bitrate” verwendet.
Die Bitrate ist ein Parameter, der angibt, wie viel Speicherplatz zum Speichern von 1 Sekunde Musik verwendet wird. Beispielsweise bedeutet eine Bitrate von 128 Kbit / s, dass ein dreiminütiger Song etwa 2,8 MB belegt.
Grundsätzlich verwenden alle Programme zum Codieren von Audio (auch als Encoder bezeichnet) Algorithmen zweier Arten: für verlustfreie Audiokomprimierung und für verlustbehaftete Komprimierung.
Verlustfreie Komprimierungsalgorithmen sind in der Tat bekannte Archivierer für PC-Benutzer, die speziell für die Arbeit mit einem Audiostream modifiziert wurden. Bei der spontanen Wiedergabe von Sound wird das Archiv aus dem Archiv dekomprimiert.
