Digital Audio – Qualitätsprobleme


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Digital Audio – Qualitätsprobleme

Digital Audio Quality

Vor relativ kurzer Zeit wurde das Konzept “Multimedia” in unseren Diskurs aufgenommen, und jetzt wird der Computer zunehmend als Unterhaltungszentrum verwendet. Jetzt ist der Computer gezwungen, den darin vorhandenen Ton in Form von Zahlen wiederzugeben.

Digital Audio Quality issues

So wie einige Klangkenner über die Vorteile von “Röhren” -Sound gegenüber “Transistor” -Sound streiten, gibt es eine endlose Debatte darüber, was besser ist: digitaler oder analoger Sound. Versuchen wir es herauszufinden.

Für unsere Ohren sind Geräusche Luftschwingungen mit einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz, und die Obergrenze hängt vom Alter ab: Bei Kindern sind es 22 bis 24 kHz, und im Alter nimmt die wahrgenommene Frequenz bis zu 8 ab -12 kHz.

Die Frequenzen der angegebenen Grenzen werden als Schwingungen wahrgenommen, höher, sie werden von einer Person nicht wahrgenommen.

Da jedoch nicht die gesamte Erkennungsbandbreite mit der gleichen Intensität verwendet wird, wird Sprache im Bereich von 500 bis 3500 Hz deutlich wahrgenommen. Für das Hören von Musik reicht dies jedoch nicht aus. Idealerweise sollte sich der wiedergegebene Ton nicht vom Schallfeld des Mikrofons unterscheiden. Das heißt, das Aufnahme- und Wiedergabegerät darf keine Verzerrungen innerhalb der Grenzen der menschlichen Wahrnehmung verursachen.

Der Ton, den wir vom Lautsprecher hören, wird während der Aufnahme elektromechanisch in ein elektrisches Signal umgewandelt. dann gibt es die Verstärkung und Verarbeitung des analogen elektrischen Signals; Analog-Digital-Wandlung; digitale Signalverarbeitung; Frequenzkorrektur; Aufnahmeverfahren.

Nachdem der digitalisierte Ton gespeichert und übertragen wurde. Während der Wiedergabe erfolgt zuerst die digitale Signalverarbeitung. folgt der Umstellung von digital auf analog; analoge Signalverarbeitung und -verstärkung; elektromechanische Umwandlung in Schallschwingungen.

Alle diese Verfahren führen zu eigenen Verzerrungen. Der Prozess der Aufnahme und Tonverarbeitung findet in der Regel auf Studiogeräten statt, die viel besser abschneiden als Heim-Audiogeräte. Obwohl es Verzerrungen gibt, sind sie daher erheblich geringer als die Verzerrungen, die von Heimgeräten in der Wiedergabephase verursacht werden. Bei der Amateur-Tonaufnahme treten Fehler in den Aufnahmestufen auf.

Die vom Studiomikrofon erzeugte elektromechanische Umwandlung erzeugt ein sehr schwaches Signal, das verstärkt werden muss.

Selbst unter den idealen Bedingungen eines professionellen Aufnahmestudios kann der Dynamikbereich der aufgenommenen Musik aufgrund von akustischem Rauschen enger sein als der von 16-Bit-Audio.

Bei der Aufnahme von mehreren Mikrofonen wird das Signal unbedingt verarbeitet: Kanallautstärkepegel werden ausgewählt, Rauschen wird gefiltert usw. Darüber hinaus wird der Dynamikbereich des Signals verringert, was zu einer signifikanten Zunahme des Rauschens führt. Ohne dieses Verfahren würde es jedoch unbefriedigend klingen, wenn die Aufnahme auf einem Heimcomputer wiedergegeben wird.

Der Schallweg hat seine eigenen Verzerrungen, die in drei Gruppen unterteilt werden können:

1. Lineare Verzerrungen werden durch die Amplituden-Frequenz-Charakteristik des Schallwegs verursacht und sind eine Änderung des Verhältnisses der Amplituden und Phasen verschiedener Frequenzkomponenten. Frequenzen, die ursprünglich im Signal fehlten, werden nicht angezeigt.

2. Nichtlineare Verzerrung: Eine Änderung der Form des ursprünglichen Signals, die zum Auftreten von Frequenzen führt, die im eingehenden Signal fehlen, aber davon abhängen.

3. Interferenz: Das Auftreten seltsamer Frequenzen im Schallpfad, die nicht mit dem Nutzsignal verbunden sind. Störungen treten beispielsweise durch elektromagnetische Störungen, Eindringen der Frequenz der Versorgungsspannung usw. in den Schallweg auf.

Alle diese Verzerrungen treten jedoch nur in analogen Schaltkreisen auf (daher bringen Spekulationen über den Frequenzgang eines digitalen Ausgangs Spezialisten zum Lächeln). Vergessen Sie jedoch nicht die oberflächlichen Mängel von CDs, DVDs und anderen optischen Speichermedien, die Ton speichern und zu Datenverlust führen.

Die Digitalisierung des Signals ist auch mit einer starken Verzerrung verbunden, aber lassen Sie uns zunächst den Unterschied zwischen analogen und digitalen Signalen betrachten.

In einem analogen Signal ändert sich die Spannung gleichmäßig mit der Zeit, das Signal ist kontinuierlich. Das digitale Signal ist diskret, sein Wert ändert sich sofort. Darüber hinaus manifestiert sich Diskretion sowohl im Frequenz- als auch im Amplitudenbereich. Jede Änderung des Signalwerts wird abgetastet, und als Ergebnis werden die Werte auf die nächste ganze Zahl gerundet.


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Audiokodierung: Geheimnisse gelüftet

Audiokodierung: Geheimnisse gelüftet

audio encoding

Audioeinstellungen für die Videoaufnahme und -übertragung.
Als Menschen, die in direktem Zusammenhang mit der AV-Sphäre stehen, sprechen wir ständig über Audiocodierung und Audiocodecs, aber was ist das?

Audio Encoding

Ein Audio-Codec ist im Wesentlichen ein Gerät oder ein Algorithmus, der ein digitales Audiosignal codieren und decodieren kann.

In der Praxis sind die über Funk übertragenen Audiowellen kontinuierliche analoge Signale. Die Signale werden von einem Gerät, das als Analog-Digital-Wandler (ADC) bezeichnet wird, in ein digitales Format umgewandelt, und das Rückwärtsumwandlungsgerät wird als Digital-Analog-Wandler (DAC) bezeichnet. Der Codec befindet sich zwischen diesen beiden Funktionen und ermöglicht es Ihnen, einige wichtige Parameter für die erfolgreiche Erfassung, Aufzeichnung und Übertragung eines Audiosignals anzupassen: Codec-Algorithmus, Abtastrate, Bittiefe und Datenübertragungsrate.

Die drei beliebtesten Audio-Codecs sind Pulse-Code-Modulation (PCM), MP3 und Advanced Audio Coding (AAC). Die Wahl des Codecs bestimmt die Komprimierungsrate und die Aufnahmequalität. PCM ist ein Codec, der von Computern, CDs, digitalen Telefonen und manchmal SACD verwendet wird. Die Quelle des PCM-Signals wird in regelmäßigen Abständen abgetastet, und jede Abtastung ist die digitale Größe des analogen Signals. PCM ist die einfachste Option zum Digitalisieren eines analogen Signals.

Mit den richtigen Parametern kann dieses digitalisierte Signal ohne Verlust vollständig wieder in Analog umgewandelt werden. Leider ist dieser Codec, der eine fast vollständige Identität mit dem Original-Audio bietet, nicht sehr billig, was zu großen Dateien führt, und diese Dateien sind nicht für das Streaming geeignet. Wir empfehlen die Verwendung von PCM zum Aufzeichnen digitaler Bilder für Ihre Quellen oder bei der Audio-Nachbearbeitung.

Glücklicherweise haben wir immer die Möglichkeit, einen anderen Codec zu wählen, der digitale Daten (im Vergleich zu PCM) komprimieren kann, basierend auf einigen hilfreichen Beobachtungen zum Verhalten von Schallwellen. In diesem Fall müssen Sie jedoch einen Kompromiss eingehen: Alle alternativen Algorithmen sind mit “Verlusten” verbunden, da es unmöglich ist, das ursprüngliche Signal vollständig wiederherzustellen, das Ergebnis jedoch so gut ist, dass die meisten Benutzer es nicht bemerken können der Unterschied.

MP3 ist ein Audiokodierungsformat, das einen digitalen Datenkomprimierungsalgorithmus verwendet, mit dem Sie das Audiosignal in kleineren Dateien speichern können. Der MP3-Codec wird von Benutzern am häufigsten zum Aufzeichnen und Speichern von Musikdateien verwendet. Wir empfehlen die Verwendung von MP3 zum Streamen von Audioinhalten, da weniger Netzwerkbandbreite erforderlich ist.

AAC ist ein neuerer Audio-Codierungsalgorithmus, der der Nachfolger von MP3 ist. AAC ist zum Standard für die Formate MPEG-2 und MPEG-4 geworden. Tatsächlich ist dies auch ein Codec für die digitale Datenkomprimierung, jedoch mit weniger Qualitätsverlust als MP3, wenn er mit derselben Bitrate codiert wird. Wir empfehlen die Verwendung dieses Codecs für das Online-Streaming.

Abtastfrequenz (kHz, kHz)
Abtastrate (oder Abtastrate): Die Frequenz, mit der das Signal digitalisiert, gespeichert, verarbeitet oder von analog zu digital konvertiert wird. Zeitabtastung bedeutet, dass das Signal durch eine Anzahl seiner Abtastwerte (Abtastwerte) dargestellt wird, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden.

Gemessen in Hertz (Hz, Hz) oder Kilohertz (kHz, kHz) entspricht 1 kHz 1000 Hz. Beispielsweise können 44100 Abtastwerte pro Sekunde als 44100 Hz oder 44,1 kHz bezeichnet werden. Die ausgewählte Abtastrate bestimmt die maximale Wiedergabefrequenz. Wie aus dem Satz von Kotelnikov hervorgeht, muss die Abtastrate doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz im Signalspektrum, um das ursprüngliche Signal vollständig wiederherzustellen.

Wie Sie wissen, kann das menschliche Ohr Frequenzen zwischen 20 Hz und 20 kHz aufnehmen. Angesichts dieser Parameter und der in der folgenden Tabelle angegebenen Werte können Sie verstehen, warum 44,1 kHz als Abtastfrequenz für CD gewählt wurde und immer noch als sehr gute Frequenz für die Aufnahme angesehen wird.

Hochwertiger Audio-Sound

Hochwertiger Audio-Sound

High Quality Audio

In den letzten Jahren hat das Interesse an High Definition Audio (HDA) stetig zugenommen.

HIGH QUALITY AUDIO

AVR entwickelt sich allmählich zu einem wichtigen Trend auf dem audiophilen und professionellen Audiomarkt. Die Einführung neuer Formate und die Verbesserung ihrer Verarbeitungstechnologien sowie das zunehmende Volumen der Bereitstellung von Inhalten über das Internet sowie erhebliche Anstrengungen der Branche, ABP zum Hauptformat zu machen, deuten auf a hin interessante und vielversprechende Zukunft für die nächsten Jahre. Das High Resolution Audio Technical Committee unterstützt Seminare, Diskussionen und die Veröffentlichung von Leitfäden, die wichtige Aspekte der ATS-Entwicklung zum Nutzen der gesamten AES-Community hervorheben.

NEUE AVR-FORMATE

Am bemerkenswertesten in den letzten zwei Jahren war die Entstehung und rasche Ausweitung der Verwendung von DSD als eigenständiges Codierungs- und Verteilungsformat für Audioinhalte. DSD ist ein Name, der von Sony und Philips geprägt wurde, um ein Ein-Bit-Format anzugeben, das auf einer Sigma-Delta-Transformation basiert und zusammen mit einer geeigneten Verarbeitung zum Speichern und Übertragen von Daten verwendet wird, die mit der Herstellung von SACD verbunden sind. Zusammen mit dem ursprünglichen DSD 64 Fs-Format (64 x 44,1 kHz oder 2,8224 MHz) werden jetzt höhere Abtastformate verwendet: 128 F und 256 F. Der Hauptvorteil der Verwendung höherer Frequenzen ist die Bereichsverschiebung Rauschen, das aufgrund der Transformation des Dynamikbereichs in Sigma-Delta-Wandlern weit über den hörbaren Frequenzbereich (> 60 kHz) hinaus auftritt, sowie eine Abnahme des Quantisierungsrauschpegels im Audiobereich im Vergleich mit 64 Fs Format. … DSD wird bei höheren Abtastraten als sauberer und transparenter angesehen.

Das DSD-Format ist auch mit dem DXD-Format verwandt, dessen Name für PCM-Signale mit 352,8 kHz / 24 dB verwendet wird. Dies wird von Merging Technologies unterstützt, das es als Zwischenstufe beim Erhalt von DSD vorschlug. Da die digitale Verarbeitung eines einzelnen Bitstroms bei der Vorbereitung einer Audioaufzeichnung schwierig ist, wird sie im Allgemeinen in ein PCM-Signal mit einer hohen Abtastrate vorkonvertiert. Einige Aufnahmeingenieure verwenden DXD nicht nur als Zwischenstufe, sondern als primäres Aufnahmeformat für die spätere Veröffentlichung als DSD oder als Zwischenformat zwischen Aufnahme und Veröffentlichung im DSD-Format oder möglicherweise in Zukunft als Format. PCM 352. 8 kHz für Audio-Release.

Dieser Trend zu höheren Abtastraten in PCM- und DSD-Formaten wird durch die Herstellung von Geräten für Verbraucher und professionelle Geräte unterstützt. Viele moderne DACs und ADCs können PCM- und DSD-Formate verarbeiten. Neue Konverter, Software und sogar Handheld-Geräte unterstützen zunehmend eine Vielzahl von PCM-Signalen vom CD-Pegel (44,1 kHz / 16 dB) bis 384 kHz / 32 dB und DSD 256 Fs, während die Branche weiter forscht wie und wie stark das Interesse der Verbraucher an diesen Formaten ist. Die meisten Hersteller haben einen offenen Standard zum Verpacken von DSD-Signalen in PCM-Frames eingeführt, der als DoP * bezeichnet wird, um die DSD-Übertragung über USB sowie AES und SPDIF zu erleichtern.

VERBESSERUNGEN BEI KONVERTERN, FILTERN UND SIGNALVERARBEITUNG

Während immer nach qualitativ hochwertigem Klang gesucht wurde, um Problembereiche zu finden, die zu einer Verschlechterung im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Filterung eines digitalen Musiksignals führen, wird eine immer höhere Auflösung sowohl zum Ergebnis als auch zur treibenden Kraft. dieser Suche. Hersteller von High-End-Wandlern bemühen sich, die inhärenten Nachteile der höheren Abtast- und Mehrbit-Sigma-Delta-Wandler zu beheben, die in PCM-DACs fast universell eingesetzt werden. Modernisierungsverfahren umfassen das Ersetzen von Mikroschaltungen durch FPGAs, das Erhöhen der Abtastrate in einem Computer, das Entwerfen spezieller Filter, einschließlich Filter mit einer minimalen Phase, das Erhöhen des Werts der Bittiefe während der Signalverarbeitung auf bis zu 64 Bit mit Gleitkomma und höher unter Verwendung der ursprünglichen Sigma-Delta-Dezimierungs- und Modulationsschemata. Verschiedene Chiphersteller haben unter Verwendung der obigen Techniken bessere Chips entwickelt, die Rauschformung, die Jittersteuerung, das Timing und die Entkopplungsleistung verbessert. Diese Mikroschaltungen treten zunehmend in neuen ATS-kompatiblen Geräten auf.

Audio-Codec

Audio-Codec

Audio Codec

Software-Codec

AUDIO CODEC

Ein Audio-Codec auf Software-Ebene ist ein spezialisiertes Computerprogramm, ein Codec, der digitale Audiodaten gemäß einem Audiodateiformat oder einem Streaming-Audioformat komprimiert (komprimiert) oder dekomprimiert (dekomprimiert). Die Aufgabe eines Audio-Codecs als Kompressor besteht darin, ein Audiosignal mit einer bestimmten Qualität / Präzision und der kleinstmöglichen Größe bereitzustellen. Durch die Komprimierung wird der zum Speichern von Audiodaten erforderliche Speicherplatz verringert, und es ist auch möglich, die Bandbreite des Kanals zu verringern, über den die Audiodaten übertragen werden. Die meisten Audio-Codecs sind als Softwarebibliotheken implementiert, die mit einem oder mehreren Audio-Playern wie QuickTime Player, XMMS, Winamp, VLC Media Player, MPlayer oder Windows Media Player interagieren.

Beliebte Software-Audio-Codecs nach Anwendung:

MPEG-1 Layer III (MP3): Ein proprietärer Audio-Codec (Musik, Hörbücher usw.) für Computer und digitale Player
Advanced Audio Codec (AAC) – Der zweithäufigste proprietäre Codec, der als Alternative zu MP3 positioniert ist. Am beliebtesten zusammen mit H.264 (AVC) -Videocodec, der in Online-Videos empfangen wird (z. B. Flash-Video auf YouTube)
Ogg Vorbis (OGG) ist ein kostenloser Codec, der in Computerspielen und Filesharing-Netzwerken zum Übertragen von Musik weit verbreitet ist.
Free Lossless Audio Codec (FLAC) ist ein kostenloser Codec, der verlustfreie Komprimierung verwendet. Alternative und weniger verbreitete verlustfreie Codecs: WavPack (WV), Monkey’s Audio (APE) usw.
GSM-FR ist der erste digitale Sprachcodierungsstandard, der in GSM-Telefonen verwendet wird
Adaptive Multi Rate (AMR): Aufzeichnung menschlicher Sprache auf Mobiltelefonen und anderen Mobilgeräten
G.723.1: Einer der grundlegenden Codecs für IP-Telefonieanwendungen
G.729 ist ein proprietärer Schmalband-Codec zur digitalen Darstellung von Sprache
Internet Low Code Rate Codec (iLBC) – Ein beliebter kostenloser Codec für IP-Telefonie (insbesondere für Skype und Google Talk)

Hardware-Codec
Realtek ALC 882 HD Audio-Codec-Chip auf dem Motherboard
Realtek ALC 882 HD Audio-Codec-Chip auf dem Motherboard
Ein Hardware-Audio-Codec bezieht sich auf einen separaten Chip, der ein analoges Audiosignal unter Verwendung von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern in ein digitales Signal codiert und decodiert und umgekehrt. Die Digital-Analog-Wandlung erfolgt, wenn der Computer Ton an externe Lautsprecher sendet, und die Analog-Digital-Wandlung erfolgt, wenn Ton von außen in den Computer gelangt.

Der Audio-Codec ist die Hauptkomponente einer Soundkarte, aber nicht immer die einzige. Es ist eine Zwischenverbindung, eine Schnittstelle zwischen analogen Anschlüssen zum Empfangen und Senden von Ton und digitalen Tonverarbeitungseinheiten

Bei massiven Onboard-Soundkarten auf Motherboards repräsentiert der Audio-Codec tatsächlich die gesamte Soundkarte: Er wandelt das von den Anschlüssen empfangene analoge Signal in ein digitales Signal um und überträgt es an die Südbrücke des Motherboards, von wo aus der Sound ausgegeben wird Digital geht an den Zentralprozessor. Diese Technologie zur Verarbeitung von digitalem Audio in einem Zentralprozessor wird als Host-Signalverarbeitung bezeichnet.

Bei diskreten Soundkarten, die an das Motherboard angeschlossen sind, erfüllt der Audio-Codec dieselbe Funktion wie bei den integrierten, überträgt das Audiosignal nach der Digitalisierung jedoch nicht an den Zentralprozessor, sondern an einen Audioverarbeitungs- und Steuerchip speziell, befindet sich auch auf der Soundkarte.

Ein Audio-Codec-Chip ist normalerweise etwa 7 mm² groß und befindet sich bei einer integrierten Soundkarte normalerweise in der Nähe der Rückseite des Motherboards. Die Haupthersteller von Hardware-Audio-Codecs sind Realtek, VIA Technologies, C-Media, Intel und Analog Devices.