Month: December 2020

Verschiedene digitale Audioformate.


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Verschiedene digitale Audioformate.

Audio Formats

Es gibt verschiedene Konzepte für das Audioformat.

Audio Format

Das Format der Audiodatenpräsentation in digitaler Form hängt von der Quantisierungsmethode eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) ab. Die Tonausrüstung ist derzeit die häufigste zwei Arten der Quantisierung:

Pulscodemodulation
Sigma – Delta – Modulation
Häufig Bitquantisierung und Frequenzabtastpunkt für verschiedene Audiogeräte, die als digitales Audiopräsentationsformat (24-Bit / 192 kHz, 16-Bit / 48 kHz) aufnehmen und wiedergeben.

Das Dateiformat bestimmt die Struktur und Darstellung der Audioeigenschaften der Daten, wenn diese auf einem PC-Speichergerät gespeichert werden. Beseitigung der Redundanz von Audiodaten mithilfe von Audio-Codecs, mit deren Hilfe die Komprimierung von Audiodaten durchgeführt wird. Es gibt drei Gruppen von Audiodateiformaten:

unkomprimierte Audioformate wie WAV, AIFF
verlustfreie komprimierte Audioformate (APE, FLAC)
Audioformate mit verlustbehafteter Komprimierung (mp3, ogg)
Es gibt nur modulare Musikformatdateien. Durch synthetisch oder gesampelte aufgezeichnete Live-Instrumente werden sie hauptsächlich zur Schaffung moderner elektronischer Musik (MOD) verwendet. Auch hier kann das Format von MIDI zugeordnet werden, bei dem es sich nicht um eine Tonaufnahme handelt, sondern mit Hilfe eines Sequenzers die Aufnahme und Wiedergabe von Musik mit einem bestimmten Befehlssatz in Form von Text ermöglicht wird.

Digitale Tonmedienformate werden als massenverbreitete Tonaufnahmen (CD, SACD) und in professionellen Aufnahmen (DAT, MiniDisc) verwendet.

Für Surround-Sound-Systeme und Sie können Tonformate in einer Mehrkanal-Begleitung weitgehend ohne Ton für Filme auswählen. Solche Systeme haben eine Reihe von zwei großen Formaten, die mit den Unternehmen des Digital Theatre und dann von Systems Inc. konkurrieren. – DTS und Dolby Laboratories Inc. – Dolby Digital.

Wird auch als Anzahl der Kanäle in Mehrkanal-Soundsystemen bezeichnet (5. 1; 7. 1). Ursprünglich war dieses System für das Kino konzipiert, später wurde es auf Heimkinosysteme erweitert.


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MP3, was genau ist ein MP3?

MP3, was genau ist ein MP3?

MP3

MP3 (formal MPEG-1 Audio Layer III oder MPEG-2 Audio Layer III) ist ein Audiocodierungsformat für digitales Audio.

MP3

Ursprünglich als drittes Audioformat des MPEG-1-Standards definiert, wurde es beibehalten und erweitert, um zusätzliche Bitraten zu definieren und mehr Audiokanäle als drittes Audioformat des kommenden MPEG-2-Standards zu unterstützen. Eine dritte Version, MPEG 2.5, die verbessert wurde, um niedrigere Bitraten besser zu unterstützen, wird üblicherweise implementiert, ist jedoch kein anerkannter Standard.

MP3 (oder MP3) als Dateiformat bezieht sich im Allgemeinen auf Dateien, die den elementaren MPEG-1-Datenstrom für Audio und Video enthalten, ohne die anderen Komplexitäten des MP3-Standards.

Bei den Audiokomprimierungsaspekten von MP3 ist der offensichtlichste Standardaspekt für Endbenutzer (und der bekannteste) MP3, bei dem verlustbehaftete Datenkomprimierung verwendet wird, um Daten mit ungenauen Näherungen und teilweisem Verwerfen von Daten zu codieren. Dadurch kann die Dateigröße im Vergleich zu unkomprimiertem Audio erheblich reduziert werden. Die Kombination aus geringer Größe und akzeptabler Wiedergabetreue führte Mitte bis Ende der neunziger Jahre zu einem Boom der Musikverteilung über das Internet als Anbietertechnologie, als Bandbreite und Speicher noch auf dem Höhepunkt waren. Das MP3-Format wurde bald mit Kontroversen im Zusammenhang mit Urheberrechtsverletzungen, Musikpiraterie, MP3.com- und Napster-Ripping- / Sharing-Diensten und anderen in Verbindung gebracht. Mit dem Aufkommen von tragbaren Mediaplayern, einer Produktkategorie, die Smartphones umfasst,

Die MP3-Komprimierung reduziert (oder approximiert) die Präzision bestimmter Audiokomponenten, von denen angenommen wird, dass sie der Hörfähigkeit der meisten Menschen überlegen sind. Diese Technik ist allgemein als Wahrnehmungscodierung oder psychoakustische Simulation bekannt. Die verbleibenden Audioinformationen werden dann kostengünstig aufgezeichnet. Im Vergleich zur digitalen Audioqualität einer CD kann die MP3-Komprimierung normalerweise eine Reduzierung von 75-95% erzielen. Beispielsweise würde eine mit einer konstanten Bitrate von 128 kbit / s codierte MP3-Datei zu einer Datei führen, die ungefähr 9% der Größe der ursprünglichen Audio-CD entspricht.

Als Broadcast-Format konzipiert, können Broadcast-Segmente verloren gehen, ohne die Fähigkeit zu beeinträchtigen, nachfolgende Segmente zu decodieren.

MP3 wurde von der Moving Picture Experts Group (MPEG) innerhalb der MPEG-1- und späteren MPEG-2-Standards entwickelt. Die erste Audio-Untergruppe bestand aus verschiedenen Entwicklungsteams von CCETT, Matsushita, Philips, Sony, den AT & T-Bell Labs, Thomson-Brandt und anderen. MPEG-1 Audio (MPEG-1 Teil 3), das MPEG-1 Audio Layer I, II und III enthält, wurde 1991 als Entwurf des ISO / IEC-Ausschusses genehmigt, 1992 fertiggestellt und 1993 als ISO / IEC 11172 veröffentlicht -3: 1993. 1995 wurde das Gegenteil veröffentlicht. eine mit MPEG-2 Audio kompatible Erweiterung (MPEG-2 Part 3) mit niedrigerer Bitrate und niedrigerer Bitrate als ISO / IEC 13818-3: 1995.

Standardisierung
1991 wurden zwei Vorschläge für den MPEG-Audiostandard eingereicht und bewertet: MUSICAM (universelle universelle Codierung für Masken- und Subband-Multiplexing) und ASPEC (adaptive spektrale Wahrnehmung der Entropiecodierung). Wie vom niederländischen Philips-Konzern, dem französischen Forschungsinstitut CCETT und dem deutschen Standardinstitut Broadcast Technology vorgeschlagen, wurde MUSICAM aufgrund seiner Einfachheit und Fehlerzuverlässigkeit sowie seiner hohen Recheneffizienz ausgewählt. Das MUSICAM-Format basiert auf Die Subbandcodierung wurde zur Grundlage für das MPEG-Audiokomprimierungsformat, einschließlich beispielsweise der Rahmenstruktur, des Headerformats, der Abtastrate usw.

Obwohl die meisten MUSICAM-Technologien und -Ideen in die Definition von MPEG Audio Layer I und Layer II einbezogen wurden, basiert nur die Filterbank und Datenstruktur auf 1152 Frame-Samples (Dateiformat und Stream-orientiert) Bytes) von MUSICAM blieben in Schicht III (MP3). als Teil einer rechnerisch ineffizienten Hybridfilterbank. Unter dem Vorsitz von Professor Musman von der Universität Hannover wurde die Ausgabe des Standards an den Niederländer Leon van de Kerhof, den Deutschen Gerhard Stoll, den Franzosen Yves-François Deri, der auf den Stufen I und II arbeitet, übergeben. ASPEC war ein gemeinsames Angebot von AT & T Bell Laboratories, Thomson Consumer Electronics, der Fraunhofer Society und CNET. Dies stellte eine maximale Codierungseffizienz sicher.

Digitale Toncodierung

Digitale Toncodierung

Digital audio

Die Entwicklung von Verfahren zum Codieren von Audioinformationen sowie von bewegten Bildern (Animationen und Videoaufzeichnungen) erfolgte mit einer Verzögerung im Vergleich zu den oben diskutierten Informationstypen.

Digital Audio

Ein Computer ist ein digitales Gerät, dh ein elektronisches Gerät, bei dem ein diskretes Signal das Betriebssignal ist. Heutige Computer arbeiten mit diskreten Signalen, die Binärwerte tragen, die üblicherweise als “Ja” und “Nein” bezeichnet werden (auf der elektrischen Ebene: 0 Volt und V Volt für einen Wert ungleich Null von V). Mit einem einstufigen Binärsignal können Sie Informationen über eine von zwei Positionen übertragen: 0 (“Ja”) oder 1 (“Nein”). Mit N Binärsignalen in einem Schritt können Sie Informationen über eine von 2 N Positionen übertragen (2 N ist die Anzahl der Kombinationen von Nullen und Einsen für N Signale). Das Zusammenspiel aller Blöcke, aus denen ein Computer besteht, erfolgt durch den gleichzeitigen Austausch und die gleichzeitige Verarbeitung eines oder mehrerer Binärsignale. Sie sind alle Steuercodes sowie die Informationen, die selbst verarbeitet werden, alles wird auf dem Computer in Form von Zahlen dargestellt. Aus diesem Grund werden Audiosignale in digitalen Geräten auch als Zahlen dargestellt.

Wie können Sie also ein analoges Audiosignal in digitaler Form beschreiben? Ein reales Audiosignal ist eine komplexe Wellenform, eine bestimmte komplexe Abhängigkeit der Amplitude einer Schallwelle in der Zeit. In Fig. 2 ist ein Graph einer realen Schallwelle dargestellt.

Für die Computerverarbeitung muss ein analoges Signal irgendwie in eine Folge von Binärzahlen umgewandelt werden. Gehen wir wie folgt vor. Wir werden die Spannung in regelmäßigen Abständen messen und die erhaltenen Werte in den Computerspeicher schreiben. Dieser Vorgang wird als Abtastung (oder Digitalisierung) bezeichnet.

Die Umwandlung eines analogen Audiosignals in ein digitales wird als Analog-Digital-Umwandlung oder Digitalisierung bezeichnet. Der Prozess dieser Transformation besteht aus:

Messungen der Amplitude eines analogen Signals mit einem bestimmten Zeitintervall durchführen: Abtastung,

anschließende Aufzeichnung der in numerischer Form erhaltenen Amplitudenwerte – Quantifizierung.

Der Zeitabtastprozess ist der Prozess des Erhaltens der Momentanwerte eines analogen Signals, das in einen bestimmten Zeitschritt umgewandelt wird, der als Abtastschritt bezeichnet wird.

Je höher die Abtastrate (dh die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde) und je mehr Ziffern jedem Abtastwert zugewiesen sind, desto genauer wird der Klang dargestellt. Dies erhöht aber auch die Größe der Audiodatei. Abhängig von der Art des Klangs, den Anforderungen an seine Qualität und der Menge des belegten Speichers werden daher einige Kompromisswerte ausgewählt.

Die Anzahl der in einer Sekunde durchgeführten Signalmessungen wird als Abtastrate oder Abtastrate oder Abtastrate (aus dem Englischen “Abtastung”) bezeichnet. Je kleiner der Abtastschritt ist, desto höher ist natürlich die Abtastfrequenz (dh häufiger Amplitudenwerte) und desto genauer wird das Signal dargestellt, das wir erhalten.

Das menschliche Ohr bemerkt die Abstufung des empfangenen Signals nicht. Hier kann die folgende Analogie gezogen werden. Jede Person schaute sich Filme im Kino an und vor ihren Augen auf dem Bildschirm gab es eine kontinuierliche und flüssige Aktion. Tatsächlich ist ein Filmstreifen eine Reihe von Standbildern und diskreten Bildern, die sich mit einer hohen Geschwindigkeit von 24 Bildern pro Sekunde bewegen . Da menschliche Augen durch eine gewisse Trägheit gekennzeichnet sind, sind sie leicht zu täuschen, was die Filmemacher äußerst geschickt einsetzen. Unsere Ohren sind auch etwas unvollkommen und können auf diese Weise ausgetrickst werden, indem sie ein kontinuierliches analoges Signal als eine Folge sich schnell ändernder momentaner Spannungswerte darstellen. Im Gegensatz zu einem Filmstreifen erfolgt das Ändern des “Soundframes” jedoch tausendfach schneller.

Um nun jeden einzelnen Amplitudenwert aufzuzeichnen, muss er auf den nächsten Quantisierungspegel gerundet werden. Dieser Vorgang wird als Amplitudenquantisierung bezeichnet. Formal ausgedrückt ist die Amplitudenquantisierung der Vorgang, bei dem die tatsächlichen (gemessenen) Werte der Signalamplitude durch Werte ersetzt werden, die sich mit einer gewissen Genauigkeit annähern. Jeder der 2 N möglichen Pegel wird als Quantisierungspegel bezeichnet, und der Abstand zwischen den beiden nächstgelegenen Quantisierungspegeln wird als Quantisierungsschritt bezeichnet. Die Quantisierung von Signalwerten führt zu zusätzlichen Interferenzen im Signalspektrum, die als Quantisierungsrauschen oder Teilungsrauschen bezeichnet werden. Quantisierungsrauschen (Fehler) bezieht sich auf das Signal, das den Unterschied zwischen den Signalen ausmacht rekonstruierte Original- und digitale Audiospuren. Diese Differenz ergibt sich aus der Rundung der gemessenen Signalwerte.

Methoden zum Komprimieren von digitalem Audio.

Methoden zum Komprimieren von digitalem Audio.

Audio Encoding

Methoden zur Informationskomprimierung bei der Arbeit mit Sound.

Audio Encoding

Je größer die Speicherkapazität der WT-Karte ist, desto realistischer ist der Klang (da mehr Samples im Speicher gespeichert sind, werden sie mit einer höheren Auflösung aufgenommen). Der allgemeine MIDI-Standard beschreibt mehr als 200 Instrumente. Zum Speichern Ihrer Sound-Samples (Tabellen) sind mindestens 8 MB Speicher erforderlich (mindestens 20 KB für jedes Sample).

Bekannte WF-Methode (Wave Form) zur Klangerzeugung, basierend auf der Umwandlung von Klängen in komplexe mathematische Formeln und der anschließenden Anwendung dieser Formeln zur Steuerung eines leistungsstarken Prozessors zur Wiedergabe des Klangs; Erwarten Sie von der WF-Synthese eine noch bessere Realität (im Vergleich zu FM- und WT-Technologien) von Musikinstrumenten, die mit begrenzten Volumina von Audiodateien spielen.

Um den Datenfluss zu reduzieren, werden andere analoge (Nicht-PCM-) Codierungsmethoden verwendet. Beispielsweise ist bekannt, dass eine Codierungstechnik, die auf bekannten Eigenschaften eines analogen Signals basiert, die gespeicherte Datenmenge signifikant reduziert; mit dem sogenannten -T wird die Codierung des analogen Signals in einen digitalen Code umgewandelt, der durch den Logarithmus der Größe des Signals (und nicht durch seine lineare Transformation) bestimmt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit, a priori Informationen über die Eigenschaften des ursprünglichen Signals zu haben.

Es sind Umwandlungsmethoden bekannt, die keine A-priori-Informationen über das ursprüngliche Signal erfordern. Wenn die Differenzialpulscodemodulation (DPCM, Differentialpulscodemodulation) die Einzelsignaldifferenz zwischen aktuellen und vorherigen Pegeln beibehält (die Differenz erfordert eine digitale Darstellung von weniger Bits als dem vollen Amplitudenwert). Bei der Delta-Modulation (DM, Delta-Modulation) besteht jeder Abtastwert aus einem einzelnen Bit, das das Vorzeichen der Änderung des ursprünglichen Signals bestimmt (Zunahme oder Abnahme); Die Delta-Modulation erfordert eine höhere Abtastrate. Bei differenziellen PCM-Technologien häufen sich Fehler im Laufe der Zeit. Daher werden spezielle Maßnahmen ergriffen, um den ADC regelmäßig zu kalibrieren.

Am häufigsten wird bei der Aufnahme von empfangenem Audio die adaptive Pulscodemodulation (ADPCM, Adaptive Pulscodemodulation) verwendet, bei der die Differenzsignale mit 8- oder 4-Bit-Codierung versehen werden. Die Technologie wurde erstmals von Creative Labs angewendet und bietet eine Datenkomprimierung von bis zu 4: 1.

Es werden jedoch häufig andere Komprimierungs- / Dekomprimierungsmethoden für Audioinformationen (Software) verwendet. Am beliebtesten ist in letzter Zeit das MP3-Format, das vom Fraunhofer IIS (Fraunhofer-Institut Integrierte Schaltungen, www.iis.fhg.de) und von THOMSON (die vollständige Spezifikation des MP3-Formats wird auf der Website www.mp3tech.org veröffentlicht) entwickelt wurde ). Der vollständige Name des MP3-Standards klingt wie MPEG-Audio Layer-3 (wobei MPEG die Essenz der Expertengruppe für bewegte Bilder ist, nicht zu verwechseln mit dem MPEG-3-Standard, der für die Verwendung in hochauflösendem Fernsehen entwickelt wurde).

Die MP3-Codierung von Daten erfolgt durch Zuweisung unabhängiger unabhängiger Datenblöcke: Frames. Zu diesem Zweck wird das ursprüngliche Signal während der Codierung in Teile gleicher Länge unterteilt, die als Frames bezeichnet werden, und separat codiert (um die Datenmenge weiter zu reduzieren, wird die Komprimierung unter Verwendung des Huffman-Algorithmus angewendet). Beim Decodieren wird das Signal aus einer Folge von decodierten Rahmen gebildet. Der Codierungsprozess nimmt viel Zeit in Anspruch. Die Dekodierung (während der Wiedergabe) erfolgt im laufenden Betrieb.

Das MP3-Format bietet die beste Klangqualität bei kleinster Dateigröße. Dies wird erreicht, indem die Besonderheiten des menschlichen Gehörs berücksichtigt werden, einschließlich des Effekts, ein schwaches Signal aus einem Frequenzbereich mit einem stärkeren Signal aus einem benachbarten Bereich (wenn es auftritt) oder ein starkes Signal aus dem vorherigen Rahmen zu maskieren, was a verursacht vorübergehende Abnahme der Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber dem Signal des aktuellen Rahmens (mit anderen Worten, kleinere Geräusche werden eliminiert, die vom menschlichen Ohr aufgrund des Vorhandenseins eines anderen – lauteren Tons in diesem / vorherigen Moment nicht gehört werden). Es berücksichtigt auch die Unfähigkeit der meisten Menschen, Signale zu unterscheiden, die unter einem bestimmten Leistungspegel liegen und für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedlich sind. Dieser Prozess wird als adaptive Codierung bezeichnet und speichert zumindest fundierte Details, die aus Sicht der menschlichen Wahrnehmung von Bedeutung sind. Das Komprimierungsverhältnis (daher die Qualität) wird nicht durch das MP3-Format bestimmt, sondern durch die Breite des Datenstroms während der Codierung.