Die Vorteile von digitalem Audio


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Die Vorteile von digitalem Audio

Digital Audio

Die Grundlagen von “Zahlen”

DIGITAL AUDIO

Jedes der heute angebotenen Multimedia-Geräte, sei es ein CD-Player, ein Diktiergerät oder ein Flash-Speicher-Player, verwendet viele verschiedene Arten der Darstellung von Datenströmen, die dann in Sound umgewandelt werden. Und es wurden noch mehr Klangformate erfunden, die für professionelle Zwecke verwendet werden. Ein unerfahrener Käufer ist gezwungen, Informationen über Bezeichnungen auf Boxen und Geräten aus verschiedenen Quellen zu sammeln, wobei er häufig falsche Informationen oder noch mehr Verwirrung erhält.

Fast alle Geräte im Abschnitt “Portable Audio” des ZOOM.CNews.ru-Katalogs unterstützen mehrere Soundformate gleichzeitig, und viele Geräte, die nicht zu dieser Kategorie gehören, sind auch mit der Unterstützung für die Wiedergabe von Sounddateien gekennzeichnet. Um unseren Lesern zu helfen, haben wir beschlossen, ein kurzes Glossar mit Abkürzungen zu erstellen und über die gängigsten Formate zu sprechen. Wir planen, es für Aktualisierungen und Änderungen offen zu lassen, neue Formate hinzuzufügen und die Vor- und Nachteile der bereits üblichen oder vergessenen Formate detaillierter zu beschreiben.

Eine kleine Theorie

Denken Sie zunächst daran, dass digitaler Sound nichts anderes als eine Sammlung von Zahlen ist. Der bestimmende Faktor ist das System, mit dem Schall als Luftdruck in Datenströme umgewandelt und zur weiteren Verarbeitung und Wiedergabe codiert wird. Folglich ist digitaler Sound im Allgemeinen in Computerdateien mit verschiedenen Erweiterungen enthalten, die häufiger (aber nicht immer) ihr Format bestimmen können. Und dasselbe Formatkonzept kann paradoxerweise zwei Bedeutungen haben. Erstens kann das Format als allgemeines Merkmal vorliegen, das sowohl den Typ als auch die physikalischen Eigenschaften des Mediums (Disc oder Kassette), das Aufzeichnungsverfahren, die Codierungsprinzipien und den Schutz vor Fehlern umfasst. Zweitens kann das Format nur als das Verfahren zum Codieren und Komprimieren von Ton verstanden werden, da Standardmittel für die Übertragung verwendet werden, beispielsweise ein Computer.

Analoger Ton wird im Gegensatz zu digitalem auf analogen Geräten wiedergegeben und weist mehrere signifikante Unterschiede auf. Analoger Schall ist zwar kein Datenstrom, wird jedoch als kontinuierliches elektrisches Signal dargestellt, das die Änderung der Schallwelle darstellt. Um es in ein digitales Format zu übersetzen, wird der Ton “digitalisiert”, dh er wird in bestimmte Segmente unterteilt, in denen der numerische Wert der Amplitude zu diesem Zeitpunkt festgelegt ist. Wir werden uns nicht mit den Prinzipien der digitalen Klangerzeugung befassen, aber es ist unbedingt zu beachten, dass das Klangbild selbst umso klarer und vollständiger erzeugt wird, je öfter ein Tonsegment geteilt und seine Eigenschaften beschrieben werden.

Dieser Prozess erzeugt einen enormen Datenfluss, der den Ton beschreibt, und es ist klar, dass jedes digitale Audioformat nichts anderes als ein Kompromiss zwischen der Notwendigkeit, den Ton so laut wie möglich darzustellen, und den Einschränkungen des Speichers des Computers oder Geräts ist. Der Reproduktion.

Ein bisschen mehr Theorie. In den meisten Fällen nimmt das menschliche Ohr Schall mit einer Frequenz von nicht mehr als 22.000 Hz wahr. Um ihn vollständig in digitaler Form zu beschreiben, ist eine Abtastfrequenz von mindestens 44,1 kHz erforderlich. Da es absolut unmöglich ist, den Wert des Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen, erfolgt während der Digitalisierung eine Quantisierung, dh das Ersetzen der tatsächlichen Werte des Signals durch ungefähre Werte. Je mehr Audioquantisierungspegel vorhanden sind, desto genauer wird der Signalpegel beschrieben. Infolgedessen trägt jede Standard-CD ein Audiosignal mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz und einem Quantisierungspegel von 16 Bit.


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Unterschiede zwischen analogem und digitalem Audio

Unterschiede zwischen analogem und digitalem Audio

Analog vs Digital

Toninformationen. Schall ist eine Welle, die sich mit sich ständig ändernder Intensität und Frequenz durch Luft, Wasser oder ein anderes Medium bewegt.

Digital vs. Analog

Eine Person nimmt Schallwellen (Luftschwingungen) mit Hilfe des Hörens in Form von Schall unterschiedlicher Lautstärke und Tonhöhe wahr. Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe (Abb. 1.1).

Abhängigkeit von Lautstärke und Tonhöhe des Schalls von der Intensität und Frequenz der Schallwelle.

Das menschliche Ohr nimmt Schall mit einer Frequenz von 20 Schwingungen pro Sekunde (leiser Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (hoher Schall) wahr.

Eine Person kann Schall in einem weiten Bereich von Intensitäten wahrnehmen, bei denen die maximale Intensität 1014-mal höher ist als die minimale (einhunderttausend Milliarden Mal). Eine spezielle Einheit von “Dezibel” (dbl) wird verwendet, um die Lautstärke zu messen (Tabelle 5.1). Das Verringern oder Erhöhen der Schalllautstärke um 10 dB entspricht einer 10-fachen Verringerung oder Erhöhung der Schallintensität.

Provisorischer Diskretisierungston. Damit ein Computer Ton verarbeiten kann, muss ein kontinuierliches Audiosignal mithilfe von Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden. Eine kontinuierliche Schallwelle ist in separate kleine Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert für die Schallintensität festgelegt.

Daher wird die kontinuierliche Abhängigkeit der Lautstärke des Schalls zum Zeitpunkt A (t) durch eine diskrete Folge von Lautstärkepegeln ersetzt. In der Grafik scheint dies eine glatte Kurve durch eine Folge von “Schritten” zu ersetzen (Abb. 1.2).

Audio-Sampling synchronisieren

Abtastfrequenz. Ein an die Soundkarte angeschlossenes Mikrofon wird verwendet, um analogen Ton aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln. Die Qualität des erhaltenen digitalen Klangs hängt von der Anzahl der Messungen des Schallpegels pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz. Je mehr Messungen in 1 Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastrate), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des Dialogsignals.

Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Schallvolumenmessungen in einer Sekunde.

Die Audio-Abtastrate kann zwischen 8000 und 48000 Schallvolumenmessungen pro Sekunde variieren.

Audio-Codierungstiefe. Jedem “Schritt” wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautstärkepegel können als eine Reihe möglicher Zustände N angesehen werden, für die eine bestimmte Menge an Informationen I erforderlich ist, die als Audiocodierungstiefe bezeichnet wird.

Die Audiocodierungstiefe ist die Informationsmenge, die zum Codieren der diskreten Lautstärkepegel von digitalem Audio erforderlich ist.

Wenn die Codiertiefe bekannt ist, kann die Anzahl der digitalen Audio-Lautstärkepegel unter Verwendung der Formel N = 2I berechnet werden. Lassen Sie die Audiocodierungstiefe 16 Bit betragen, dann beträgt die Anzahl der Lautstärken:

N = 2I = 216 = 65536.

Während des Codierungsvorgangs wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen. Der niedrigste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.

Die Qualität des digitalisierten Klangs. Je höher die Abtastfrequenz und -tiefe des Klangs ist, desto besser klingt der digitalisierte Klang. Die niedrigste Qualität des digitalisierten Tons, die der Qualität der Telefonkommunikation entspricht, wird mit einer Abtastrate von 8000 Mal pro Sekunde, einer Abtastrate von 8 Bit und durch Aufzeichnen einer Audiospur (“Mono” -Modus) erhalten. Die höchste Qualität des digitalisierten Klangs, die der Qualität einer Audio-CD entspricht, wird mit einer Abtastrate von 48.000 Mal pro Sekunde, einer Abtastrate von 16 Bit und der Aufnahme von zwei Audiospuren (Stereomodus) erreicht. .

Es ist zu beachten, dass das Informationsvolumen in der Audiodatei umso größer ist, je höher die Qualität des digitalen Klangs ist. Sie können das Informationsvolumen in einer digitalen Stereo-Sounddatei mit einer Dauer von 1 Sekunde und einer durchschnittlichen Klangqualität (16 Bit, 24.000 Messungen pro Sekunde) schätzen. Dazu muss die Codierungstiefe mit der Anzahl der Messungen in 1 Sekunde multipliziert und mit 2 multipliziert werden (Stereoton):

16 Bit × 24.000 × 2 = 768.000 Bit = 96.000 Byte = 93,75 KB.

Sound-Editoren. Mit Sound-Editoren können Sie Sound nicht nur aufnehmen und wiedergeben, sondern auch bearbeiten. Digitalisierter Sound wird in Soundeditoren visuell dargestellt, sodass das Kopieren, Verschieben und Löschen von Teilen der Audiospur problemlos mit der Maus ausgeführt werden kann. Sie können auch Spuren überlagern

Audiokodierung und -verarbeitung.

Audiokodierung und -verarbeitung.

MP3 audio encoding process

Parameter, die die digitale Klangqualität beeinflussen Minimale und maximale Klangqualität

Audio encoding and processing

Mein Großvater hörte ein Grammophon. Die Jugend meines Vaters wandte sich der Musik zu, die aus dem Lautsprecher eines Tonbandgeräts kam. Die Blütezeit und der Niedergang der Kassettenrekorder fielen auf meine Jugend. Mein Sohn wächst im Zeitalter des digitalen Audios auf. Um auf dem Laufenden zu bleiben und meinem Sohn einen guten “Klang” zu verleihen, habe ich mich entschlossen herauszufinden, was die Qualität der digitalen Audiosignalwiedergabe bestimmt.

Ich sprach mit meinen musikliebenden Freunden. Er hat eine Informationssuche im Internet durchgeführt. Als Ergebnis kam ich zu dem Schluss, dass im digitalen Zeitalter ein qualitativ hochwertiger Klang erzielt werden kann, indem die richtigen 7 Grundelemente moderner Musikzentren ausgewählt werden:

das Format, in dem die Musik aufgenommen wird;
Spieler;
Digital-Analog-Wandler;
Verstärker;
Akustik;
Kabel;
Lebensmittel.

Im Folgenden werde ich meine Beobachtungen und Schlussfolgerungen zum Erreichen qualitativ hochwertiger Tonaufnahmen in digitalen Formaten mitteilen.

Lyrischer Exkurs, Experten müssen nicht lesen.

Kurz gesagt, ich werde erklären, woher digitaler Sound kommt. Während des Aufnahmevorgangs wandelt das Mikrofon mechanische Schwingungen (den Ton selbst) in ein analoges elektrisches Signal um. Ein analoges Signal ähnelt im allgemeinsten Fall einer Sinuskurve, die uns allen seit der High School bekannt ist. Im Zeitalter des analogen Klangs wurde dieses Signal auf verschiedenen Medien aufgezeichnet und dann wiedergegeben.

Mit der Entwicklung der Mikroprozessortechnologie wurde es möglich, Audioinformationen in digitalen Formaten aufzuzeichnen und zu speichern. Diese Formate werden durch einen Analog-Digital-Wandlungsprozess (ADC) erhalten.

Während des ADC wird das analoge Signal (unsere Sinuswelle der High School) diskret (mit anderen Worten, es wird in Stücke geschnitten). In der nächsten Stufe wird das diskrete Signal quantisiert, dh jedem resultierenden Segment der Sinuskurve wird ein digitaler Wert zugewiesen. Im dritten Schritt wird das quantisierte Signal digitalisiert, dh in Form einer Folge von 0 und 1 codiert. In Bezug auf die digitale Tonaufzeichnung werden die Informationen über die Amplitude und Frequenz des Tons digitalisiert.

Zum Aufzeichnen und Speichern digitaler Audioinformationen werden digitale Audioformate verwendet. Das Audioformat wird als eine Reihe von Anforderungen für die digitale Darstellung von Audiodaten verstanden.

Wenn es um die Klangqualität geht, werden digitale Formate in drei Kategorien unterteilt:

Formate ohne zusätzliche Komprimierung (CDDA, DSD, WAV, AIFF usw.);
Verlustfreie komprimierte Formate (FLAC, WavPack, ADX usw.);
Verlustbehaftete Komprimierungsformate (MP3, AAC, RealAudio usw.).

Bei der Wiedergabe von Musik, die in Formaten der ersten und zweiten Kategorie gespeichert ist, wird eine hohe Klangqualität erzielt. In den Formaten der dritten Kategorie werden einige Informationen absichtlich ausgeschlossen, um die Datenmenge zu verringern. Zum Beispiel Informationen über versteckte Frequenzen.

Latente Frequenzen sind solche, die außerhalb des Wahrnehmungsbereichs der durchschnittlichen Person liegen: 20 Hz – 22 kHz. Für Audiophile ist dieser Bereich aufgrund individueller psychophysiologischer Merkmale breiter.

Um Ihre Heim-Audiobibliothek zu vervollständigen, müssen Sie Datensätze auswählen, die in Dateien mit den folgenden Erweiterungen gespeichert sind:

* .wav, * .dff, * .dsf, * .aif, * .aiff sind unkomprimierte Audiodateien;
* .mp4, * .flac, * .ape, * .wma sind die häufigsten verlustfreien komprimierten Audiodateien.
Aus der Geschichte. Sie sagen, dass die ersten Experimente zur Erhaltung des Klangs von den alten Griechen durchgeführt wurden. Sie versuchten, den Ton in Amphoren zu halten. Es sah ungefähr so ​​aus: Worte wurden in die Amphore gesprochen und es wurde schnell versiegelt. Leider hat keine dieser Aufzeichnungen bis heute überlebt.

Die Qualität der digitalen Klangwiedergabe.

Die Qualität der digitalen Klangwiedergabe.

Digital Sound Quality

Audiokodierung. Bevor Sie Musik in ein anderes Format konvertieren, müssen Sie sie in WAV “entpacken”.

SOUND QUALITY

Toninformationen. Schall ist eine Welle, die sich mit sich ständig ändernder Intensität und Frequenz durch Luft, Wasser oder ein anderes Medium bewegt.

Eine Person nimmt Schallwellen (Luftschwingungen) mit Hilfe des Hörens in Form von Schall unterschiedlicher Lautstärke und Tonhöhe wahr. Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe (Abb. 1.1).

Abhängigkeit von Lautstärke und Tonhöhe des Schalls von der Intensität und Frequenz der Schallwelle.

Das menschliche Ohr nimmt Schall mit einer Frequenz von 20 Schwingungen pro Sekunde (leiser Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (hoher Schall) wahr.

Eine Person kann Schall in einem weiten Bereich von Intensitäten wahrnehmen, bei denen die maximale Intensität 1014-mal höher ist als die minimale (einhunderttausend Milliarden Mal). Zur Messung der Lautstärke wird eine spezielle Einheit “Dezibel” (dbl) verwendet (Tabelle 5.1). Das Verringern oder Erhöhen der Schalllautstärke um 10 dB entspricht einer 10-fachen Verringerung oder Erhöhung der Schallintensität.

Die Lautstärke die Lautstärke des
Ton in Dezibel
untere Grenze der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs 0
Blattflüstern 10
Gespräch 60
Gudok Fahrzeug 90
Düsentriebwerk 120
Schmerzschwelle 140

Provisorischer Diskretisierungston. Damit ein Computer Ton verarbeiten kann, muss ein kontinuierliches Audiosignal mithilfe von Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden. Eine kontinuierliche Schallwelle ist in separate kleine Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert für die Schallintensität festgelegt.

Daher wird die kontinuierliche Abhängigkeit der Lautstärke des Schalls zum Zeitpunkt A (t) durch eine diskrete Folge von Lautstärkepegeln ersetzt. In der Grafik scheint dies eine glatte Kurve durch eine Folge von “Schritten” zu ersetzen (Abb. 1.2).

Audio-Sampling synchronisieren

Abtastfrequenz. Ein an die Soundkarte angeschlossenes Mikrofon wird verwendet, um analogen Ton aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln. Die Qualität des erhaltenen digitalen Klangs hängt von der Anzahl der Messungen des Schallpegels pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz. Je mehr Messungen in 1 Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastrate), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des Dialogsignals.

Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Schallvolumenmessungen in einer Sekunde.

Die Audio-Abtastrate kann zwischen 8000 und 48000 Schallvolumenmessungen pro Sekunde variieren.

Audio-Codierungstiefe. Jedem “Schritt” wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautstärkepegel können als eine Reihe möglicher Zustände N angesehen werden, für die eine bestimmte Menge an Informationen I erforderlich ist, die als Audiocodierungstiefe bezeichnet wird.

Die Audiocodierungstiefe ist die Informationsmenge, die zum Codieren der diskreten Lautstärkepegel von digitalem Audio erforderlich ist.

Wenn die Codiertiefe bekannt ist, kann die Anzahl der digitalen Audio-Lautstärkepegel unter Verwendung der Formel N = 2I berechnet werden. Lassen Sie die Audiocodierungstiefe 16 Bit betragen, dann beträgt die Anzahl der Lautstärken:

N = 2I = 216 = 65536.

Während des Codierungsvorgangs wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen. Der niedrigste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.