Wie Ton codiert wird


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Wie Ton codiert wird

How sound is encoded

Schall ist eine Welle, die sich häufiger in Luft, Wasser oder einem anderen Medium mit einer sich ständig ändernden Intensität und Frequenz ausbreitet.

How sound is encoded

Eine Person kann Schallwellen (Luftschwingungen) mit Hilfe des Hörens in Form von Schall wahrnehmen und dabei zwischen Lautstärke und Tonhöhe unterscheiden.

Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe.

Wir haben zuvor ausführlicher über die menschliche Wahrnehmung von Geräuschen geschrieben. Sie können sie hier lesen.

Wie Audio codiert wird (digitale Codierung und Audioverarbeitung)
Abhängigkeit der Lautstärke sowie des Tons von der Intensität und Frequenz der Schallwelle.

Hertz (bezeichnet mit Hz oder Hz) ist eine Maßeinheit für die Frequenz periodischer Prozesse (z. B. Schwingungen).
1 Hz bedeutet eine Ausführung des Prozesses in einer Sekunde: 1 Hz = 1 / s.

Wenn wir 10 Hz haben, bedeutet dies, dass wir zehn Ausführungen dieses Prozesses in einer Sekunde haben.

Das menschliche Ohr kann Schall mit Frequenzen von 20 Schwingungen pro Sekunde (20 Hertz, leiser Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (20 KHz, hoher Schall) wahrnehmen.

Darüber hinaus kann eine Person 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 Schalllautstärke wurde eine spezielle Einheit von “Dezibel” (dB) erfunden und verwendet.

Eine Abnahme oder Zunahme der Schalllautstärke um 10 dB entspricht einer 10-fachen Abnahme oder Zunahme der Schallintensität.

Charakteristischer Klang Lautstärke gemessen in Dezibel
Untergrenze der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs 0
Blatt flüstert zehn
Gespräch 60
Horn 90
Düsentriebwerk 120
Schmerzschwelle 140

Lautstärke in Dezibel

Audio-Sampling synchronisieren

Damit Computersysteme Ton verarbeiten können, muss ein kontinuierliches Audiosignal durch Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden.

Dazu wird eine kontinuierliche Schallwelle in separate kleine Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert der Schallintensität eingestellt.

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.

Wie Audio codiert wird (digitale Codierung und Audioverarbeitung)
Audio-Sampling synchronisieren

Ein an die Soundkarte angeschlossenes Mikrofon wird verwendet, um analoges Audio aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln.

Je dichter die einzelnen Streifen auf der Grafik sind, desto besser ist es, den Originalton endgültig wiederherzustellen.

Die resultierende digitale Klangqualität hängt von der Anzahl der Schallpegelmessungen pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz.

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

Je mehr Messungen in einer Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastfrequenz), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des analogen Signals.

Jedem “Schritt” des Diagramms wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautheitspegel können als eine Reihe möglicher N-Zustände (Abstufungen) betrachtet werden, für deren Codierung eine bestimmte Menge an I-Informationen erforderlich ist, die als Audiocodierungstiefe bezeichnet wird.

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

Bei bekannter Codierungstiefe kann die Anzahl der digitalen Audio-Lautstärkepegel nach der allgemeinen Formel N = 2 I berechnet werden.

Die Audiocodierungstiefe beträgt beispielsweise 16 Bit. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Lautstärkepegel:

N = 2I = 2 16 = 65 536.

Während des Codierungsprozesses wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen, der kleinste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.

Digitalisierte Audioqualität

Je höher die Abtastrate und die Tiefe der Audiokodierung sind, desto besser klingt der digitalisierte Ton und desto besser können Sie den digitalisierten Ton näher an den Originalton bringen.

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.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass zur Verbesserung dieses Klangs in der Telefonie Geräte verwendet werden, die Sprachsynthesizern und Sprachcodierern ähneln. Über Sprachcodierer auch dieser Artikel


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Digitale Audiokodierung

Digitale Audiokodierung

Digital audio encoding

Um Schallschwingungen in digitaler Form darzustellen, wird die Amplitude des Schallsignals zu jedem bestimmten Moment des Schalls gemessen.

DIGITAL AUDIO ENCODING

Da die Wellenform des Schalls von Natur aus kontinuierlich ist, ist es für seine genaue digitale Anzeige erforderlich, die Amplitude unendlich oft pro Sekunde zu messen und die Amplitudenskala durch eine unendliche Anzahl von Abstufungen zu teilen. In der Realität liegt die Anzahl der Messungen pro Sekunde (Abtastrate) typischerweise zwischen 10.000 und 96.000. Derzeit sind die häufigsten Abtastraten 44100 Hz (der Standard für CD-Audio) und 48000 Hz (der Hauptstandard für CD-Audio). DAT). Die Anzahl der Amplitudenabstufungen (Auflösung) wird im Allgemeinen gleich 28, 216 oder 224 angenommen (abhängig von der Anzahl der für diese Informationen zugewiesenen Bits).

Natürlich ist eine Verzerrung beim Abtasten eines kontinuierlichen Signals unvermeidbar. Je niedriger die Abtastrate und / oder Auflösung ist, desto näher liegt die Ausgangswellenform am Rechteck. In diesem Fall treten Hochfrequenzverzerrungen auf, die teilweise durch am DAC-Ausgang installierte Filter unterdrückt werden.

Digitalisiertes Audio benötigt viel Speicher. Bei einer Standard-Abtastrate von 44100 Hz und einer Auflösung von 16 Bit würde das Audiomaterial (Stereo) für eine Minute 10.584.000 Byte (ungefähr 10,09 MB) betragen. Außerdem werden die Audiodateien von Standardarchivprogrammen (zip, arj usw.) sehr schlecht komprimiert. Daher gibt es spezielle Komprimierungsalgorithmen für sie. Beispielsweise benötigt eine mit ADPCM komprimierte WAV-Datei etwa viermal weniger Speicherplatz. Es kann jedoch zu Verzerrungen kommen. Daher ist es besser, bei der professionellen Arbeit keine Audiokomprimierungsalgorithmen zu verwenden.

MP3 codieren

MP3 codieren

encoding mp3

Was ist Maskierung?

mp3 encoding

 

Der verlustbehaftete MP3-Audiokomprimierungsalgorithmus verwendet eine Einschränkung der menschlichen Hörwahrnehmung, die als auditive Maskierung bezeichnet wird. 1894 berichtete der amerikanische Physiker Alfred M. Mayer, dass ein Ton durch einen anderen Ton mit niedrigerer Frequenz unhörbar gemacht werden könnte. 1959 beschrieb Richard Amer einen vollständigen Satz von Hörkurven, die mit diesem Phänomen zusammenhängen. Zwischen 1967 und 1974 arbeitete Eberhard Zwicker an der Abstimmung und Maskierung kritischer Frequenzbänder, die wiederum auf der Grundlagenforschung von Harvey Fletcher und seinen Mitarbeitern bei Bell Labs in diesem Bereich aufbauten. Perceptual Coding wurde erstmals 1966 verwendet, um die Sprachcodierung mit Linear Prediction Coding (LPC) zu komprimieren, die ihren Ursprung in den Werken Fuminada Itakura (Nagoya University) und Shuji Saito (von Nippon Telegraph and Telephone) hat. 1978 schlugen Bishnu S. Atal und Manfred R. Schroeder von Bell Labs einen LPC-Sprachcodec vor, der als adaptive prädiktive Codierung bezeichnet wird. , die einen psychoakustischen Codierungsalgorithmus unter Verwendung der Maskierungseigenschaften des menschlichen Ohrs verwendeten. Die weitere Optimierung von Schroeder und Atal mit J.L. Hall wurde später in einem Artikel von 1979 beschrieben. Im selben Jahr wurde M.A. Krasner schlug einen psychoakustischen Maskierungscodec vor, der Hardware für Sprache veröffentlichte und produzierte (nicht zum Komprimieren von Musikstücken verwendet), aber die Veröffentlichung seiner Ergebnisse in einem relativ undurchsichtigen technischen Bericht des Lincoln Laboratory hatte keinen unmittelbaren Einfluss auf den Mainstream des Entwicklung psychoakustischer Codecs. Die von Nasir Ahmed 1972 vorgeschlagene diskrete Cosinustransformation (DCT), eine Art Transformationscodierung für verlustbehaftete Komprimierung, wurde 1973 von Ahmed mit T. Natarajan und KR Rao entwickelt. veröffentlichten ihre Ergebnisse 1974. Dies führte zur Entwicklung der Modified Discrete Cosine Transform (MDCT), die JP Princen, AW Johnson und AB Bradley 1987 nach früheren Arbeiten von Princen und Bradley 1986 vorgeschlagen hatten. MDCT wurde später der Hauptteil des MP3-Algorithmus. Ernst Terhardt et al. Entwickelten 1982 einen Algorithmus, der die auditive Maskierung mit hoher Präzision beschreibt. Diese Arbeit ergänzt viele Berichte von Autoren, die auf Fletcher zurückgehen, sowie Arbeiten, die ursprünglich kritische Verhältnisse und kritische Bandbreite definiert haben. 1985 führten Atal und Schroeder Code Excited Linear Prediction (CELP) ein, einen LPC-basierten Algorithmus für die auditive Maskierung der Wahrnehmungs-Sprachcodierung, der für seine Zeit einen signifikanten Grad an Datenkomprimierung erreichte. Die von Experten begutachtete IEEE-Zeitschrift “Favorite Communications” berichtete 1988 über eine Vielzahl von Audiokomprimierungsalgorithmen (hauptsächlich Wahrnehmungsalgorithmen). Die Februarausgabe 1988 von Voice Coding for Communication berichtete über eine Vielzahl von Audiokomprimierungsalgorithmen bitbasiert etabliert und betriebsbereit. Technologien, von denen einige die auditive Maskierung als Teil ihres Kerndesigns verwenden und einige Echtzeit-Hardware-Implementierungen zeigen. – https://ru.qaz.wiki/wiki/MP3

Ist Vinyl besser als digitale Audioformate?

Ist Vinyl besser als digitale Audioformate?

Vinyl vs Digital

Echte Musikfans wollen die beste Klangqualität für ihre Lieblingsalben und -aufnahmen, und mit der Rückkehr von Vinyl hat sich die Debatte darüber, welche besser ist (CD gegen Vinyl, Digital gegen Analog), nur verschärft.

Vinyl Vs. Digital

Viele Menschen schätzen Vinyl nicht nur wegen seiner sauberen Wiedergabefähigkeit und des Mangels an digitaler Tonverarbeitung während der Wiedergabe, sondern auch wegen der Tatsache, dass eine Schallplatte auf einem Plattenteller installiert wird und die Schallplatte in Ihren Händen gehalten werden kann.

Heutzutage ist es möglich, Titel so oft abzuspielen, wie Musiker sie aufnehmen. Sie nehmen Musik mit Frequenzen über der Standard-CD-Aufnahmerate von 44,1 kHz (96 kHz oder 192 kHz) auf, um eine bessere Klangqualität zu erzielen. Viele Leute in der Audioindustrie sagen, dass sie eine spürbare Qualitätsverbesserung bei höheren Abtastraten als bei CDs feststellen können, weshalb sie es vorziehen, hochauflösende Musik zu hören.

Wenn Plattenspieler Vorrang vor anderen Formaten haben

Es gibt einen Grund, warum die Vinyl-Wiederbelebung stattgefunden hat. Ja, es gibt einen gewissen Reiz, wenn Sie eine Aufnahme in Ihren Händen halten können, der sich von der Auswahl digitaler Spuren auf dem Bildschirm unterscheidet. Es gibt aber auch das Argument, dass Vinyl besser klingt als digitale Aufnahmen, genau wie es der Musiker beabsichtigt hat. Der Hauptunterschied zwischen einer Schallplatte und einer CD und MP3 besteht darin, dass die Aufnahme auf der Schallplatte analog ist. Es handelt sich um eine physikalische Aufzeichnung, die durch ein kontinuierliches elektrisches Signal dargestellt wird, das eine Änderung der Schallwelle widerspiegelt, die vollständig mit dem Originalton übereinstimmt.

Im Gegensatz zu Vinyl werden die meisten digitalen Formate während der Aufnahme und Wiedergabe komprimiert, um die Dateigröße zu minimieren. Dies macht es ideal für verschiedene Geräte und kann problemlos über das Internet gestreamt werden. Die meisten Streaming-Dienste sind ohne Audiokomprimierungstechnologie einfach nicht realisierbar.

Beim Komprimieren verlieren Audiodateien nicht nur an Größe, sondern auch an Klangqualität. Dies bedeutet, dass der Hörer die kleinsten Klangdetails verliert, die der Musiker bei der Aufnahme dieses Titels vermitteln wollte. Für den durchschnittlichen Hörer mag dies keine Rolle spielen, aber für Musikliebhaber ist es völlig inakzeptabel, diese Klangtiefe zu verlieren.

In beiden Fällen, analog oder digital, beginnt guter Ton jedoch immer mit einer guten Aufnahme und wie der Toningenieur sie erstellt hat. Wenn von Anfang an Fehler gemacht wurden, kann dies während der Wiedergabe nicht korrigiert werden.

Vinyl sorgt für einen wärmeren, lebendigeren Klang

Vinylfans sprechen immer über die “Wärme”, die sie von klassischen Platten erhalten. Dies ist keine Nostalgie, sondern ein sehr reales Klangphänomen. Laut Toningenieur Adam Gonsalves bietet Vinyl Ihren Ohren einen angenehmeren und wärmeren Klang. Dies macht sich besonders beim Hören klassischer Rockkünstler wie den Beatles, Led Zeppelin oder Pink Floyd bemerkbar.

In den 1990er Jahren hatten Plattenlabels Mühe, ihre Platten von den anderen abzuheben. Zu diesem Zweck wurde der Sound mit speziellen Programmen für eine höhere Sättigung verarbeitet und komprimiert. Diese digitale Klangverarbeitung hat jedoch nicht nur die Lautstärke erhöht, sondern auch die Klangqualität spürbar beeinträchtigt. Im Vergleich zu diesen verarbeiteten Tracks ist Vinyl viel sauberer und besser.

Wenn digitale Formate gewinnen

Es gibt eine wichtige Einschränkung, dass Vinyl unter bestimmten, aber nicht allen Umständen besser klingt, insbesondere wenn moderne Musik im Studio digital aufgenommen wird. In diesem Fall unterscheiden sich die Klangqualität von Alben, die auf Vinyl und digital veröffentlicht wurden, kaum oder gar nicht. Darüber hinaus gibt es hochauflösende digitale Audioformate und SACD-Formate (Super Audio CD), die die Klangqualität von Vinyl übertreffen.

In Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit übertreffen digitale Formate Vinyl. Das Streamen von Musik von Ihrem Smartphone oder Mobilgerät ist unendlich einfacher und bequemer als das Einlegen einer Disc und das Umblättern der Disc alle drei bis vier Songs.

Letztendlich ist es Sache jedes Hörers, zu entscheiden, was am wichtigsten ist: die hohe Klangqualität von Schallplatten oder die Bequemlichkeit digitaler Formate.

Wenn Sie Ihre klassischen Lieblingskomponisten genau so hören möchten, wie es die Musiker und Tontechniker vermitteln wollten, ist Vinyl genau das Richtige für Sie. Schauen Sie sich noch heute Denon-Plattenspieler, -Verstärker und andere HiFi-Komponenten an, um Ihre Reise zu echtem Sound zu beginnen.