January 2021 – Page 4

Formate: Was ist digitaler Sound?

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Formate: Was ist digitaler Sound?

Digital Sound

Ton spielt in der modernen Welt eine immer wichtigere Rolle, da er sich längst von der engen Verbindung mit dem Bild getrennt hat, das in der Blütezeit von Fernsehen und Kino entstanden ist.

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Moderne Multimedia-Geräte bieten nicht nur die größten Möglichkeiten zur Wiedergabe, sondern auch zur Klangänderung. Es ist keine tote Aufzeichnung mehr, eine statische Reproduktion von Ereignissen aus der Vergangenheit, die fest auf ihrem Medium eingeprägt sind. Die wichtigste Rolle bei der Transformation unserer Vorstellungen von Ton spielte die Entwicklung einer digitalen Methode zur Aufzeichnung von Ton, die in einen Datenstrom umgewandelt wurde, der mit modernen Geräten einfach und natürlich betrieben werden kann.

Die Grundlagen von “Zahlen”

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 normalerweise 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 (Platte oder Kassette), das Aufzeichnungsverfahren, die Codierungsprinzipien und den Schutz vor Fehlern umfasst. Zweitens kann das Format nur als das Verfahren der Audiokodierung und -komprimierung verstanden werden, da Standardmittel zum Übertragen verwendet werden, zum Beispiel

Analoger Ton wird im Gegensatz zu digitalem auf analogen Geräten wiedergegeben und weist eine Reihe signifikanter Unterschiede auf. Analoges Audio ist zwar kein Datenstrom, wird jedoch als kontinuierliches elektrisches Signal dargestellt, das eine 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 generiert eine große Datenmenge, die 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 Speicherbeschränkungen eines 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 16-Bit-Quantisierungspegel, und bei einigen Geräten erfolgt die Abtastung bei 48 kHz.

Die Vorteile von digitalem Audio

Und nun kurz, warum dieser Algorithmus entwickelt wurde. Digitaler Sound hat enorme Vorteile gegenüber analogem, obwohl wir seine gewissen Nachteile nicht vergessen dürfen. Der Hauptwert des digitalen Klangs ist die Möglichkeit einer unendlich langen Speicherung und Wiedergabe

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Von analog zu digital und umgekehrt

Von analog zu digital und umgekehrt

Heutzutage sind fast 99% der Tonaufzeichnungs-, Tonwiedergabestudio- und Musiksynthesizer digitale Geräte.

Jeder weiß, dass selbst ein typischer Heim-CD-Player einen Digital-Analog-Wandler verwendet und dass Musik auf CDs in 16-Bit-Zahlen geschrieben wird. Sowohl der Originalton als auch das Musikmaterial (Stimme, klassische Musikinstrumente, E-Gitarren usw.) und die Tonausgabe Ihres Musikzentrums sind analoge Signale, keine digitalen Signale. Für die heutige Aufnahmeindustrie besteht der Schlüssel daher darin, analoge Signale in digitale und digitale Daten in analoge Audiosignale umzuwandeln. Versuchen wir herauszufinden, wie diese Transformationen stattfinden. Das analoge Signal stellt einen kontinuierlichen Prozess in Zeit und Amplitude dar, und seine digitale Darstellung ist eine Folge oder Reihe von Zahlen, die aus einer endlichen Anzahl von Bits besteht. Die Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal besteht aus zwei Stufen: Zeitabtastung und Amplitudenquantisierung. Zeitabtastung bedeutet, dass das Signal durch eine Reihe seiner Abtastwerte dargestellt wird, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden. Wenn wir beispielsweise sagen, dass die Abtastrate 44,1 kHz beträgt, bedeutet dies, dass das Signal 44100 Mal pro Sekunde gemessen wird. Das Hauptproblem in der ersten Stufe der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal (Digitalisierung) ist die Wahl der Abtastfrequenz des analogen Prozesses. Die Antwort gibt der bekannte Nyquist-Satz, der besagt, dass für ein analoges Signal (zeitlich kontinuierlich), das den Frequenzbereich 0 Hz bis F Hz einnimmt, aus seinen Abtastwerten mit absoluter Präzision die Frequenz von rekonstruiert werden soll Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Audiofrequenz F. Wenn das tatsächliche analoge Signal, das in ein digitales Format konvertiert werden soll, Frequenzkomponenten von 0 Hz bis 20 kHz enthält, ist die Abtastfrequenz dieses Signals es sollte nicht weniger als 40 kHz sein. Schauen wir uns genauer an, was mit einem analogen Signal und seinem Spektrum beim Abtasten passiert.

Während der Abtastung ändert sich das Frequenzspektrum erheblich. Das ursprüngliche analoge Signal hat tendenziell ein Spektrum, das hauptsächlich im Frequenzband von 20 Hz bis etwa 20 kHz konzentriert ist, da die üblichen Tonabnehmer und Mikrofone, aus denen es entnommen wird, ungefähr diesen Frequenzgang haben. Darüber hinaus enthält das Signal häufig Interferenzen mit Frequenzen von bis zu mehreren hundert Kilohertz. Dies sind verschiedene “Transporter”, die schwer von Computergeräten, Industrie- und Elektrogeräten, Straßenbahnen, Oberleitungsbussen usw. zu entfernen sind. Nach dem Abtasten ist das Signal eine sequentielle Zeitreihe sehr enger Impulse mit unterschiedlichen Amplituden und einem sehr breiten Spektrum von bis zu mehreren Megahertz (eine mathematische Tatsache: Je schmaler der Impuls, desto breiter sein Spektrum). Daher dehnt sich das Spektrum einer solchen Pulssequenz im Allgemeinen auf mehrere Megahertz aus. Daher ist das Spektrum des abgetasteten Signals viel breiter als das Spektrum des ursprünglichen analogen Signals. Schauen wir uns genauer an, wie dieses neue breite Spektrum aufgebaut ist. Es gibt zwei wichtige Prozesse. Erstens erstreckt sich die “Faltung” des gesamten ursprünglichen Spektrums des analogen Signals von ungefähr 20 Hz bis zu mehreren hundert Kilohertz innerhalb des Frequenzbandes von 0 Hz bis zur Hälfte der Abtastfrequenz.

Faltung bedeutet, dass alle Komponenten des ursprünglichen analogen Signals mit Frequenzen über der Hälfte der Abtastrate (und dies ist meist unhörbares Rauschen) in den für das menschliche Ohr hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis ” Die durchschnittliche Abtastfrequenz “Hz”, dh unhörbare Störungen werden hörbar, und daher kann sich das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern. All dies scheint sehr ungewöhnlich, um nicht zu sagen, dass es sogar dem gesunden Menschenverstand widerspricht! Es stellt sich heraus, dass Hochfrequenzsignale mit Frequenzkomponenten abgetastet werden, die deutlich höher sind als nicht nur die Hälfte der Abtastrate, sondern auch die Abtastrate selbst. Auf den ersten Blick widerspricht dies sogar dem oben erwähnten Nyquist-Theorem. Aber schauen wir uns Abb. 4 an. Es zeigt den Prozess des Abtastens eines hochfrequenten sinusförmigen Signals mit mehr als dem Zweifachen seiner Abtastfrequenz.

Psychoakustik – Highlights

Psychoakustik – Highlights

Psychoacoustics

Die Psychoakustik befasst sich mit der Untersuchung der Wahrnehmungsmechanismen auditorischer Informationen und ihrer Interpretation durch das menschliche Gehirn.

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Die im Rahmen verschiedener Studien in diesem Bereich erzielten Ergebnisse dienten als Grundlage für die Entwicklung zahlreicher Technologien, die unser Leben in vielerlei Hinsicht verändert haben. Zu den auffälligsten Beispielen gehören mehrere Audio-Codecs wie der bekannte MP3. Internet-Telefonie (Skype) und sogar Mobilkommunikation verdanken ihre breite Verbreitung auch der Forschung auf dem Gebiet der Psychoakustik.

DF-Mechanismus
Um Schallquellen im Raum zu lokalisieren und ausschließlich das auditorische System zu verwenden, wendet das menschliche Gehirn mehrere Grundprinzipien an, die es mit genügend Informationen versorgen, um bestimmte Schlussfolgerungen zu ziehen und eine bestimmte Entscheidung zu treffen. Die Hauptbedingung hierfür ist das Vorhandensein von zwei separaten diskreten Empfängern, die die Ohren des Hörers sind.

Mechanismen der Psychoakustik

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der sich die Schallquelle links vom Hörer befindet, um die Funktionsweise deutlicher zu veranschaulichen.

Zeitfaktor – ITD (interaurale Zeitdifferenz)
Das akustische Signal von der Schallquelle erreicht das rechte Ohr etwas später als das linke, da dieses näher an der Schallquelle liegt. Dieser Abstand (12-17 cm, abhängig von der Größe des Kopfes) reicht aus, damit das Gehirn die resultierende Zeitverzögerung zwischen zwei diskreten Rezeptoren aufzeichnet.

Intensitätsfaktor – IID (Interauraler Intensitätsunterschied)
Der Schalldruck direkt am Trommelfell des linken und rechten Ohrs ist geringfügig unterschiedlich, je nachdem, welcher näher an der Schallquelle liegt. Der Schalldruck am Trommelfell des linken Ohrs ist etwas höher als der des rechten. Dieser Unterschied gibt die Richtung der Schallquelle an.

Spektralfaktor
Die Spektralkomponente des akustischen Signals, das das linke und rechte Ohr erreicht, unterscheidet sich auch in Abhängigkeit von der Position der Schallquelle. Besonders hohe Frequenzen werden aufgrund der kurzen Wellenlänge vom Kopf abgeschattet und verlieren Energie. In Situation A enthält das akustische Signal, das das rechte Ohr des Hörers erreicht, im Hochfrequenzbereich etwas weniger Energie als das linke.

Die Kombination der oben genannten Prinzipien ermöglicht es uns, uns im Ohrraum zu orientieren und spielt eine wichtige Rolle bei der Lokalisierung von Schallquellen im Raum. Jedes Mal, wenn wir etwas hören, führt unser Gehirn unwillkürlich eine Analyse durch und wir bestimmen leicht und ohne nachzudenken die Richtung, aus der der Ton kommt.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in der YourSoundPath-Videoserie, die speziell diesem Thema gewidmet ist.

Der Mechanismus zur Bestimmung des Abstands von der Schallquelle und der Eigenschaften des Raums.
Um den Abstand von der Schallquelle zu bestimmen, verwendet das Hörsystem andere Methoden. Hier geht es hauptsächlich darum, die Beziehung zwischen dem Anteil der direkten Signalenergie und dem Anteil der reflektierten Energie zu bestimmen. Je mehr Reflexionen im akustischen Signal die Ohren des Hörers erreichen, desto weiter ist die Schallquelle entfernt. In diesem Fall ist dieses Verfahren bei Erreichen eines bestimmten Radius, ab dem das Reflexionsverhältnis über der Energie des Direktsignals herrscht, nicht mehr wirksam.

Durch die Analyse des Zeitintervalls zwischen dem direkten Signal und seinen Reflexionen kann das Gehirn Rückschlüsse auf den Abstand von einer reflektierenden Oberfläche, beispielsweise einer Wand, und deren akustischen Eigenschaften, beispielsweise dem Material (Beton, Glas, Teppich) ziehen. und die Oberflächenstruktur (glatt, ungleichmäßig) usw. Dies wird auch durch die Spektralanalyse der Reflexionen und ihrer Dichte erleichtert. Je diffuser sie sind, desto heterogener sollte die reflektierende Oberfläche sein, von der sie reflektiert werden.

Audio-Codecs

Audio-Codecs

Audio Codec

Codecs spielten gleichzeitig, wenn nicht sogar als Schlüssel, eine sehr wichtige Rolle bei der Entwicklung von Technologien im Bereich des digitalen Klangs.

Audio Codecs

Die rasche Verbreitung von Mobilkommunikation, Internettelefonie und tragbaren Playern – all dies sind Beispiele für die Verwendung von Codecs. Nur dank seiner Erfindung und Implementierung war es möglich, Audioinformationen über Kanäle zu übertragen, deren Bandbreite damals sehr begrenzt war. Dieses Problem könnte gelöst werden, indem die Kapazität aller Übertragungskanäle erhöht wird, was eine unglaubliche Materialinvestition bedeuten würde, die mit dem Umbau und dem Austausch der meisten Elemente der vorhandenen Infrastruktur verbunden ist, oder indem ein Algorithmus entwickelt wird, mit dem die Datenmenge erheblich reduziert werden kann. resultierend aus der Analog-Digital-Wandlung und damit in der Lage sein, die vorhandene Infrastruktur zu nutzen. Der zweite Weg war viel vernünftiger.

Was sind Codecs?
Ein Codec ist ein Algorithmus, der in der Regel auf dem einen oder anderen psychoakustischen Modell basiert, das weiter unten erläutert wird, und zwei Module enthält: einen Codierer und einen Decodierer.

Der Encoder codiert digitales Audio in einen Datenstrom, dessen Lautstärke im Vergleich zur ursprünglichen Lautstärke des Rohmaterials erheblich geringer ist. Abhängig vom verwendeten Codec und den Codierungsparametern ist es möglich, ein optimales Gleichgewicht zwischen der Klangqualität und dem gewünschten Datenvolumen zu erreichen.

Um den auf diese Weise codierten Ton wiederzugeben, ist jedoch ein Decoder erforderlich, dessen Aufgabe es ist, den digitalen Audiostream zurück in das Standardformat (PCM) zu decodieren.

Codecs und ihre Familien
Im Allgemeinen können alle Codecs, von denen es derzeit sehr viele gibt, in zwei Kategorien unterteilt werden:

Ratlos
Wie oben erwähnt, basieren die Codecs im Wesentlichen auf dem einen oder anderen psychoakustischen Modell, das bestimmt, welche Audioinformationen für unser Gehirn nicht wichtig sind und geopfert und verworfen werden können, wodurch die Datenmenge verringert wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass beim Decodieren der Übertragung die verlorenen Audioinformationen nicht wiederhergestellt werden können. Das Komprimierungsverhältnis kann bis zu 90% des ursprünglichen Datenvolumens erreichen, während für die meisten normalen Benutzer eine zufriedenstellende Klangqualität erhalten bleibt. Die bekanntesten Vertreter dieser Familie sind die bekannten und vielleicht häufigsten MP3- und WMA-Vertreter.

Kein Verlust
In diesem Fall erfolgt die Codierung ohne Datenverlust, sodass alle Informationen im ursprünglichen Audiosignal nach dem Decodierungsprozess vollständig wiederhergestellt werden können. Der Grad der Datenkomprimierung, der mit diesen Codecs erreicht werden kann, ist jedoch viel geringer als der der Lossy-Codec-Familie. Im Allgemeinen ist abhängig von den Codierungsparametern eine Komprimierung von bis zu 60% des ursprünglichen Volumens möglich. Die beliebtesten Codecs der Lossless-Familie sind FLAC, APE und Apple Lossless auf der Apple-Plattform.

Es ist zu beachten, dass die überwiegende Mehrheit der Videoformate auch komprimiertes Video und Audio enthält. Formate wie Dolby Digital, DTS und ihre Varianten sind nichts anderes als Codecs. Ohne einen geeigneten Decoder ist es nicht möglich, die Audiodaten zu lesen. In diesem Fall ertönt maximales weißes Rauschen. Daher müssen Sie darauf achten, Ihre eigenen Ohren und Geräte nicht zu beschädigen.

Codierungsoptionen
Die Codierungsparameter bestimmen die Qualität des resultierenden Sounds und die Datenmenge in der resultierenden Datei. Eine aggressivere Komprimierung verringert die Klangqualität und verringert die Datenmenge, dh erhöht das Komprimierungsverhältnis. Abhängig vom verwendeten Algorithmus kann sich das Ergebnis bzw. die Klangqualität erheblich unterscheiden, selbst wenn dieselben Codierungsparameter verwendet werden.

Eine der wichtigsten ist die Datenflussrate pro Zeiteinheit: kbps (Kilobit pro Sekunde, Anzahl der Kilobit pro Sekunde). Je höher dieser Parameter ist, desto weniger aggressiv ist die Datenkomprimierung. Als Faustregel gilt, dass für Codecs der Lossy-Familie die optimalen Werte 192 bis 320 kbps betragen. Wenn niedrigere Werte verwendet werden, wird der Qualitätsverlust signifikanter und wird selbst von normalen Benutzern bemerkt, die keine besonderen Rechte auf Klangqualität haben.

Psychoakustische Codecs und Modelle
Die überwiegende Mehrheit der Audio-Codecs basiert auf psychoakustischen Algorithmen, die die Einschränkungen des menschlichen Hörsystems nutzen. Diese Prinzipien basieren auf Forschungen auf dem Gebiet der Psychoakustik, zu deren wichtigsten Schlussfolgerungen der Maskierungseffekt gehört.