January 2021 – Page 6

Abtastrate und Bittiefe

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Abtastrate und Bittiefe

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Bei der Beschreibung digitaler Aufzeichnungsgeräte werden zwei grundlegende Konzepte verwendet: Abtastrate und Bittiefe. In diesem Artikel werden wir sehen, was es ist.

Abtastrate
Die Abtastrate ist die Rate, mit der der Logger Abtastwerte des Eingangssignals erfasst. Bei der Aufnahme von Ton in digitaler Form werden tatsächlich einzelne Samples oder mit anderen Worten Werte der Schallintensität zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichnet.

Die Abtastrate für Aufzeichnungsgeräte beträgt normalerweise die folgenden Standardwerte: 44,1 kHz; 48 kHz und 96 kHz. Je höher die Samplerate, desto mehr Samples werden in 1 Sekunde aufgenommen und desto besser wird die digitale Klangqualität.

Was bedeuten diese Zahlen? Sie bedeuten, wie oft der Rekorder den Schallintensitätswert pro Sekunde aus dem Eingangssignal liest. Die Abtastrate wird in Kilohertz (kHz) gemessen, 1 kHz = 1000 Abtastungen pro Sekunde.

Wenn die Aufzeichnung beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 48 kHz erfolgt, bedeutet dies, dass der Tonrekorder den Schallintensitätswert 48.000 Mal pro Sekunde misst und aufzeichnet.

Diese Zahl mag unvorstellbar groß erscheinen, aber hier ist das Phänomen der Nyquist-Frequenz eine Erinnerung wert. Die Nyquist-Frequenz ist nach der Person benannt, die sie zuerst entdeckt hat. Definiert die höchste Schallfrequenz, die mit einer bestimmten Abtastrate aufgenommen werden kann.

Kurz gesagt, der maximale Ton, der digital eingespeist werden kann, beträgt etwa die Hälfte der Abtastrate.

Daher beträgt bei einer Aufnahme mit einer Abtastfrequenz von 48 kHz die maximale Audiofrequenz, die aufgezeichnet werden kann, 24 kHz. Dies ist ausreichend, wenn man bedenkt, dass das menschliche Ohr im Durchschnitt Frequenzen von 20 Hz bis 20 kHz hört.

Bittiefe
Wenn Sie über digitale Aufnahmegeräte sprechen, können Sie häufig die Wörter “16-Bit”, “24-Bit” usw. hören. Einige bedeuten die Anzahl der Informationseinheiten, mit denen der Wert jeder aus der digitalen Aufzeichnung erhaltenen Probe dargestellt werden kann.

Je höher der Wert dieser Zahl ist, desto genauer können Sie den Wert jedes Samples aufzeichnen und desto höher ist die Klangqualität, die Sie dadurch erhalten.

Denken Sie nicht, dass der Intensitätswert, der eingestellt werden kann, umso größer ist, je größer die Anzahl der Bits ist, dh je größer die Bittiefe ist. Hier ist Darstellungsgenauigkeit gemeint.

Moderne Rekorder sind normalerweise 24 Bit breit. Es sollte beachtet werden, dass Aufnahmen mit einer großen Bittiefe viel Platz auf dem Speichergerät beanspruchen, aber dies ist nicht so wichtig, da moderne Medien ein großes Volumen haben und immer erschwinglicher werden.

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Warum Upsampling? Teil 1

Warum Upsampling? Teil 1

Upsamplin

Wenn es um die Verbesserung der digitalen Klangqualität geht, sind sich Experten auf diesem Gebiet nur in einem Punkt einig: Mit zunehmender Abtastrate verbessert sich die Klangqualität dramatisch.

Upsampling

Unter dem Wort “verbessern” versteht jeder bereits etwas für sich. Die Meinungsvielfalt zu diesem Thema läuft auf Folgendes hinaus: Der Klang wird klarer, weicher, natürlicher, die tiefen Frequenzen werden klarer wahrgenommen.

Diese Nuancen werden jedoch nur von Zuhörern bemerkt, die mit einem guten Ohr für Musik auf speziell ausgewähltem Klangmaterial und mit technisch fortschrittlichen Geräten geschult sind.

Es gibt viele Hypothesen, die erklären, warum die Klangqualität durch Sampling verbessert wird. Viele Techniker neigen dazu zu glauben, dass diese Beziehung auf Verzerrungen zurückzuführen ist, die durch Filterung und Interpolation während der Rekonstruktion des Audiosignals entstehen.

Auf einem modernen technischen Niveau ist es möglicherweise praktisch unmöglich, hochwertige Interpolatoren zu implementieren. Statt sie zu verbessern, erhöhen die Hersteller einfach die Abtastrate. Vielleicht geht es überhaupt nicht um sie.

Eine andere Version, an die sich viele Musikliebhaber halten, ist, dass bei einer niedrigen Abtastfrequenz, beispielsweise 44100 Hz, der digitale Klang völlig frei von Nuancen hoher Klänge ist, deren Hauptfrequenzen über 7 kHz liegen. und bei niedrigeren Frequenzen gibt es zu wenige Nuancen für eine hohe Qualität. Wahrnehmung von Musik.

Tatsächlich erzeugen viele Musikinstrumente Schwingungen von bis zu 100 kHz. Es ist richtig, dass der Energieanteil, der in das Frequenzband über 20 kHz fällt, 0,01 bis 2% für Klänge harmonischer Natur und 0,02 bis 68% für Klänge beträgt, die durch ein Becken, ein Dreieck oder einen Schlag auf einen Trommelrand erzeugt werden. Metall (Hoop Shot – Anmerkung des Herausgebers).

Sogar der Frequenzbereich der Sprache in zischenden Zischen reicht bis zu 40 kHz. Unterstützer dieser Version schämen sich nicht, dass eine Person keine Geräusche mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz wahrnehmen kann. Es wird angenommen, dass Ultraschall unter Umgehung des auditorischen Systems wahrgenommen wird, beispielsweise durch Knochenleitung.

Gerüchte, dass Oberwellen über 20 kHz erheblich zum Klang beitragen, haben zur Schaffung und weit verbreiteten Einführung von Analog-Digital-Wandlern mit 96-kHz- und 192-kHz-Abtastraten geführt. Die Abtastfrequenz wird voraussichtlich auf 384 kHz ansteigen.

Basierend auf modernen Kenntnissen der menschlichen Wahrnehmung von Schall muss angenommen werden, dass die Beziehung zwischen digitaler Klangqualität und Abtastfrequenz auf der Transformation des Quantisierungsfehlerspektrums im Audiofrequenzbereich beruht.

In der Fachliteratur wird dieses Thema nur für ein bestimmtes mathematisches Modell betrachtet, wenn Musik durch ein Signal mit einer gleichmäßigen Verteilung in Pegel und Frequenz dargestellt wird. In diesem Fall werden die Quantisierungsfehler in Rauschen mit einer gleichmäßigen spektralen Dichte von 0 Hz bis zur Nyquist-Frequenz umgewandelt.

Bei jeder Verdoppelung der Abtastfrequenz wird die spektrale Rauschdichte um die Hälfte reduziert und das Signal-Rausch-Verhältnis um 3 dB erhöht. Da die Druckauflösungsgrenze ungefähr 1 dB beträgt, ist es unwahrscheinlich, dass diese Dezibel einen spürbaren Einfluss auf die Schallwahrnehmung im Hochfrequenzbereich haben. Aufgrund dieser Zahlen ist es absolut unmöglich, vorläufige Schlussfolgerungen über die Änderung der Klangqualität zu ziehen.

Um das Spektrum der Quantisierungsfehler, der Abtastfrequenz und der Klangqualität in Beziehung zu setzen, wird in diesem Artikel vorgeschlagen, ein Tonsignal als Musikmodell zu verwenden, wie es zur Bewertung der Qualität von Schallpfaden üblich ist. Dieser Ansatz basiert größtenteils auf Materialien, die in der Zeitschrift “Sound Engineer” veröffentlicht wurden.

Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden. Im Gegensatz zu analogem Audio ist digitales Audio das Produkt der Amplitudenmodulation. Dies manifestiert sich in einer starren funktionalen Abhängigkeit des Frequenzmultiplizitätsfaktor-Quantisierungsfehlerspektrums der Audiosignalfrequenz F und der Abtastfrequenz fs, dargestellt als Verhältnis der Primzahlen y und x (k = fs / F = y / x). Das Frequenzspektrum von Quantisierungsfehlern ist immer diskret und wird eindeutig durch den Multiplizitätsfaktor bestimmt; Die Komponenten dieses Spektrums werden auch eindeutig durch die Amplitude des Audiosignals bestimmt, ausgedrückt in Quanten. Dies bedeutet, dass der Mechanismus zur Bildung des Quantisierungsfehlerspektrums nicht von der Anzahl der verwendeten Bits abhängt. Mit zunehmender Quantisierungstiefe.

24/192 digitales Audioformat und warum es keinen Sinn macht. Teil 4

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Oversampling

Missverstehen Sie den Probenahmevorgang

Die Abtasttheorie ist ohne den Kontext der Signalverarbeitung oft nicht nachvollziehbar. Und es ist kein Wunder, dass die meisten Menschen, selbst brillante Ärzte in anderen Bereichen, es nicht verstehen. Es ist auch nicht verwunderlich, dass viele Menschen nicht einmal merken, dass sie einen Fehler machen.

Die abgetasteten Signale werden häufig als gezackte Leiter dargestellt, wie in der obigen Abbildung (in rot) dargestellt, was eine grobe Annäherung an das ursprüngliche Signal zu sein scheint. Diese Darstellung ist jedoch mathematisch genau, und wenn sie in ein analoges Signal umgewandelt wird, wird ihr Diagramm glatt (blaue Linie in der Abbildung).

Das häufigste Missverständnis ist, dass die Probenahme ein grober Prozess ist und zu Informationsverlust führt. Das diskrete Signal wird oft als gezackte, eckige, abgestufte Nachbildung der ursprünglichen, perfekt glatten Wellenform dargestellt. Wenn Sie dies glauben, können Sie davon ausgehen, dass die Schritte umso kleiner und die Näherung umso genauer sind, je höher die Abtastrate (und mehr Bits pro Abtastung) ist. Das digitale Signal ähnelt immer mehr einer analogen Form, bis es mit einer Abtastrate nahe der Unendlichkeit Gestalt annimmt.

In ähnlicher Weise sehen sich viele Leute, die nicht digitale Signale verarbeiten, das Bild unten an und sagen: “Ugh!” Es kann den Anschein haben, dass das diskrete Signal die hohen Frequenzen der analogen Wellenform nicht gut darstellt, oder mit anderen Worten, wenn die Frequenz des Tons zunimmt, die Abtastqualität abnimmt und der Frequenzgang sich verschlechtert oder empfindlich wird die Phase des Eingangssignals.

Es sieht einfach so aus. Diese Überzeugungen sind falsch!

Alle Signale unterhalb der Nyquist-Frequenz (die Hälfte der Abtastrate) werden während der Abtastung perfekt und vollständig erfasst, und eine unendlich hohe Abtastrate ist hierfür nicht erforderlich. Die Abtastung beeinflusst weder den Frequenzgang noch die Phase. Das analoge Signal kann verlustfrei wiederhergestellt werden, so flüssig und synchron wie das Original.

Sie können nicht mit der Mathematik streiten, aber was sind die Schwierigkeiten? Am bekanntesten ist die Anforderung der Bandbreitenbegrenzung. Signale oberhalb der Nyquist-Frequenz sollten vor dem Abtasten gefiltert werden, um Alias-Verzerrungen zu vermeiden. Der berüchtigte Anti-Aliasing-Filter verhält sich wie dieser Filter. Die Unterdrückung von Abtastrauschen ist in der Praxis möglicherweise nicht perfekt, aber moderne Technologien ermöglichen es Ihnen, dem idealen Ergebnis sehr nahe zu kommen. Und wir kommen zum Oversampling.

Überabtastung

Abtastraten über 48 kHz sind für High-Fidelity-Audio nicht relevant, aber für einige moderne Technologien erforderlich. Oversampling (Oversampling) ist das bedeutendste von ihnen [7].

Die Idee des Oversamplings ist einfach und elegant. Vielleicht erinnerst du dich an mein Video „Digitale Medien. Ein Leitfaden für Anfängerfreaks “, dass die hohen Abtastraten eine viel größere Lücke zwischen der höchsten Frequenz (20 kHz) und der Nyquist-Frequenz (die Hälfte der Abtastrate) bieten. Dies ermöglicht einfachere und robustere Anti-Aliasing-Filter und verbessert die Wiedergabetreue. Dieser zusätzliche Raum zwischen 20 kHz und der Nyquist-Frequenz ist im Wesentlichen ein Puffer für das Analogfilter.

Die obige Abbildung zeigt Diagramme aus dem Video „Digitale Medien. Ein Leitfaden für Anfänger, der die Übergangsbandbreite für einen DAC oder ADC bei 48 kHz (links) und 96 kHz (rechts) veranschaulicht.

Dies ist nur die halbe Miete, da digitale Filter weniger praktische Einschränkungen aufweisen als analoge Filter und wir die Glättung präziser und effizienter durchführen können. Das trockene Hochfrequenzsignal durchläuft ein digitales Anti-Aliasing-Filter, das das Übergangsband des Filters problemlos auf engstem Raum platziert. Sobald das Richten abgeschlossen ist, werden die zusätzlichen diskreten Abschnitte im Polsterraum einfach zurückgefaltet. Das überabgetastete Signal wird umgekehrt wiedergegeben.

Dies bedeutet, dass Signale mit einer niedrigen Abtastrate (44,1 kHz oder 48 kHz) möglicherweise dieselbe Wiedergabetreue, gleichmäßige Reaktion und geringes Aliasing aufweisen wie Signale mit einer Abtastrate von 192 kHz oder höher, aber keines von ihnen wird angezeigt. . Nachteile (Ultraschallwellen, die Intermodulationsverzerrungen verursachen, erhöhte Dateigröße). Fast alle modernen DACs und ADCs überabtasten mit sehr hohen Geschwindigkeiten, und nur wenige Menschen wissen dies, da dies automatisch im Gerät geschieht.

DACs und ADCs konnten nicht immer überabtasten. Vor 30 Jahren verwendeten einige Aufnahmekonsolen hohe Abtastraten für die Tonaufnahme, wobei nur analoge Filter verwendet wurden. Dieses Hochfrequenzsignal wurde später zur Erstellung von Stammsätzen verwendet.

24/192 digitales Audioformat und warum es keinen Sinn macht. Teil 3

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192 kHz gelten als schädlich

Digitale Musikdateien mit 192 kHz bieten keinen Vorteil, haben aber dennoch einige Auswirkungen. In der Praxis stellt sich heraus, dass die Wiedergabequalität etwas schlechter ist und während der Wiedergabe Ultraschallwellen auftreten.

Sowohl Audiokonverter als auch Leistungsverstärker sind anfällig für Verzerrungen, und Verzerrungen neigen dazu, sich bei hohen und niedrigen Frequenzen schnell aufzubauen. Wenn derselbe Lautsprecher den Ultraschall zusammen mit den Frequenzen des hörbaren Bereichs wiedergibt, ändern nichtlineare Eigenschaften einen Teil des Ultraschallbereichs in Form von unkontrollierten zufälligen nichtlinearen Verzerrungen, die den gesamten Bereich des hörbaren Audios abdecken, in das hörbare Spektrum. Nichtlinearität in einem Leistungsverstärker hat den gleichen Effekt. Diese Effekte sind schwer zu bemerken, aber Tests haben bestätigt, dass beide Arten von Verzerrungen zu hören sind.

Die obige Grafik zeigt die Verzerrung, die sich aus der Intermodulation von 30 kHz und 33 kHz Audio in einem theoretischen Verstärker mit einer konstanten harmonischen Verzerrung (THD) von ungefähr 0,09% ergibt. Verzerrungen sind im gesamten Spektrum sichtbar, selbst bei den niedrigsten Frequenzen.

Unhörbare Ultraschallwellen tragen zur Intermodulationsverzerrung im hörbaren Bereich (hellblauer Bereich) bei. Systeme, die nicht für die Wiedergabe von Ultraschall ausgelegt sind, weisen häufig höhere Verzerrungen auf, etwa 20 kHz, was weiter zur Intermodulation beiträgt. Die Erweiterung des Frequenzbereichs um Ultraschall erfordert Kompromisse, die das Rauschen und die Verzerrungsaktivität innerhalb des hörbaren Spektrums verringern. In jedem Fall wird jedoch die Wiedergabequalität durch unnötige Wiedergabe der Ultraschallkomponente beeinträchtigt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um zusätzliche Verzerrungen zu vermeiden:

Ein Nur-Ultraschall-Lautsprecher, -Verstärker und ein Signalspektrum-Splitter zum unabhängigen Trennen und Wiedergeben von nicht hörbarem Ultraschall, damit andere Geräusche nicht beeinträchtigt werden.
Verstärker und Wandler, die ein breiteres Frequenzspektrum wiedergeben sollen, damit Ultraschall keine hörbaren harmonischen Verzerrungen verursacht. Aufgrund der zusätzlichen Kosten und der Komplexität der Leistung verringert der zusätzliche Frequenzbereich die Wiedergabequalität im hörbaren Spektrum.
Gut gestaltete Lautsprecher und Verstärker, die keinen Ultraschall reproduzieren.
Für den Anfang müssen Sie keinen so großen Frequenzbereich codieren. Sie können (und sollten) keine Ultraschallverzerrung im hörbaren Frequenzband hören, wenn keine Ultraschallkomponente vorhanden ist.
Alle diese Methoden sollen ein Problem lösen, aber nur vier Möglichkeiten sind sinnvoll.

Wenn Sie an den Funktionen Ihres eigenen Systems interessiert sind, enthalten die folgenden Beispiele: 30-kHz- und 33-kHz-Audio im WAV 24/96-Format, eine längere FLAC-Version, einige Melodien und einen Schnitt normaler Songs bei 24 kHz, damit sie fallen vollständig im Ultraschallbereich von 24 kHz bis 46 kHz.

Tests zur Messung der harmonischen Verzerrung:

30 kHz Audio + 33 kHz Audio (24 Bit / 96 kHz) [5 Sekunden WAV] [30 Sekunden FLAC]
Stellt 26 kHz – 48 kHz (24 Bit / 96 kHz) ein [10 Sekunden WAV]
Stellt 26 kHz – 96 kHz (24 Bit / 192 kHz) ein [10 Sekunden WAV]
Reduzieren von Songs auf 24 kHz (WAV 24-Bit / 96 kHz) [WAV 10 Sekunden] (Original-Schnittversion) (WAV 16-Bit / 44,1 kHz)
Angenommen, Ihr System kann alle Formate mit Abtastraten von 96 kHz abspielen [6]. Wenn Sie die obigen Dateien abspielen, sollten Sie nichts hören, kein Rauschen, Zischen, Klicken oder andere Geräusche. Wenn Sie etwas hören, reagiert Ihr System nicht linear und verursacht eine hörbare nichtlineare Verzerrung des Ultraschalls. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie die Lautstärke erhöhen. Wenn Sie den digitalen oder analogen Clipping-Bereich betreten, kann selbst ein leises Clipping starke Intermodulationsgeräusche verursachen.

Im Allgemeinen ist es keine Tatsache, dass eine harmonische Verzerrung des Ultraschalls in einem bestimmten System hörbar ist. Die eingeführte Verzerrung kann vernachlässigbar und durchaus spürbar sein. In jedem Fall ist die Ultraschallkomponente niemals ein Verdienst, und in vielen Audiosystemen führt dies zu einer starken Verschlechterung der Qualität der Tonwiedergabe. In Systemen, in denen es nicht schadet, kann die Fähigkeit zur Verarbeitung von Ultraschall erhalten bleiben, oder stattdessen können Ressourcen verwendet werden, um die Klangqualität des hörbaren Bereichs zu verbessern.

Missverstehen Sie den Probenahmevorgang