December 2021 – Page 9

Das Problem, die Länge von aufnehmbarem Audio zu finden

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Das Problem, die Länge von aufnehmbarem Audio zu finden

Sample Rate

Audio wird 11.000 Mal pro Sekunde abgetastet und jeder abgetastete Wert wird als 8-Bit-Daten aufgezeichnet.

Digitizing audio

Was ist derzeit die maximale Audiolänge, die im Flash-Speicher mit einer Kapazität von 512 x 10 6 Byte aufgezeichnet werden kann?

A 77 B 96 C 775 D 969

Als nächstes stellt sich die Frage nach der Länge des Audiomaterials, das aufgezeichnet werden kann. Mit den bisher erworbenen Kenntnissen lässt sich leicht eine Berechnungsmethode finden. Die Denkweise beim Rechnen ist unten dargestellt.

Da pro Sekunde 11.000 Abtastungen genommen werden und jedes als 8 Bit = 1 Byte Daten aufgezeichnet wird, beträgt die Datenmenge pro Sekunde 11.000 x 1 = 11.000 Byte.
Da die Kapazität des Flash-Speichers 512 x 10 6 Byte beträgt, können Daten von 512 x 10 6 ÷ 11000 = 46545,45 … Sekunden aufgezeichnet werden.
Da die Antwort in Minuten erhalten wird, ist 46545,45 … ÷ 60 = 775,75 … Minuten.
Da die Frage “maximale Anzahl von Minuten” lautet, beträgt das Maximum 775 Minuten, wobei der Bruchteil von 775,75 … abgerundet wird, und Option c ist die richtige Antwort.

richtige Antwort Hase

Problem beim Finden des Abtastintervalls
Frage 4 (Herbst 2016)
Wenn das Audio mit dem PCM-Verfahren abgetastet, in 8-Bit-Digitaldaten umgewandelt und in Echtzeit ohne Komprimierung übertragen wurde, betrug die Übertragungsrate 64.000 Bit/s. Wie viele Mikrosekunden beträgt das Abtastintervall zu diesem Zeitpunkt?

A 15,6 B 46,8 C 125 D 128

Die Frage ist nun, das Abtastintervall (wie viele Sekunden abzutasten) zu ermitteln.

Die “Übertragungsrate” ist beteiligt, aber da das Audio in Echtzeit übertragen wurde, entsprechen 64000 Bit / Sekunde der codierten Kapazität pro Sekunde. Wenn Sie das wissen, können Sie mit Ihren bisherigen Kenntnissen eine Berechnungsmethode finden.

Die Denkweise beim Rechnen ist unten dargestellt.

Da es 64000 Bits pro Sekunde gibt und die Größe der codierten Daten 8 Bits beträgt, beträgt die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde 64000 ÷ 8 = 8000 Mal.
Da pro Sekunde 8000 Proben genommen wurden, beträgt das Zeitintervall 1 ÷ 8000 = 0,000125 Sekunden.
Da die Frage “wie viele Mikrosekunden?” lautet, lautet die richtige Antwort 125 Mikrosekunden, was 0,000125 Sekunden in Mikrosekunden entspricht.

richtige Antwort Hase

Problem beim Finden der Pufferzeit
Q31 (Herbst 2014)
Um 2,4 Mbyte Audiodaten mit 192 kbit/s Codierungsgeschwindigkeit ohne Unterbrechung während des Downloads über ein Netzwerk mit 128 kbit/s Kommunikationsgeschwindigkeit abzuspielen, Pufferung der Daten vor dem Start der Wiedergabe Wie viele Sekunden brauchen Sie in weniger?

A 50 B 100 C 150 D 250

Lassen Sie uns schließlich ein Problem mit einer etwas anderen Fellfarbe beheben. Das Auffinden der Pufferzeit beim Herunterladen digitalisierter Audiodaten ist ein Problem.

Beim Puffern werden einige Daten heruntergeladen, bevor mit dem Spielen begonnen wird. Auf diese Weise können Sie das Audio ohne Unterbrechungen wiedergeben, auch wenn die Download-Geschwindigkeit langsam ist.

Die Idee bei der Berechnung ist unten gezeigt, also überprüfen Sie bitte jede einzelne sorgfältig. Hier ist M = 1000 k.

Eine Coderate von 192 kbit/s bedeutet, dass die digitalisierte Datenmenge 192 kbit pro Sekunde beträgt.
Die Gesamtdatenmenge beträgt 2,4 MByte = 2,4 M x 8 = 19,2 M Bit, was in Sekunden als 19,2 M 192 k = 19200 k ÷ 192 k = 100 Sekunden ausgedrückt wird.
Da die Kommunikationsgeschwindigkeit 128 kbit/s beträgt, können Daten von 128 k x 100 = 12800 kbit in 100 Sekunden übertragen werden.
Da jedoch die Gesamtdatenkapazität 19,2 Mbit = 19200 kbit beträgt, muss die Differenz von 19200 kbit – 12800 kbit = 6400 kbit Daten vorher gepuffert werden.
Da die Kommunikationsgeschwindigkeit 128 kbit/s beträgt, dauert es 6400 k ÷ 128 k = 50 Sekunden, um die 6400 kbit Daten zu puffern.
Aus dem oben Gesagten beträgt die Pufferzeit 50 Sekunden und Option A ist die richtige Antwort.

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Probenahme, Quantifizierung, Kodierung

Das Rechenproblem der Sprachabtastung besteht darin, analoge Daten (glatte und kontinuierliche Daten), wie beispielsweise rohe Sprache und Musik, in digitale Daten (diskontinuierliche und diskontinuierliche Daten) umzuwandeln, die von einem Computer verarbeitet werden können.

Bit Depth

In einem bekannten Beispiel sind auf einer CD (Compact Disc) aufgezeichnete Musik analoge Daten, die in digitale Daten umgewandelt wurden.
Ziel ist es, Rechenprobleme bei der Sprachabtastung zu lösen, den Begriff “Abtastung”, “Quantisierung”, “Kodierung” zu verstehen. Lassen Sie uns eine allgemeine CD als Beispiel verwenden, um die Bedeutung jedes Begriffs zu erklären.

Was ist “Probenahme”?
Es besteht darin, Daten aus analogen Signalen zu sammeln, indem sie in regelmäßigen Zeitintervallen geteilt werden. Dieses Zeitintervall wird als “Abtastrate” bezeichnet und in Einheiten von Hz (Hertz) ausgedrückt. Einmal pro Sekunde ist 1 Hz.
Die Abtastfrequenz der CD beträgt 44,1 kHz (Kilohertz) und die Daten werden 44,1 x 1000 = 44100 Mal pro Sekunde erfasst.
Was ist “Quantifizierung”?
Es besteht darin, die durch Stichproben gesammelten Daten in numerische Werte umzuwandeln. Die Größe dieser Zahl wird “Quantisierungsbitzahl” genannt.
Die Anzahl der Quantisierungsbits auf einer CD beträgt 16 Bit (16 Stellen im Binärformat).
Was ist “kodieren”?
Es besteht darin, den durch Quantifizierung erhaltenen Zahlenwert in ein bestimmtes Format zu bringen. Das Format “PCM (Pulse Code Modulation)” codiert 16-Bit-quantisierte Daten in ihrer ursprünglichen Form.
Sobald Sie die Bedeutung der Begriffe verstanden haben, wird als Beispiel für die Berechnung die Datenmenge beim Digitalisieren von Musik mit einer 5-Minuten-Wiedergabezeit bei 44,1 kHz Abtastrate, 16-Bit-Quantisierungsbitzahl, PCM-Format, Stereo (2ch) , Finden wir es in Einheiten von M-Byte (Megabyte). Hier ist 1 Mbyte = 1.000.000 Byte. Die Denkweise beim Rechnen ist unten dargestellt.

Es ist nur eine Multiplikation, aber verstehen Sie die Berechnungsmethode, indem Sie sie mit der Bedeutung des Begriffs in Verbindung bringen.

Fünf Minuten Spielzeit sind 5 x 60 = 300 Sekunden.
Da die Abtastrate 44,1 kHz beträgt, werden die Daten 44,1 x 1000 = 44100 Mal pro Sekunde erfasst.
Daher werden die Daten 300 x 44.100 = 13230.000 Mal in 5 Minuten gesammelt.
Die Anzahl der 16-Bit-Quantisierungsbits beträgt 8 Bit = 1 Byte, also 16 Bit = 2 Byte.
Da sie im PCM-Format vorliegen, werden diese 2-Byte-Daten unverändert in den Code umgewandelt.
Da eine Datensammlung ein 2-Byte-Code ist, haben 13230.000 Datensammlungen eine Kapazität von 2 x 13230000 = 26460000 Byte.
Da es sich um Stereo (2 Kanäle) handelt, gibt es zwei Daten gleicher Kapazität (eine für den linken Kanal und eine für den rechten Kanal) und die Gesamtkapazität beträgt 26460000 x 2 = 52920000 Bytes.
Da 1 Mbyte = 1.000.000 Byte, 5.292.000 Byte = 52,92 MByte.
PR
Das Problem, die Datenmenge zu finden
Q26 (Frühjahr 2012)
Wenn ein 60-minütiges (monaurales) Audiosignal mit dem PCM-Verfahren mit einer Abtastrate von 44,1 kHz und einer Quantisierungsbitrate von 16 Bit digitalisiert wird, wie viele Mbyte an Daten sind dann vorhanden? Hier wird angenommen, dass die Daten unkomprimiert sind.
A 80 B 160 C 320 D 640

Lassen Sie uns nun das obige Problem der Sprachabtastung lösen. Das erste ist ein Problem, das mit der gleichen Vorgehensweise wie im oben gezeigten Rechenbeispiel gelöst werden kann. Die Denkweise beim Rechnen ist unten dargestellt.

M (Mega) kann 1000 x 1000 = 1000000 oder 1024 x 1024 = 1048576 sein, was in dieser Zahl nicht gezeigt wird. Hier wird es als 1.000 x 1.000 = 1.000.000 berechnet.

Das Audiosignal für 60 Minuten beträgt 60 x 60 = 3600 Sekunden.
Da die Abtastrate (Abtastrate) 44,1 kHz beträgt, werden die Daten 44,1 x 1000 = 44100 Mal pro Sekunde erfasst.
Daher 3600 x 44100 = 158760000 Mal Datenerfassung in 60 Minuten.
Die Anzahl der Quantisierungsbits beträgt 16 Bit, das sind 8 Bit = 1 Byte, also 16 Bit = 2 Byte.
Da sie im PCM-Format vorliegen, werden diese 2-Byte-Daten unverändert in den Code umgewandelt.
Da eine Datensammlung ein 2-Byte-Code ist, haben die Datensammlungen 158760000 eine Kapazität von 2 x 158760000 = 317520000 Byte.
Da er monaural (nicht stereo) ist, beträgt die Gesamtkapazität 317520000 Byte.
Angenommen, 1 Mbyte = 1.000.000 Byte, 317520000 = 317,52 Mbyte.
Da die Frage “wie viele MByte?” lautet, lautet die richtige Antwort 320 MByte, was fast 317,52 MByte entspricht.

Abtastrate

Sample Rate

Im separaten Artikel „Bitrate und Busbreite“ und „Hinweise zur Reduzierung der Bitrate“ haben wir die Historie der „Bitrate“, die die vertikale Achse des Millimeterpapiers beim PCM-Sampling darstellt, vorgestellt.

Sample Rate

Dieser Abschnitt betrachtet die “Abtastrate” der horizontalen Achse.

Maximale abzutastende Frequenz (Nyquist-Frequenz)

Bei der PCM-Methode ist genau die Hälfte der Abtastrate die maximal aufnehmbare Rate. Dieser Wert wird auch als “Nyquist-Frequenz” bezeichnet.
Bei CDs, die mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz aufgenommen wurden, ist die Hälfte, 22,05 kHz, die theoretisch maximal aufnehmbare Frequenz.

Jetzt ist die halbe Abtastrate die maximal aufnehmbare Rate, und der Grund ist … Sehen ist Glauben, siehe Abbildung rechts.
Um einen Zyklus einer Sinuswelle darzustellen, müssen Sie mit mindestens zwei Stichproben auf- und abwärts Rundreisen zeichnen.

Aliasrauschen: Frequenzen höher als aufnehmbar

Was aber, wenn ein Signal mit einer höheren Frequenz als der Nyquist-Frequenz in den A/D-Wandler gelangt?

Siehe die Grafik rechts.

Während das Eingangssignal “3 Roundtrips mit 4 Samples” durchführt, ist die Auflösung der horizontalen Achse (Messfrequenz) des A/D-Wandlers zu gering, um der Bewegung des Signals korrekt zu folgen. Die abgetasteten Werte zeichnen eine „One Round Trip with Four Samples“-Wellenform, die deutlich niedriger ist als die Eingangsfrequenz. Auch hier wird das Originalsignal im digitalen Bereich “hergestellt”.

Auf diese Weise ist ein Eingangssignal mit einer höheren Frequenz als die Nyquist-Frequenz die Quelle eines Signals mit einer niedrigeren Frequenz als sie sein sollte, das sogenannte “Aliasrauschen”.

Alias-Rauschen wird auch als “Hüllkurvenrauschen” bezeichnet, da es bei einer Frequenz auftritt, die um den Betrag niedriger als die Nyquist-Frequenz ist, um den das Originalsignal die Nyquist-Frequenz überschreitet, wie in der Grafik rechts gezeigt. Das Alias-Rauschen, das sich umwickelt und 0 Hz erreicht, wird weiterhin zwischen 0 Hz und der Nyquist-Frequenz gewickelt, so dass es zurückreflektiert wird.

Tatsächlich enthält der A/D-Wandler einen Tiefpassfilter, um solches Alias-Rauschen zu verhindern, so dass Alias-Rauschen bei der Aufnahme analoger Signale kein Problem darstellt.

Der Umgang mit Alias-Rauschen kann jedoch bei der Verwendung von Plugins wichtig sein. Der nächste Abschnitt erläutert diesen Punkt.

Benötigen Sie eine hohe Abtastrate?
Wenn Sie mit der Aufnahme oder dem Komponieren mit einer DAW beginnen, ist es schwierig, die Sample-Rate des Projekts einzustellen. Im Gegensatz zur obigen Bitrate ist es schwierig, sie später zu ändern, wenn die Abtastrate einmal eingestellt ist.
Allgemein gilt: Je höher die Samplerate, desto höher ist die Qualität des Masters, die ohne Beeinträchtigung des Originalklangs erzeugt werden kann, aber auch die während der Arbeit erforderlichen PC-Spezifikationen werden sich dramatisch verbessern.
Aber ist es sinnvoll, mit einer hohen Abtastrate zu bearbeiten, wenn das endgültige Medium eine 44,1 kHz-CD ist? Können Sie auch den Unterschied in der Abtastrate basierend auf dem Trend des gesuchten Sounds ignorieren, z. B. dem Genre, mit dem Sie es zu tun haben?

Die Quintessenz ist, dass die Sample-Rate-Einstellung einen erheblichen Einfluss haben kann, wenn Sie harmonische Effekte wie Saturators und Kompressoren in Ihrer DAW verwenden.

Als Nächstes verwenden wir einen Ultraschall, um zu prüfen, wie sich die Abtastrate des Projekts ändert.

Das erste ist ein Einzelscan-Signalsonogramm. Sie können sehen, dass die Frequenz der Sinuswelle allmählich von 0 auf 22 kHz ansteigt.

Fügen wir dazu einen Verzerrungseffekt hinzu.
In jedem Fall wird das Signal mit dem angewendeten Effekt in Projekte mit unterschiedlichen Sampleraten exportiert und dann die Datei in 44,1 kHz konvertiert.
Alle Effekte verwenden dasselbe Preset.
Beachten Sie, dass die Dateien selbst, die Sonogramme vergleichen, alle 44,1 kHz haben.

Abtastung, Abtastrate, Abtastformat und Bitrate

Die Hauptfunktion der Audioschnittstelle besteht darin, das Signal zwischen analogen und digitalen Formaten zu konvertieren.

Bit Depth

Wie oben erwähnt, haben echte Klänge endlose Möglichkeiten für Tonhöhe, Lautstärke und Dauer. Computer können keine unendlichen Informationen verarbeiten, daher müssen Audiosignale umgewandelt werden, bevor sie verwendet werden können.
Computer-annäherte Wellenform
Quelle: pcm.svg http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pcm.svg Abgerufen von.
Abbildung 1.1 Computer-annäherte Wellenform

Die Abbildung in Abbildung 1.1, “Computer-annäherte Wellenformen”, veranschaulicht die Situation. Die rote Wellenform zeigt die vom Sänger oder akustischen Instrument erzeugten Schallwellen. Der Computer kann die allmähliche Veränderung der roten Wellen nicht verarbeiten. Der Computer sollte die im grau schattierten Bereich der Abbildung angezeigte Näherung verwenden. Diese Abbildung ist ein übertriebenes Beispiel und entspricht nicht der tatsächlichen Aufnahme.
Die Konvertierung zwischen analogen und digitalen Signalen zeigt den Unterschied zwischen minderwertigen und hochwertigen Audio-Interfaces. Die Abtastrate und das Abtastformat steuern die Menge der vom Computer gespeicherten Audioinformationen. Je mehr Informationen gespeichert werden, desto besser kann sich das Audiointerface dem ursprünglichen Mikrofonsignal annähern. Die möglichen Abtastraten und Abtastformate bestimmen nur einen Teil der Qualität des vom Audio-Interface erzeugten oder erhaltenen Tons. Beispielsweise kann ein in das Motherboard integriertes Audio-Interface 24-Bit-Sample-Formate und 192-kHz-Sample-Raten unterstützen. Auf der anderen Seite kann ein professionelles FireWire-verbundenes Audio-Interface mit einem 16-Bit-Sample-Format und einer Sample-Rate von 44,1 kHz besser klingen.
1.3.1. Zeigt an
Ein Sample ist eine Einheit von Audiodaten. Der Computer speichert Videodaten als eine Reihe von Standbildern (jeweils als „Frame“ bezeichnet) und zeigt sie einzeln mit einer bestimmten Geschwindigkeit (als „Framerate“ bezeichnet) an. Der Computer speichert Audiodaten als eine Reihe von unbewegten Tonbildern (jedes als “Abtastwert” bezeichnet) und gibt sie einzeln mit einer bestimmten Frequenz (als “Abtastrate” bezeichnet) wieder.
Es gibt nicht viele Arten von Bildformaten und Bildraten, die zum Speichern von Videodaten verwendet werden. Es gibt viele Arten von Abtastformaten und Abtastraten, die zum Speichern von Audiodaten verwendet werden.