Wie wird Ton digital dargestellt?
Die ursprüngliche Form eines Audiosignals (eine kontinuierliche Änderung der Amplitude über die Zeit) wird digital durch “Kreuzabtastung” in Zeit und Pegel dargestellt.
Nach dem Satz von Kotelnikov kann jeder kontinuierliche Prozess mit einem begrenzten Spektrum vollständig durch eine diskrete Folge seiner Momentanwerte beschrieben werden, gefolgt von einer Frequenz, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Frequenz der höchsten Harmonischen des Prozesses; Die Abtastfrequenz Fd von Momentanwerten (Abtastwerten) wird als Abtastfrequenz bezeichnet.
Aus dem Satz folgt, dass ein Signal mit einer Frequenz Fa nur dann erfolgreich zeitlich mit einer Frequenz 2Fa abgetastet werden kann, wenn es sich um eine reine Sinuskurve handelt, da jede Abweichung von der Sinusform dazu führt, dass das Spektrum über die Frequenz Fa hinausgeht. Daher ist es für die zeitliche Abtastung eines beliebigen Audiosignals (das normalerweise bekanntlich ein Spektrum aufweist, das gleichmäßig abfällt) erforderlich, eine Abtastfrequenz mit einem Spielraum auszuwählen oder das Spektrum des Eingangssignals gewaltsam zu begrenzen unter der Hälfte der Abtastrate.
Gleichzeitig mit der Zeitabtastung wird eine Amplitudenabtastung durchgeführt: Messung der momentanen Amplitudenwerte und deren Darstellung in Form von numerischen Werten mit einer gewissen Genauigkeit. Die Genauigkeit der Messung (Binärbreite N des erhaltenen diskreten Werts) bestimmt das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikbereich des Signals (theoretisch sind dies reziproke Werte, aber jeder reale Pfad hat auch seinen eigenen Rausch- und Interferenzpegel).
Der resultierende Zahlenstrom (eine Reihe von Binärziffern), der ein Audiosignal beschreibt, wird als Pulse Code Modulation (PCM) bezeichnet, da jeder Impuls eines zeitabgetasteten Signals durch seinen eigenen digitalen Code dargestellt wird.
Die lineare Quantisierung wird am häufigsten verwendet, wenn der numerische Wert der Probe proportional zur Amplitude des Signals ist. Aufgrund der logarithmischen Natur des Hörens wäre eine logarithmische Quantisierung angemessener, wenn der numerische Wert proportional zur Größe des Signals in Dezibel ist, dies ist jedoch mit rein technischen Schwierigkeiten behaftet.
Zeitabtastung und Amplitudenquantisierung des Signals führen zwangsläufig zu Rauschverzerrungen im Signal, deren Pegel im Allgemeinen unter Verwendung der Formel 6N + 10 lg (Fdiscr / 2Fmax) + C (dB) geschätzt wird, wobei die Konstante C für verschiedene variiert Arten von Signalen: Für eine reine Sinuskurve beträgt sie 1,7 dB, für Tonsignale – von -15 bis 2 dB. Somit ist ersichtlich, dass eine Abnahme des Rauschens im Betriebsfrequenzband 0..Fmax nicht nur zu einer Zunahme der Bittiefe der Probe führt, sondern auch zu einer Zunahme der Abtastrate relativ zu 2Fmax, da das Quantisierungsrauschen bis zur Abtastrate über das Band “ausgewaschen” wird und die Audioinformationen nur den kleinsten Teil dieses Streifens einnehmen.
Die meisten modernen digitalen Audiosysteme verwenden die Standardabtastraten von 44,1 und 48 kHz, aber der Frequenzbereich des Signals ist normalerweise auf etwa 20 kHz begrenzt, um die theoretische Grenze zu überschreiten. Am gebräuchlichsten ist auch die 16-Bit-Pegelquantisierung, die ein Grenzsignal-Rausch-Verhältnis von ungefähr 98 dB liefert. Die Studioausrüstung verwendet höhere Auflösungen: 18-, 20- und 24-Bit-Quantisierung bei Abtastraten von 56, 96 und 192 kHz. Dies geschieht, um die höheren Harmonischen des Tonsignals zu erhalten, die nicht direkt vom Ohr wahrgenommen werden, sondern die Bildung des gesamten Klangbildes beeinflussen.
Um Schmalbandsignale mit geringerer Qualität zu digitalisieren, können Sie die Abtastrate und die Bittiefe verringern. Telefonleitungen verwenden beispielsweise eine 7- oder 8-Bit-Digitalisierung mit Frequenzen von 8 bis 12 kHz.
Die Darstellung eines analogen Signals in digitaler Form wird auch als Pulse Code Modulation (PCM) bezeichnet, da das Signal als eine Reihe von Impulsen konstanter Frequenz (Zeitabtastung) dargestellt wird, deren Amplitude digital übertragen wird (Amplitudenabtastung) ). Ein PCM-Strom kann parallel sein, wenn alle Bits in jedem Abtastwert gleichzeitig über mehrere Leitungen mit einer Abtastfrequenz übertragen werden, oder sequentiell, wenn die Bits nacheinander mit einer höheren Frequenz auf einer Leitung übertragen werden.
Digitaler Sound selbst und verwandte Elemente werden häufig mit dem allgemeinen Begriff Digital Audio bezeichnet. Die analogen und digitalen Teile eines Soundsystems werden als analoge Domäne und digitale Domäne bezeichnet.