Bittiefe und Abtastrate TEIL 2
Fade-Verarbeitung
Wir wissen jetzt, dass die digitale Signalverarbeitung zwangsläufig sehr fehlerhaft ist. Die Annäherung an die Gesamtsumme wird also auch viele Fehler enthalten. Diese Fehler machen das Audio nicht nur nicht wiederherstellbar, sondern führen auch zu einem unnatürlichen Klang.
Um diese Artefakte zu entfernen, fügen wir dem Signal berechnetes Rauschen mit niedriger Amplitude hinzu, was wir Dithering nennen. Die Amplitude des Jitter-Rauschens ist sehr gering, und obwohl etwas noch zu hören ist, ist es besser als keine Hinzufügung.
Beachten Sie, dass sich Jitter-Rauschen ansammelt. Wenn Sie einem Signal Rauschen hinzufügen, verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis. Wenn die Operation wiederholt wird, wird dieses Verhältnis weiter abnehmen, was dem Signal Unsicherheit hinzufügt. Aus diesem Grund wird Dithering oft als letzter Schritt beim Mastering angewendet, und zwar nur einmal.
Dithering hat eine ziemlich interessante Geschichte:
Die erste Dither-Verarbeitung erschien während des Zweiten Weltkriegs. Bomber verwenden mechanische Computer für die Navigation und ballistische Berechnungen. Interessanterweise sind diese Rechner präziser in ihrer Rechenleistung in der Luft. Ingenieure erkannten, dass Vibrationen des Flugzeugs Fehler in beweglichen Teilen reduzierten. Seine Bewegungen werden eher kontinuierlich als plötzliche Vibrationen. Computer haben kleine vibrierende Motoren, und ihre Vibrationen werden Oszillation genannt, was vom mittelalterlichen englischen Wort „didderen“ abgeleitet ist, was „schütteln“ bedeutet. Moderne Wörterbücher definieren Zittern als einen Zustand hoher Anspannung, Verwirrung oder Angst. Dithering bringt digitale Systeme analogen Systemen in gewisser Weise näher.
– Ken Pohlmann, Digitale Audioregeln
Abtastrate
Die Abtastrate von 44,1 K pro Sekunde reicht theoretisch aus, um den Hörbereich des menschlichen Ohrs abzudecken. Möglicherweise haben Sie versehentlich vom Satz von Nyquist erfahren, der besagt, wie Aliasing (eine Art Verzerrung) vermieden und alle Frequenzen durch Abtasten rekonstruiert werden können, was eine Abtastung mit der doppelten höchsten Frequenz des Signals erfordert (dieser Satz gilt auch für Nicht-Audio Medien, darauf gehen wir hier nicht ein).
Das menschliche Ohr hat einen Hörbereich von bis zu 20 kHz (die meisten Studien zeigen, dass diese Zahl tatsächlich bei etwa 17 K liegt), sodass eine Abtastrate von 40 K ausreicht, um jede Frequenz klar zu hören. 44.1K ist der Industriestandard, der aus mehreren Gründen von SONY, das damals ein Oligopol war, festgelegt wurde.
Kurz gesagt, die digitalen Audio-Samples müssen über der Nyquist-Frequenz liegen, da die Samples in der Praxis während des Digital-Analog-Wandlungsprozesses tiefpassgefiltert werden, um Aliasing zu verhindern. Je glatter die Flanke des Tiefpassfilters ist, desto niedriger sind die Herstellungskosten. Ein Audiosignal, das normalerweise einen Tiefpassfilter verwendet, hat also eine glatte Flanke bei 2 kHz. Um beispielsweise das gesamte Spektrum unter 20 kHz zu halten, sollte dies mit einer Abtastrate von 44 kHz erfolgen (20 K [höchste Frequenz] + 2 K [Tiefpassfilterflanke] x 2 [Nyquist-Theorie] = 44 K).
Letztendlich wurde der 44.1K-Standard in einem Kampf zwischen Sony und Philips gelöst (beide hatten ähnliche Endziele). Dies basiert auch auf der Mathematik hinter der Audio-Abtastrate und der Videoband-Anatomie. Auf diese Weise können Audio und Video auf demselben Videoband koexistieren, was eine höhere Kostenleistung hat. 48K ist jedoch der Standard für Video im Zusammenhang mit Audio. CD-Audio bleibt bei 44,1K.