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Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio? Teil 2

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Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio? Teil 2

digital audio

Die Abtastrate von 44,1 kHz wurde aus dem Satz von Kotelnikov berechnet. Es wird angenommen, dass das Gehör einer durchschnittlichen Person keinen Ton über 19-22 kHz hinaus aufnehmen kann. Die Frequenz betrug wahrscheinlich 22 kHz und wurde als Obergrenze gewählt.

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22.000 × 2 = 44.000 + 100 = 44.100 Hertz

Woher kommen die 100 Hertz? Es gibt eine Version, bei der dies bei Fehlern oder Überabtastungen ein kleiner Spielraum ist. Tatsächlich hat Sony diese Frequenz aufgrund ihrer Kompatibilität mit dem PAL-Übertragungsstandard ausgewählt.

Die Bittiefe des CDDA-Formats beträgt 16 Bit oder 65.536 Abtastwerte, was einem Dynamikbereich von ungefähr 96 dB entspricht. Eine so große Anzahl von Proben wurde nicht zufällig ausgewählt. Erstens aufgrund des starken Einflusses des Quantisierungsrauschens und zweitens, um einen formalen Dynamikbereich bereitzustellen, der dem der Hauptkonkurrenten zu dieser Zeit überlegen ist: Kassetten- und Schallplatten. Ich werde dies im Abschnitt über Digital-Analog-Wandler ausführlicher behandeln.

Die Entwicklung von PCM wurde nach dem Prinzip der Multiplikation mit zwei fortgesetzt. Andere Abtastraten erschienen: Zuerst wurde die 48-kHz-Abtastrate hinzugefügt, und dann betrugen die darauf basierenden Frequenzen 96, 192 und 384 kHz. Die Frequenz von 44,1 kHz wurde ebenfalls auf 88,2, 176,4 und 352,8 kHz verdoppelt. Die Bittiefe wurde von 16 auf 24 und dann auf 32 Bit erhöht.

Das nächste nach CDDA im Jahr 1987 erschien das DAT-Format – Digital Audio Tape. Die Abtastrate betrug 48 kHz, das Quantisierungsbit änderte sich nicht. Und obwohl das Format fehlgeschlagen ist, hat sich die 48-kHz-Abtastrate in Aufnahmestudios aufgrund der Bequemlichkeit der digitalen Verarbeitung durchgesetzt.

1999 wurde das DVD-Audio-Format veröffentlicht, mit dem sechs Stereospuren mit einer Abtastfrequenz von 96 kHz und einer Bittiefe von 24 Bit oder zwei Stereospuren mit einer Frequenz von 192 kHz 24 auf einer Disc aufgenommen werden konnten Bits.

Im selben Jahr wurde das SACD – Super Audio CD-Format eingeführt, aber die Produktion der Discs begann erst drei Jahre später. Ich werde Ihnen mehr über dieses Format im Abschnitt DSD erzählen.

Dies sind die Hauptformate, die als Standard für digitale Audioaufnahmen auf Medien gelten. Nun wollen wir sehen, wie die Daten auf einem digitalen Audiopfad übertragen werden.

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Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio?

Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio?

encoding digital audio

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ton auf digitalen Geräten wiedergegeben wird? Wie entsteht ein Tonsignal aus einer Kombination von Einsen und Nullen?

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Ich bin sicher, ich habe nachgedacht, seit ich angefangen habe zu lesen! Aber selbst Profis haben oft nur eine allgemeine Vorstellung von der modernen Klangroute. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die verschiedenen Formate angezeigt wurden, was ein Digital-Analog-Wandler ist, welche Arten von DACs es gibt und was die Qualität der Tonwiedergabe bestimmt.

PCM
Wie Sie wissen, wird bei digitalem Audio mit seltenen Ausnahmen fast jedes Format mit einem Pulscodestream oder einem PCM-Stream aufgezeichnet – Pulscodemodulation. FLAC, MP3, WAV, Audio-CD, DVD-Audio und andere Formate sind nur Möglichkeiten, den PCM-Stream zu packen und zu “bewahren”.

Wie alles begann
Die theoretischen Grundlagen der digitalen Schallübertragung wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt, als Wissenschaftler versuchten, ein Audiosignal über große Entfernungen zu übertragen, jedoch nicht per Telefon, sondern auf eine für diese Zeit eher seltsame Weise.

Durch Aufteilen der Schallwelle in kleine Teile könnte sie in einer Art mathematischer Darstellung an den Empfänger gesendet werden. Der Empfänger könnte wiederum die ursprüngliche Wellenform wiederherstellen und die Aufnahme anhören. Darüber hinaus standen die Wissenschaftler vor der Aufgabe, die Bandbreite des “Äthers” zu erhöhen.

1933 wurde der Satz von V.A. Kotelnikov. In westlichen Quellen wird es als Nyquist-Shannon-Theorem bezeichnet. Ja, Harry Nyquist war der erste, der dieses Problem ansprach: 1927 berechnete er die minimale Abtastfrequenz für die Übertragung einer Wellenform, die später seinen Namen “Nyquist-Frequenz” erhielt, aber Kotelnikovs Theorem wurde 16 Jahre zuvor veröffentlicht.

Das Wesen des Satzes ist einfach: Ein kontinuierliches Signal kann in Form einer Interpolationsreihe dargestellt werden, die aus diskreten Berichten besteht, aus denen das Signal rekonstruiert werden kann. Um den ursprünglichen Zustand des Signals grob wiederherzustellen, muss die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die obere Grenzfrequenz dieses Signals.

Bis zum Aufkommen des digitalen Zeitalters war der Satz viele Jahre lang nicht gefragt. Damals fand es eine Verwendung. Insbesondere war der Satz bei der Entwicklung des CDDA-Formats (Compact Disc Digital Audio) nützlich, das im Volksmund als Audio-CD oder Red Book bezeichnet wird. Das Format wurde 1980 von Ingenieuren bei Philips und Sony veröffentlicht und ist zum Standard für Audio-CDs geworden.

Formatmerkmale:

Abtastfrequenz – 44,1 kHz;
Quantisierungskapazität – 16 Bit.

Woher kam 44100?

Woher kam 44100?

44100

Die Standard-Samplerate für CD-Audio beträgt 44100 Hertz. Wo und warum wurden diese 44100 ursprünglich für die CD-Audioproduktion ausgewählt?

44100

Ausgehend von der Bedingung (siehe Nyquist-Shannon-Kotelnikov) der Wiedergabe der Obergrenze des Spektrums bei 20 kHz sollte die Abtastfrequenz über 40 kHz gewählt worden sein. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Standards und der Entwicklung der CD-DA-Technologie (der zweiten Hälfte der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts) gab es jedoch kein allgemein akzeptiertes Medium, um digitalen Sound aufzunehmen, zu bearbeiten und zu speichern. Und dafür wurde beschlossen, Standard-Videorecorder zu verwenden, die damals im U-matic-Format arbeiteten. Das digitale Signal wurde von einem speziellen Codierer in ein Schwarz-Weiß-Video-Pseudosignal codiert und auf einer Videokassette aufgezeichnet. Die Struktur des digitalen Signals musste mit der Frequenz und Struktur der Felder des für die Aufzeichnung verwendeten Fernsehsignals verknüpft werden.

Diese Entscheidung wurde durch die Tatsache erschwert, dass in Europa und den USA unterschiedliche Videoaufzeichnungsstandards verwendet werden: 525 Zeilen bei 60 Hz und 625 Zeilen bei 50 Hz, während nicht alle Zeilen zum Aufzeichnen von Informationen verwendet werden können. Die ausgewählte Frequenz sollte zur Struktur beider Videosignale passen. 44100 Hz erfüllen diese Anforderung.

In einem 60-Hz-NTSC-Videosignal werden 35 Zeilen nicht für die Aufzeichnung verwendet, so dass 490 aktive Zeilen pro Bild oder 245 im Feld für die digitale Audioaufzeichnung verbleiben. Wenn Sie drei Samples in eine Zeichenfolge schreiben, beträgt die Samplerate:

60 × 245 × 3 = 44100.

In einem 50-Hz-PAL-Signal werden 37 Zeilen nicht verwendet, sodass 588 aktive Zeilen pro Frame oder 249 pro Feld verbleiben. Die Frequenz beträgt also:

50 × 249 × 3 = 44100.

Obwohl digitaler Ton zu dieser Zeit nichts mit dem Videosignal zu tun hatte, wurden bei der Herstellung der CD Videogeräte verwendet, die die Wahl der Abtastfrequenz bestimmten.

Analog-Digital-Signalumwandlung Teil 3

Analog-Digital-Signalumwandlung Teil 3

Analog to digital

Schlüsselwörter können parallel oder seriell gestreamt werden

Für die parallele Übertragung müssen n Kommunikationsleitungen verwendet werden (n = 4). Die Codewortsymbole werden gleichzeitig über die Zeilen innerhalb des Abtastintervalls übertragen. Für die serielle Übertragung muss das Abtastintervall in n Teilintervalle unterteilt werden: Zyklen. In diesem Fall werden die Zeichen des Wortes nacheinander entlang einer Leitung übertragen, und ein Taktzyklus wird für die Übertragung eines Zeichens des Wortes zugewiesen. Jedes Zeichen des Wortes wird durch ein oder mehrere diskrete Signale übertragen: Impulse. Daher wird die Umwandlung eines analogen Signals in eine Folge von Codewörtern häufig als Pulscodemodulation bezeichnet. Die Art und Weise, wie Wörter durch bestimmte Signale dargestellt werden, wird durch das Format des Codes bestimmt. Sie können zum Beispiel den Signalpegel innerhalb des Taktzyklus hoch einstellen, wenn in diesem Taktzyklus ein Binärzeichen 1 übertragen wird, und niedrig – wenn ein Binärzeichen 0 übertragen wird (diese in Fig. 6 gezeigte Darstellungsmethode ist es heißt BVN-Format – Keine Rückkehr zu Null).

In dem Beispiel von Fig. 6 werden 4-Bit-Binärwörter verwendet (dies ermöglicht 16 Quantisierungsebenen). In einem parallelen digitalen Strom wird 1 Bit eines 4-Bit-Wortes auf jeder Leitung innerhalb des Abtastintervalls übertragen. In einem seriellen Strom wird das Abtastintervall in 4 Takte unterteilt, in denen die Bits eines 4-Bit-Wortes übertragen werden (beginnend mit dem höchstwertigen). 6 verwendet 4-Bit-Binärwörter (dies ermöglicht 16 Quantisierungsebenen). In einem parallelen digitalen Strom wird 1 Bit eines 4-Bit-Wortes auf jeder Leitung innerhalb des Abtastintervalls übertragen. In einem seriellen Strom wird das Abtastintervall in 4 Takte unterteilt, in denen die Bits eines 4-Bit-Wortes übertragen werden (beginnend mit dem höchstwertigen). 6 verwendet 4-Bit-Binärwörter (dies ermöglicht 16 Quantisierungsebenen). In einem parallelen digitalen Strom wird 1 Bit eines 4-Bit-Wortes auf jeder Leitung innerhalb des Abtastintervalls übertragen. In einem seriellen Strom wird das Abtastintervall in 4 Takte unterteilt, in denen die Bits eines 4-Bit-Wortes übertragen werden (beginnend mit dem höchstwertigen).

Operationen im Zusammenhang mit der Umwandlung eines analogen Signals in eine digitale Form (Abtastung, Quantisierung und Codierung) werden von einem Gerät ausgeführt: einem Analog-Digital-Wandler (ADC). Ein ADC kann heute einfach eine integrierte Schaltung sein. Die umgekehrte Prozedur, dh das Wiederherstellen eines analogen Signals aus einer Folge von Codewörtern, wird in einem Digital-Analog-Wandler (DAC) durchgeführt. Jetzt gibt es technische Möglichkeiten, die gesamte Bild- und Tonsignalverarbeitung, einschließlich Aufzeichnung und Übertragung, in digitaler Form zu implementieren. Analoge Geräte werden jedoch weiterhin als Signalsensoren (z. B. ein Mikrofon, eine TV-Übertragungsröhre oder ein ladungsgekoppeltes Gerät) und Ton- und Bildwiedergabegeräte (z. B. ein Lautsprecher, ein Kinescope) verwendet.

Digitale Signale können unter Verwendung typischer Parameter der analogen Technologie wie Bandbreite beschrieben werden. Die Anwendbarkeit in der digitalen Technologie ist jedoch begrenzt. Ein wichtiger Indikator für den digitalen Fluss ist die Datenübertragungsrate. Wenn die Länge des Wortes n ist und die Abtastrate FD ist, wird die Datenrate, ausgedrückt in der Anzahl der binären Symbole pro Zeiteinheit (Bit / s), als Produkt der Länge des Wortes durch die Abtastung berechnet Frequenz: C = nFD.