Category: Audio

Vorteile von “digitalem Audio”


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Vorteile von “digitalem Audio”

Digital Audio

Das digitalisierte Audiosignal hat folgende Vorteile:

DIGITAL AUDIO

-die Möglichkeit einer unendlich langen Lagerung ohne Verlust der Originalqualität,

-die Fähigkeit, lange Zeit zu reproduzieren, ohne die ursprüngliche Qualität zu verlieren,

-die Möglichkeit einer unendlichen Reproduktion ohne Verlust der Originalqualität,

-Einfachheit und breite Verarbeitungsmöglichkeiten mit modernen Mitteln,

-Resistenz gegen Störungen in Signalübertragungsleitungen.

Von CD zu Super Audio CD und DVD Audio

CD (Compact Disk) ist eine Art austauschbarer Kunststoffdiskette mit optischem Lesen von Informationen.

1979 schlugen Sony und Philips den Red Book-Standard für digitale Audioaufnahmen vor.

Analoger Ton wird digitalisiert und als spiralförmige Spur abwechselnder Nullen und Einsen (Mikronlöcher und eine glatte Oberfläche) auf einer 12-cm-Polycarbonatscheibe aufgezeichnet, die etwas dicker als ein Millimeter ist und mit der dünneren Schicht bedeckt ist Gold (später Aluminium).

Der Laser des Players beleuchtet die Disc und erkennt binäre “Nullen” und “Einsen”, die nach der Verarbeitung wieder in Ton umgewandelt werden. Es ist fast unmöglich, Null mit Eins zu verwechseln. Mögliche Probleme im Zusammenhang mit Lesefehlern und Kratzern auf der Disc-Oberfläche wurden durch digitale Fehlerkorrektur ausgeglichen.

Infolgedessen verringerten sich nicht nur die physischen Abmessungen des Plattenhalters im Vergleich zur Schallplatte, sondern auch die musikalische Kapazität erheblich: bis zu 74 Minuten (der damalige Besitzer von Sony wollte, dass seine Lieblings-Neunte Symphonie von Beethoven in eine passt Scheibe).

1982 begann in Langenhagen (Deutschland) die Massenproduktion von CDs mit der “Alpensinfonie” von I. Strauss.

Echt

Hochwertiges Audio wird jetzt in den Super Audio CD- und DVD-Audioformaten aufgenommen, die:

Verwenden Sie ein DVD-Medium.

Mehrkanalaufzeichnung verwenden (bis zu 5.1),

Abtastrate bis 192 kHz,

Quantisierungspegel: bis zu 24 Bit (jedes Bit verdoppelt die Genauigkeit der Schallübertragung, und bei einer solchen Quantisierungstiefe kann der Dynamikbereich der wiedergegebenen Töne 130 dB überschreiten).

Die neuen Aufnahmeformate bieten die höchste Qualität, sind teuer (15 US-Dollar pro Disc) und nicht beliebt, da sich die meisten Hörer leider nicht allzu sehr um die Klangqualität kümmern.

Digitale Audiooptionen

Die wichtigen Parameter der digitalen Darstellung von Ton sind die Abtastrate der Audiosignale und die Quantisierung von Bits.

Quantisierungsraten geben an, wie oft pro Sekunde ein Signal zur Umwandlung in digitalen Code abgetastet (gemessen in der Amplitude) wird.
Für den CD-Standard sind es 44 kHz (44.000 Mal pro Sekunde), für SACD 192 kHz

Das Quantisierungsbit charakterisiert die Anzahl der Signalschritte und wird durch die Potenz von 2 gemessen.

Für den CD-Standard werden 16-Bit-Audioadapter verwendet, die 65.536 Quantisierungsschritte (2 bis 16 Potenzen) aufweisen, wie bei einer Audio-CD. Für Standard- und 24-Bit-SACD.

Digitaler Audiospeicher

Informationen zum Digitalisieren von Ton enthält eine Reihe von Signalamplitudenwerten, die in regelmäßigen Abständen erfasst werden und in Dateisequenznummern (Amplitudenwerte) geschrieben werden können.

Zwei Methoden werden häufig zum Codieren von Audioinformationen verwendet:

PCM (Pulscodemodulation)

ADPCM (Adaptive Relative Pulse Code Modulation)

PCM (Pulse Code Modulation) ist ein Verfahren zum digitalen Codieren eines Signals durch Aufzeichnen der Absolutwerte der Amplituden. So werden Daten auf allen Audio-CDs aufgezeichnet.

ADPCM (Adaptive Delta PCM) – Zeichnet Signalwerte in relativen Amplitudenänderungen (Inkrementen) auf, sodass Sie Daten vereinfachen können, um weniger Speicherplatz zu beanspruchen.

Die verlustfreie Codierung (für verlustfreie Daten-Odirovanie) ermöglicht die Datenwiederherstellung aus einem vollständig komprimierten Stream (20-50%).

Beliebte verlustfreie Codierungsalgorithmen:

Windows Wave (WAV) ist das primäre Audiodateiformat für Windows.
Das Audio Interchange File Format (AIFF) ist das primäre Audioformat für den Macintosh.

Mit der Verlustcodierung (verlustbehaftete Datencodierung) können Sie eine Klangähnlichkeit des rekonstruierten Signals zum Original mit der höchstmöglichen Datenkomprimierung (10-1 5-mal) erzielen.

Die Basis von Lossy-Encodern ist die Verwendung von psychoakustischen Modellen: Bestimmte Teile des Signals in bestimmten Frequenzbereichen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind, Nuancen (maskierte oder unhörbare Frequenzen) und treten auf, um sie aus dem ursprünglichen Signal zu entfernen.


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Analoges Audio und digitales Audio

Analoges Audio und digitales Audio

Analog vs Digital Audio

Eine Schallwelle ist eine Art komplexe Funktion, die Abhängigkeit der Amplitude einer Schallwelle von der Zeit.

Analog Audio vs. Digital Audio

Die in der Schallwelle enthaltenen Informationen werden nicht durch die Parameter des Mediums, in dem sich die elastische Welle ausbreitet, und die Schwingungsparameter (Amplitude und Frequenz, Ton und Harmonische) bestimmt.

Jede Form der Aufzeichnung (mechanisch und Skye, magnetisch, optisch, Laser) basiert auf der vorherigen Umwandlung der Schallwelle in einen elektrischen Wechselstrom mit den gleichen Parametern der Schwingungen (über ein Mikrofon).

Analoger Ton wird auf dem Gerät als kontinuierliches elektrisches Signal dargestellt.

Die Klangqualität hängt von der Wiedergabetreue der Wellenform ab, die sehr schwer aufrechtzuerhalten ist.

Bis 1982 konsumierte die Welt “Dosenmusik” nur von analogen Medien: Schallplatten und Magnetbändern.

Gute Schallplatten, die mit guter Ausrüstung gespielt wurden, boten eine hervorragende Klangqualität, die sich leider bei jedem Hören aufgrund mechanischer Abnutzung ein wenig verschlechterte, wenn sich der Stift entlang der Klangrille in den Klang bewegte Staub, der alles durchdrang.

Bandrekorder erforderten präzise Leseköpfe und hohe Bandvorschubgeschwindigkeiten, um eine reibungslose Wiedergabe zu gewährleisten. Mit der Zeit entmagnetisierte sich das Band, die Magnetschicht brach zusammen.

Der Hauptnachteil der analogen Audioaufnahme ist jedoch der unvermeidliche Qualitätsverlust beim Kopieren.

Das Geheimnis der Trigonometrie

Nach der Theorie des Mathematikers Jean Baptiste Fourier kann eine Schallwelle als ein darin enthaltenes Frequenzspektrum dargestellt werden.

Die Frequenzkomponenten des Spektrums sind sinusförmige Schwingungen (reine Töne), von denen jede ihre eigene Amplitude und Frequenz hat.

Nach dem Satz von Kotelnikov kann jede Schwingung, selbst die komplexeste Form (zum Beispiel eine menschliche Stimme), eindeutig und ohne Verlust aus ihren diskreten Abtastwerten mit einer Frequenz wiederhergestellt werden, die der doppelten Maximalfrequenz entspricht.

Vladimir Aleksandrovich Kotelnikov (1908-2005) – ein bekannter sowjetischer und russischer Wissenschaftler auf dem Gebiet der Funktechnik, Funkkommunikation und Radioastronomie.

Überwachung . Das Signal mit endlicher Dauer hat ein unendlich breites Spektrum. Wenn ein Signal mit einer endlichen Dauer abgetastet wird, ist es daher unmöglich, es ohne Qualitätsverlust aus den Abtastwerten wiederherzustellen.

Digitalisierung von Audioinformationen

Die Digitalisierung von Schall ist die Aufzeichnung der Amplitude des Signals in bestimmten Intervallen und die Aufzeichnung der Amplitudenwerte, die in Form gerundeter digitaler Werte erhalten werden.
Jeder Computer enthält ein Motherboard und einen Audioadapter (Soundkarte).

Zu den Soundkarten gehören: ADC (Analog-Digital-Wandler), Synthesizer, Mixer, DAC-Verstärker (Digital-Analog-Wandler), MIDI-Schnittstellenanschluss für Spielgeräte.

Um digitalen Ton aufzunehmen, erzeugt der ADC:

zeitliche Abtastung eines kontinuierlichen Signals (bestimmt den Wert der Amplitude des Signals mit der Frequenz, die erforderlich ist, um seine ursprüngliche Form wiederherzustellen = die doppelte maximale Frequenz der Schallwelle);

Quantisierung durch die Pegel der gemessenen Signalwerte (bestimmt die Anzahl der festen Werte (Pegel, Abstufungen) der Amplitude des Signals);

Signalcodierung (Schreiben in ein Binärzahlensystem).

Der umgekehrte Vorgang wird vom DAC (Digital-Analog-Wandler) ausgeführt.

Bitrate

Bitrate (Bitrate): buchstäblich Informationsbits der Übertragungsrate.

Die Bitrate ist die effektive Informationsübertragungsrate durch den Kanal (die Übertragungsrate von “nützlichen Informationen” zusätzlich zu den Dienstinformationen), ausgedrückt in Kilobit pro Sekunde (Kilobit pro Sekunde, kbps).

In verlustbehafteten Komprimierungsvideo- und Audioübertragungsformaten drückt der Bitratenparameter den Komprimierungsgrad des Streams aus und bestimmt somit die Größe des Kanals, für den der Datenstrom komprimiert wird.

P-Modus-Komprimierungsdatenstrom:

mit konstanter Bitrate (konstante Bitrate, CBR) – Die erforderliche Bitrate wird anfänglich eingestellt, die sich in der gesamten Datei nicht ändert. Es ermöglicht eine recht genaue Vorhersage der endgültigen Dateigröße, bietet jedoch kein optimales Verhältnis von Größe zu Qualität für Musikwerke, deren Klang sich im Laufe der Zeit dynamisch ändert.

mit variabler Bitrate (VBR): Der Codec ändert den Wert der Bitrate basierend auf dem gewünschten Qualitätsniveau gemäß dem psychoakustischen Modell. Es bietet die beste Qualität der Ausgabedatei, ist jedoch nicht vorhersehbar (es kann sich mehrmals unterscheiden).

mit einer durchschnittlichen Bitrate (ABR): eine Mischung aus konstanten und variablen Bitraten: Der Benutzer stellt die Bitrate in kbit / s ein und das Programm variiert sie innerhalb bestimmter Grenzen.

DRM ist ein moderner Standard für digitale Sendungen

DRM ist ein moderner Standard für digitale Sendungen

DRM

Betrachten Sie das Problem einer kompakten Darstellung der Audiosignale von Nia in Standard-DRM, dem neuen Wespenstandard mit dem Som-Index ISO / IES 14496 (MPEG-4-Standard).

DRM

Der dritte Teil dieser Norm (“Sound”) beschreibt die codierte Darstellung natürlicher und synthetischer Klangbeispiele. Diese Unterscheidung ermöglicht es, den Hauptteil, der ein individuelles Merkmal des gegebenen Signals ist, von den übertragenen Klangkompositionen und den Teil zu unterscheiden, der auf einem Computer synthetisiert werden kann. Bei der Übertragung eines Audiosignals müssen dessen Hauptteil und Beschreibung übertragen werden. Dies ist der Teil des Signals, der am Empfangsende synthetisiert werden kann. Die Übertragung einer Beschreibung des Signals anstelle von sich selbst ermöglicht es, auf der Empfangsseite in Echtzeit eine exakte Analogie des ursprünglichen Klangfragments wiederherzustellen
bei niedrigen Verkehrsflussgeschwindigkeiten. Dies war eines der Probleme, die die DRM-Community basierend auf dem MPEG-4-Standard löste.

DRM verwendet Advanced Audio Coding (AAC) und Linear Predictive Speech Coding (CELP und HVXC) für harmonische Vektoren. Für eine spürbare Verbesserung der Klangqualität (insbesondere bei AAS) kann eine spezielle Methode verwendet werden, um die Effizienz (Hochfrequenzrekonstruktion) der Klangcodierung (SBR) zu erhöhen.

Das codierte Audioübertragungssignal wird als Superframes (Superframes) konstanter Länge dargestellt. In Superframes wird ein Informationsdienst UEP bereitgestellt (dh reine Sprache). Spezifische Informationen zur Konfiguration des Audiodatenstroms werden auf dem DEZA-Kanal übertragen. Beachten Sie, dass, wenn beim Codieren eines Kanals keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, alle Informationsbits gleichermaßen gegen Kanalfehler geschützt sind (EEP-Algorithmus), dh der Schutz wird mit dem gleichen Grad an Redundanz ausgeführt. Gleichzeitig ist bekannt, dass die menschliche Wahrnehmung von Schall durch eine ungleichmäßige Empfindlichkeit gegenüber Fehlern gekennzeichnet ist, die im digitalen Informationsstrom am Ausgang des Codierers auftreten. Daher ist es ganz natürlich, einen ungleichen Schutz gegen Fehler bieten zu wollen, dh einen höheren Schutzgrad für diesen Teil der Informationsbits zu erweitern.

MPEG-4 AAC
Abbildung 1. Struktur des AAC-Audio-Superframes Für die universelle Audio-Codierung wird der MPEG-4-AAC-Algorithmus verwendet, der beste ähnliche Algorithmus, der für die Verwendung in DRM-Systemen geeignet ist. Bei der Standardanwendung eines Mono-AAC-Codierers auf dem Kurzwellenkanal (KB) wird eine Bitrate von 20 kbps bereitgestellt. Von den möglichen Erweiterungen des Standards ist nur die SBR-Technologie zulässig.

Der MPEG-4 AAC-Audiocodierungsstandard ist Teil des MPEG-4-Audiostandards (ISO / IEC 14496-3 + ISO / IEC 14496-3 / Amd1). Der digitale AAC-Stream im DRM-System ist ein digitaler Stream des MPEG-4-Audiostandards, Version 2 (für die Verwendung auf Kanälen mit hoher Interferenz). Von den möglichen Arten von Audio-Encodern (ISO / IEC-Standardobjekte) gehört nur die LC-Version (Low Complexity) des ER AAC-Encoders zu den hochwertigen Codierungsalgorithmen – sie wird im DRM-System verwendet. Unter den vorhandenen Methoden zum Organisieren eines digitalen Streams MPEG-4 AAC, Version 2, wird die Version ausgewählt, die gegen Rauschen HCR (Huffman Codeword Reordering) immun ist und sich durch eine geringe Empfindlichkeit der Audiodaten gegenüber Fehlern im Übertragungskanal auszeichnet und eine minimale digitale Bitrate.

Die Eigenschaften der digitalen Strombildung am Ausgang des AAC-Codierers im DRM-System sind wie folgt:

Die Bitrate kann beliebig sein, muss jedoch in Schritten von 20 Bit / s geändert werden, um die Ausrichtung des 400-Millisekunden-Audio-Overframes sicherzustellen.
Abtastfrequenzwerte (f d) – 12 und 24 kHz;
Die Konvertierungslänge beträgt 960 Samples, was je nach Samplerate der Dauer eines Soundframes von 80 oder 40 ms entspricht. Diese Auswahl stellt sicher, dass die Dauer der Audio-Frames mit dem logischen Frame bei der MSC übereinstimmt.
Geräuschunempfindlichkeit. Der MPEG-4-Encoder verfügt über die Mittel zum Schutz des digitalen AAC-Streams auf Kanälen mit hoher Interferenz.
Super-Audio-Frames: 5 (fd = 12 kHz) oder 10 (fd = 24 kHz) Audio-Frames bilden einen Super-Frame. Ein Audio-Superframe hat eine konstante Länge (400 ms), die die Möglichkeit bestimmt, ihn mit einer Anzahl (5 oder 10) der einfachsten Audio-Frames zu füllen, von denen jeder auch aus zwei Teilen bestehen muss. Ein Audio-Superframe wird immer in einem logischen Frame übertragen (siehe Teil 2, BC Nr. 8). Aus diesem Grund ist während der Audiokodierung keine zusätzliche Synchronisation erforderlich. Die Struktur des Audio-Superframes sieht auch die Implementierung der Funktion für ungleichmäßigen Schutz vor.

Wie ein digitales Signal über Funk übertragen wird.

Wie ein digitales Signal über Funk übertragen wird.

Digital Signal

Jedes analoge oder digitale Signal ist eine elektromagnetische Schwingung, die sich mit einer bestimmten Frequenz ausbreitet, je nachdem, welches Signal gesendet wird. Das Gerät, das dieses Signal empfängt, übersetzt es in Text-, Grafik- oder Toninformationen, die für den Benutzer oder sich selbst bequem sind. Gerät. Beispielsweise kann ein Fernseh- oder Radiosignal, ein Turm oder ein Radiosender sowohl analoge als auch momentan digitale Signale übertragen. Das Empfangsgerät wandelt es beim Empfang dieses Signals in Bild oder Ton um und ergänzt es mit Textinformationen (moderne Funkempfänger).

Digital Signal

Schall wird in analoger Form übertragen und bereits über das Empfangsgerät in elektromagnetische Schwingungen umgewandelt, und wie bereits erwähnt, breiten sich die Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz aus. Je höher die Frequenz des Tons ist, desto höher ist die Vibration, was bedeutet, dass der ausgegebene Ton lauter ist. Im Allgemeinen breitet sich das analoge Signal kontinuierlich aus, das digitale Signal diskontinuierlich (diskret).

Da sich das analoge Signal ständig ausbreitet, addieren sich die Schwingungen und es erscheint eine Trägerfrequenz am Ausgang, die in diesem Fall die Hauptfrequenz ist, und der Empfänger ist abgestimmt. Im Empfänger selbst ist diese Frequenz von anderen Schwingungen getrennt, die bereits in Schall umgewandelt werden. Die offensichtlichen Nachteile der Übertragung unter Verwendung eines analogen Signals umfassen eine große Menge an Interferenzen, eine geringe Sicherheit des übertragenen Signals sowie eine große Menge an übertragenen Informationen, von denen einige nicht erforderlich sind.

Wenn wir von einem digitalen Signal sprechen, bei dem Daten diskret übertragen werden, sollten seine offensichtlichen Vorteile hervorgehoben werden:

– hohes Schutzniveau der übertragenen Informationen aufgrund ihrer Verschlüsselung;
– Erleichterung des Empfangs digitaler Signale;
– Mangel an seltsamem “Lärm”;
– Der digitale Rundfunk kann eine große Anzahl von Kanälen bereitstellen.
– Hohe Übertragungsqualität: Das digitale Signal filtert die empfangenen Daten.

Um ein analoges Signal in ein digitales Signal umzuwandeln und umgekehrt, werden spezielle Geräte verwendet: ein Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein Digital-Analog-Wandler (DAC). Der ADC ist im Sender installiert, der DAC ist im Empfänger installiert und wandelt das diskrete Signal in ein analoges um.

Warum ist das digitale Signal in Bezug auf die Sicherheit sicherer als das analoge? Das digitale Signal wird verschlüsselt übertragen und das Gerät, das das Signal empfängt, muss einen Code zum Decodieren des Signals haben. Es ist auch erwähnenswert, dass der ADC auch die digitale Adresse des Empfängers senden kann. Wenn das Signal abgefangen wird, ist es unmöglich, es vollständig zu entschlüsseln, da ein Teil des Codes fehlt. Dieser Ansatz ist in der Mobilkommunikation weit verbreitet.

Kurz gesagt, der Hauptunterschied zwischen analogem und digitalem Signal ist die Struktur des übertragenen Signals. Analoge Signale sind ein kontinuierlicher Schwingungsfluss mit variabler Amplitude und Frequenz. Das digitale Signal ist eine diskrete Schwingung, deren Werte vom Übertragungsmedium abhängen.

Digitalsignal

Ein digitales Signal ist ein Datensignal, in dem jeder der repräsentativen Parameter durch eine Funktion der diskreten Zeit und einen endlichen Satz möglicher Werte beschrieben wird.

Die Signale sind diskrete Licht- oder elektrische Impulse. Bei diesem Verfahren wird die volle Kapazität des Kommunikationskanals verwendet, um ein Signal zu übertragen. Das digitale Signal nutzt die gesamte Bandbreite des Kabels. Die Bandbreite ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Frequenz, die über das Kabel übertragen werden können. Jedes Gerät in solchen Netzwerken sendet Daten in beide Richtungen, und einige können gleichzeitig empfangen und senden. Basisbandsysteme übertragen Daten als digitales Einzelfrequenzsignal.

Ein diskretes digitales Signal ist über große Entfernungen schwieriger zu übertragen als ein analoges Signal, daher wird es auf der Senderseite vormoduliert und auf der Seite des Informationsempfängers demoduliert. Die Verwendung von Algorithmen zum Überprüfen und Wiederherstellen digitaler Informationen in digitalen Systemen kann die Zuverlässigkeit der Informationsübertragung erheblich erhöhen.

Kommentar. Denken Sie daran, dass ein echtes digitales Signal von Natur aus analog ist. Aufgrund von Rauschen und Änderungen der Parameter der Übertragungsleitungen treten Schwankungen in Amplitude, Phase / Frequenz (Jitter) und Polarisation auf. Dieses analoge Signal (Impuls und diskret) ist jedoch mit den Eigenschaften einer Zahl ausgestattet. Infolgedessen ist es möglich, numerische Methoden für seine Verarbeitung (Computerverarbeitung) zu verwenden.