Was sind die Vor- und Nachteile von digitalem Audio?
Die digitale Darstellung von Ton ist vor allem für die Möglichkeit der endlosen Speicherung und Wiedergabe ohne Qualitätsverlust wertvoll, aber die Umwandlung von analoger in digitale Form und umgekehrt führt zwangsläufig zu einem teilweisen Verlust.
Die unangenehmsten Verzerrungen, die in der Digitalisierungsstufe eingeführt werden, sind das granulare Rauschen, das auftritt, wenn das Signal aufgrund der Rundung der Amplitude auf den nächsten diskreten Wert durch den Pegel quantisiert wird. Im Gegensatz zu einfachem Breitbandrauschen, das durch Quantisierungsfehler verursacht wird, ist granulares Rauschen die harmonische Verzerrung des Signals, die im oberen Teil des Spektrums am deutlichsten erkennbar ist.
Die Leistung des körnigen Rauschens ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Quantisierungsschritte; Aufgrund der logarithmischen Charakteristik des Hörens mit linearer Quantisierung (konstanter Schrittwert) haben leise Töne weniger Quantisierungsschritte als laute Töne, und infolgedessen fällt die Hauptdichte nichtlinearer Verzerrungen in den Bereich der Töne. Leise. Dies führt zu einer Begrenzung des Dynamikbereichs, die idealerweise (ohne Berücksichtigung der harmonischen Verzerrung) dem Signal-Rausch-Verhältnis entspricht. Die Notwendigkeit, diese Verzerrung zu begrenzen, verringert jedoch den Dynamikbereich für die 16-Bit-Codierung auf 50-60 dB. Die Situation hätte durch logarithmische Quantifizierung gerettet werden können, aber ihre Implementierung in Echtzeit ist sehr schwierig und teuer.
Die durch granulares Rauschen verursachte Verzerrung kann verringert werden, indem dem Signal normales weißes Rauschen (zufälliges oder pseudozufälliges Signal) mit einer Amplitude von der Hälfte des niedrigstwertigen Bits hinzugefügt wird; Eine solche Operation wird Dithering genannt. Dies führt zu einem leichten Anstieg des Rauschpegels, schwächt jedoch die Korrelation von Quantisierungsfehlern mit den Komponenten des Hochfrequenzsignals und verbessert die subjektive Wahrnehmung. Anti-Aliasing wird auch angewendet, bevor die Samples durch Verringern ihrer Bittiefe gerundet werden. Dithering und Rauschformung sind im Wesentlichen Sonderfälle derselben Technologie, mit dem Unterschied, dass im ersten Fall weißes Rauschen mit einem flachen Spektrum und im zweiten Fall Rauschen mit einem Spektrum mit einer “Form” verwendet wird “Besondere.
Beim Wiederherstellen von Audio von digital auf analog besteht das Problem, die gestufte Wellenform zu glätten und die durch die Abtastrate eingeführten Harmonischen zu unterdrücken. Aufgrund der Unvollkommenheit des Frequenzgangs der Filter kann eine unzureichende Unterdrückung dieser Störung oder eine übermäßige Dämpfung nützlicher Hochfrequenzkomponenten auftreten. Schlecht unterdrückte Oberwellen der Abtastrate verzerren die Form des analogen Signals (insbesondere im Hochfrequenzbereich), was zu einem “rauen” und “schmutzigen” Klang führt.
Mit welchen Methoden wird digitales Audio effektiv komprimiert?
Derzeit sind Audio MPEG, PASC und ATRAC die bekanntesten. Sie alle verwenden die sogenannte “Wahrnehmungscodierung” (Perceptual Coding), bei der für das Ohr kaum wahrnehmbare Informationen aus dem Tonsignal entfernt werden. Infolgedessen bleibt Ihre Hörwahrnehmung trotz der Änderung der Form und des Spektrums des Signals praktisch unverändert, und das Kompressionsverhältnis rechtfertigt eine leichte Qualitätsminderung. Eine solche Codierung bezieht sich auf verlustbehaftete Komprimierungsverfahren, bei denen es nicht mehr möglich ist, die ursprüngliche Wellenform aus dem komprimierten Signal genau wiederherzustellen.
Techniken zum Entfernen einiger Informationen basieren auf einer Eigenschaft des menschlichen Gehörs, die als Maskierung bezeichnet wird: Wenn das Schallspektrum ausgeprägte Spitzen (dominante Harmonische) aufweist, werden die schwächsten Frequenzkomponenten in unmittelbarer Nähe praktisch nicht wahrgenommen (maskiert) nach Ohr. Während der Codierung wird der gesamte Audiostream in kleine Frames unterteilt, von denen jeder in eine Spektraldarstellung umgewandelt und in mehrere Frequenzbänder unterteilt wird. Innerhalb von Bändern werden maskierte Töne erkannt und entfernt, wonach jeder Frame direkt in spektraler Form einer adaptiven Codierung unterzogen wird. All diese Vorgänge ermöglichen es, die Datenmenge erheblich (mehrmals) zu reduzieren und gleichzeitig die für die meisten Hörer akzeptable Qualität beizubehalten.
Jedes der beschriebenen Codierungsverfahren ist durch die Bitrate gekennzeichnet, mit der die komprimierte Information in den Decodierer eintreten muss, wenn das Audiosignal wiederhergestellt wird. Der Decodierer wandelt eine Reihe komprimierter Momentansignalspektren in eine herkömmliche digitale Wellenform um.
Audio MPEG ist eine Gruppe von Audiokomprimierungstechniken, die von MPEG (Moving Pictures Experts Group) standardisiert wurden.
