Einblicke in Einzelbit-Audioformate


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Einblicke in Einzelbit-Audioformate

Single bit audio

Geräte, die sich auf digitale Mehrbit-Aufzeichnung konzentrieren, dominieren seit vielen Jahren den Bereich der Geräte zur Schallwiedergabe für Verbraucher. Es ist jedoch möglich, dass die Einzelbit-Aufzeichnungstechnologie mit einer hohen Abtastrate in Zukunft weit verbreitet sein wird.

SINGLE BIT AUDIO

Der Geist der Perfektion

Heutzutage dominieren digitale Audioaufzeichnungs- und -verarbeitungstechnologien Studio- und Verbrauchergeräte. Aufgrund der Einfachheit der Bearbeitung und Verarbeitung sowie der Möglichkeit der Langzeitspeicherung und des Mehrfachkopierens von Tonträgern ohne die geringste Verschlechterung erlangten digitale Formate schnell die Sympathie der ersten Fachleute der Aufnahmeindustrie und später der Endverbraucher.

Kurz nachdem digitale Geräte und Medien ihre analogen Vorgänger in relativ kurzer Zeit fast vollständig vom Massenmarkt verdrängt hatten, verstummte der Chor der Stimmen, die die unübertroffene Perfektion des “kristallklaren” digitalen Klangs bewunderten. Professionelle Musiker, Aufnahmespezialisten und einfach Kenner hochwertiger Klänge begannen darauf zu achten, dass die digitale Klangdarstellung trotz des Stereotyps einer massiven Werbekampagne keineswegs “perfekt” ist.

Ohne Zweifel beseitigte der Übergang zu digitalen Technologien eine Reihe grundlegender Mängel der analogen Aufzeichnung. Entwickler digitaler Geräte mussten sich jedoch den Kopf brechen, um bestimmte Probleme zu lösen, die mit der praktischen Umsetzung des Problems der Umwandlung eines analogen Signals in digitale Form verbunden sind, und umgekehrt. Wenn sich die Entwickler von Tongeräten zuvor mit der Bekämpfung der charakteristischen Verzerrungen und des Rauschens von analogen Technologien und Medien befassten, mussten sie im Zeitalter der digitalen Aufzeichnung nach Methoden suchen, um dabei auftretende Fehler und Artefakte zu minimieren. Digitalisieren eines analogen Signals und Umwandeln eines digitalen Stroms in ein analoges.

Die größten Schwierigkeiten werden durch die Entwicklung von Modulen verursacht, mit denen ein analoges Signal aus einer digitalen Aufzeichnung wiederhergestellt werden kann. Im Allgemeinen ist die Erstellung eines Digital-Analog-Wandlers (DAC), der die Form des ursprünglichen analogen Signals perfekt wiederherstellen kann, eine nahezu unlösbare Aufgabe. Zumindest, weil die digitale Aufzeichnung diskreter Natur ist. Bei der Quantisierung eines analogen Signals kommt es zwangsläufig zu einer Rundung der Momentanwerte jeder Probe. Wir können daher nur von einer größeren oder kleineren Abweichung des rekonstruierten Signals in Bezug auf seine ursprüngliche Form sprechen, die eine bestimmte Schaltungslösung liefern kann.

Sackgasse der Evolution
Einige Experten sind der Meinung, dass die Entwicklung digitaler Tonaufzeichnungstechnologien zunächst nicht der optimalste Weg war. Sowohl im Bereich der professionellen als auch der Verbraucherausrüstung basieren die am weitesten verbreiteten Formate und Geräte auf digitaler Mehrbitaufzeichnung.

Die Umwandlung eines analogen Signals in dieses Format erfolgt mit der Pulscode-Modulationsmethode (PCM). In diesem Fall wird die Amplitude des ursprünglichen Analogsignals in regelmäßigen Abständen gemessen. Die Häufigkeit, mit der diese Messungen durchgeführt werden, wird als Abtastrate bezeichnet. Sein numerischer Wert muss mindestens doppelt so hoch sein wie die obere Grenzfrequenz des ursprünglichen Signals. Um ein Phonogramm mit einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz zu digitalisieren, muss die Abtastfrequenz mindestens 40 kHz betragen. In der Praxis werden im Allgemeinen Nicht-Vielfache verwendet: 44,1 kHz bei einer CD und 48 kHz bei DAT-Rekordern der ersten Generation.

Das Ergebnis der Digitalisierung eines analogen Signals unter Verwendung der Pulscodemodulationsmethode.
Zur Verdeutlichung wird eine 4-stellige Skala verwendet.

Die für jede Probe gemessenen Amplitudenwerte des analogen Signals werden auf den nächsten ganzzahligen Wert der verwendeten Skala gerundet. Dieser Vorgang wird als Quantifizierung bezeichnet. Die Genauigkeit der Messung wird sowohl durch die Eigenschaften des ADC als auch durch die Bitbreite des digitalen Signals oder einfacher durch die Anzahl der Bits begrenzt, die zum Aufzeichnen jeder Probe zugewiesen sind. Beispielsweise hat die Skala bei 8-Bit-Aufzeichnung 256 Werte für 16-Bit – 65.536 und für 24-Bit – mehr als 16,7 Millionen.

Einerseits ist es offensichtlich, dass mit zunehmender Abtastrate und Bittiefe der PCM-Aufzeichnung auch die Konvertierungsgenauigkeit zunimmt. Andererseits ist in der Praxis das Potenzial zur Erhöhung dieser Parameter durch viele objektive Faktoren begrenzt, insbesondere die Geschwindigkeit der Mikroprozessoren.


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Was Sie von digitalem Audio erwarten können

Was Sie von digitalem Audio erwarten können

digital audio

Vor einigen Jahren wurde das Wort “Multimedia” in das Computerlexikon aufgenommen, und in jüngerer Zeit wird der PC zunehmend als Home-Entertainment-Center verwendet. In beiden Fällen muss der Computer den Ton wiedergeben, der, wie Sie sich vorstellen können, nur in digitaler Form darauf vorhanden ist. Und wenn mit dem Aufkommen der ersten Transistortechnologie das Phänomen des “Transistorsounds” heftig diskutiert und mit Mythen und Legenden bedeckt wurde; Es wird jedoch oft angenommen, dass die Computersignalverarbeitung andererseits offensichtlich besser ist. Was ist digitales Audio und wie ist es dem analogen unterlegen oder überlegen?

Digital Audio

Aus menschlicher Sicht handelt es sich bei Schall um Luftschwingungen mit einer Frequenz von ungefähr 16 Hz bis 20 kHz. Eine Person nimmt die niedrigeren Frequenzen (mit ausreichender Amplitude) nicht als Schall, sondern als Schwingung wahr. Vorgesetzte werden überhaupt nicht gefangen genommen. Die Obergrenze des Frequenzbereichs hängt vom Alter ab: Bei kleinen Kindern erreicht sie 22 bis 24 kHz und nimmt mit der Zeit allmählich auf 8 bis 12 kHz ab. Daher kann das menschliche Ohr Signale mit einer sehr großen Bandbreite hören. Zum Vergleich: Das Auge kann Farbe nur in dem Bereich wahrnehmen, der die Frequenzänderung elektromagnetischer Schwingungen um weniger als das Zweifache abdeckt. Natürlich sind nicht alle Frequenzen gleich wichtig. Zum Beispiel ist ein Bereich von 500 bis 3500 Hz für die Sprachverständlichkeit ausreichend. Aber um Musik oder den Soundtrack eines Films zu hören, reicht dies nicht aus. Idealerweise sollte das Schallfeld im Hörbereich nicht vom Schallfeld im Aufnahmebereich zu unterscheiden sein. Das heißt, der gesamte Audiopfad vom Studiomikrofon zum Heimlautsprecher darf keine Verzerrungen verursachen, die innerhalb der Auflösung des menschlichen Höranalysators liegen.

Der Klang, den unsere Ohren beim Abspielen einer digitalen Aufnahme wahrnehmen, hat zuvor eine Reihe von Veränderungen erfahren:

1) elektromechanische Umwandlung von Luftschwingungen in ein elektrisches Signal;

2) Verstärkung und Verarbeitung eines analogen elektrischen Signals (Frequenzentzerrung, Hinzufügung von Hall usw.), Mischen;

3) Analog-Digital-Wandlung;

4) digitale Signalverarbeitung: Frequenzkorrektur, Mischen, Mastering usw.;

5) Speicherung oder Übertragung von digitalisiertem Ton;

6) digitale Signalverarbeitung: Frequenzkorrektur, Lautstärkeregelung, Überabtastung;

7) Digital-Analog-Wandlung;

8) Analoge Signalverarbeitung (Frequenzentzerrung, Mischen, Hinzufügen von Hall usw.);

9) Verstärkung des analogen Signals;

10) elektromechanische Umwandlung von elektrischen Stromschwingungen in Schallschwingungen.

Bei der Verarbeitung eines analogen Signals in einem Studio werden häufig Geräte mit analoger Schnittstelle und digitaler “Füllung” verwendet, sodass die Kette der Analog-Digital- und Digital-Analog-Konvertierungen viel länger sein kann.

Die ersten vier Stufen werden am häufigsten mit Studiogeräten durchgeführt, die eine unvergleichlich höhere Leistung als Heimgeräte aufweisen. Obwohl Verzerrungen unvermeidbar sind, gehen wir davon aus, dass sie im Vergleich zu Verzerrungen ähnlicher Art, die in den letzten fünf Phasen durch Haushaltsgeräte verursacht wurden, unbedeutend sind. Bei der Amateur-Audioaufnahme sollte in den frühen Stadien eine zusätzliche Verzerrung berücksichtigt werden, die im Folgenden beschrieben wird.

Die elektromechanische Umwandlung erfolgt normalerweise mit einem Studiomikrofon. Dieses Gerät erzeugt ein sehr schwaches Signal, das verstärkt werden muss und außerdem extrem anfällig für mechanische Beanspruchungen ist. Selbst unter idealen Bedingungen, beispielsweise in einem Konzertsaal, kann akustisches Rauschen dazu führen, dass der Dynamikbereich der abgespielten Musik unter dem maximalen Dynamikbereich einer 16-Bit-Soundpräsentation liegt.

Ein von mehreren Mikrofonen aufgezeichnetes Signal wird unweigerlich verarbeitet: Die erforderlichen Lautstärkepegel der verschiedenen Kanäle werden ausgewählt, das Rauschen wird mit Filtern usw. reduziert. Auch der Dynamikbereich des Signals wird im Allgemeinen komprimiert. Die letzte Operation führt zu einer signifikanten Erhöhung des Geräuschpegels, aber ohne sie würde die Aufnahme auf mittelständischen Verbrauchergeräten unbefriedigend klingen, vor allem zu leise.

Die durch den Schallweg verursachten Verzerrungen haben eine unterschiedliche physikalische Natur und sehr unterschiedliche Erscheinungsformen, können jedoch in drei große Gruppen unterteilt werden.

Abtastrate und Bittiefe

Abtastrate und Bittiefe

Bit Depth

Wenn ein Signal von einem Vorverstärker, Kompressor, Konsolenausgang oder Synthesizer den ADC erreicht, repräsentiert es elektromagnetische Schwingungen. Das heißt, eine bestimmte Welle mit variabler Spannung (sehr kleine Werte) erreicht den Eingang des ADC. Um ein Signal in einer Datei zu speichern, muss es „digitalisiert“, dh durch Einsen und Nullen codiert werden. Das Ergebnis ist eine grafische Darstellung der Welle auf dem Computerbildschirm.

Bit Depth

Selbst der beste Konverter hat einen Fehler, da es keine Zwischenwerte zwischen Null und Eins gibt und der Wellendiagramm nur aus vertikalen und horizontalen Segmenten ohne schräge Linien besteht. Die grafische Darstellung der Welle wird durch die Tonhöhe (Schwingungsfrequenz), ihre Klangfarbe (Wellenform) und die Lautstärke (Amplitude) beeinflusst. Ein hochwertiger ADC muss alle diese Parameter korrekt an das Aufzeichnungssystem übertragen.

Der Ton gelangt also diskret in das System, dh in kleine Segmente unterteilt. Die Genauigkeit der Codierung eines analogen Signals in einer digitalen Umgebung hängt von der Größe dieser Segmente ab. Je kleiner die horizontalen und vertikalen diskreten Einheiten sind, desto genauer ist der Scan.

Abtastrate

Durch horizontales Teilen der Welle erhalten wir eine Vorstellung von der Abtastrate oder der Abtastrate. Je häufiger der ADC Änderungen der Wellenformwerte erkennt, desto höher ist die Abtastrate. In Wirklichkeit ist ein Sample ein diskretes Einheitssegment, die kleinste Toneinheit. Je kürzer es ist, desto höher ist die Abtastrate.

Beispielsweise zeigt eine Abtastrate von 44,1 kHz an, dass 44.100 Abtastungen pro Sekunde aufgezeichnet werden. Wir können die Welle bearbeiten, indem wir ein Segment mit einer Dauer von 1/44100 Sekunden als minimales Bearbeitungselement verwenden. Wenn die Abtastrate auf 48 kHz ansteigt, fällt dieser Abschnitt auf 1/48000 Sekunde ab, was eine genauere Auswirkung ermöglicht.

Abtastratenübereinstimmung

Jede Probe hat die gleiche Länge wie die vorherige. Für eine ordnungsgemäße Tonwiedergabe müssen die Abtastraten von Dateien und Systemen identisch sein. Wenn dem Projekt eine Audiospur mit einer anderen Abtastrate als der Host- (Programm-) Abtastwert hinzugefügt wird, muss diese konvertiert werden.

Wenn Sie eine Datei mit höherer Frequenz auf einem niedrigeren System abspielen, klingt sie langsamer als erwartet und umgekehrt. Das Umwandeln eines Signals von einer Frequenz in eine andere führt immer zu Verzerrungen. Um den Sound für eine neue Samplerate “umzuformen”, muss das System die Samples in kleinere Stücke aufteilen und zu einer einzigen Welle zusammensetzen. Ein solcher Vorgang kann bestenfalls dazu führen, dass der Ton im schlimmsten Fall einfach verwischt wird und Klicks auftreten.

Bei den eingebauten Lautsprechern eines Heim-Laptops wird der Unterschied natürlich nicht spürbar sein. Wenn Sie jedoch professionell mit Sound arbeiten möchten, ist eine Koordination der Samplerate erforderlich.

Es wird nicht empfohlen, die Abtastrate innerhalb desselben Projekts zu ändern. Eine Rechtfertigung für eine höhere Abtastung könnte beispielsweise die Notwendigkeit sein, die Datei mit Algorithmen oder Plugins zu verarbeiten, die bei hohen Frequenzen besser funktionieren. Da eine höhere Abtastrate die Aufteilung in kleinere Abtastwerte bedeutet, ist die Verarbeitungsgenauigkeit höher und das Ergebnis von besserer Qualität. Es ist aber auch unmöglich, die Wirksamkeit dieser Methode zu garantieren: In jedem Fall ist das Ergebnis individuell. Es muss jedes Mal bewertet werden, was wichtiger ist: der Effekt der Verarbeitung mit einer höheren Auflösung oder der negative Effekt der Konvertierung.

Wenn Sie aus irgendeinem Grund nach Abschluss des Auftrags bei 48 kHz das Signal in 44,1 kHz konvertieren müssen, speichern Sie die Originaldatei, falls Sie das Material erneut bearbeiten müssen (z. B. für alternatives Mastering). Die Verarbeitung mit einer höheren Abtastrate bietet einen besseren Effekt als die Verarbeitung mit einer niedrigeren Abtastrate.

Soundkapazität

Wenn die horizontale Teilung einer Welle eine Vorstellung von der Abtastfrequenz gibt, ist die vertikale Abtastung die Bittiefe, die für die zuverlässige Übertragung der dynamischen Elemente des Registers verantwortlich ist. Je mehr “Schritte” der Konverter korrigieren kann, desto höher ist die Bittiefe der aufgenommenen Audiodatei.

Beispielsweise kann sich eine Welle über einen bestimmten Zeitraum einen Schritt von 0 auf 16 oder vielleicht vier bis vier Einheiten pro Schritt bewegen. Eine genauere Darstellung wäre 16 Schritte nach dem anderen. Die Anzahl der Schritte, in die die Welle vertikal unterteilt ist, ist die Bittiefe.

Je höher die Bittiefe des Wandlers ist, desto zuverlässiger werden Signale mit unterschiedlichen Lautstärken übertragen.

Mit Ton arbeiten

Mit Ton arbeiten

Analog and Digital

Analoges und digitales Audio

Analog and Digital

Die analoge Tonaufnahme basiert auf der Umwandlung von Schallwellen in elektrische Wellen mit einem Mikrofon. Ein Mikrofon besteht aus einer kleinen Membran, die vibrieren kann, und einem Mechanismus, um die Vibrationen der Membran in ein elektrisches Signal umzuwandeln. (Der genaue elektrische Mechanismus unterscheidet sich je nach Mikrofontyp.) Im Allgemeinen entspricht ein höherer Druck einer höheren Spannung und umgekehrt.

Der Rekorder überträgt die Wellenform noch einmal, diesmal von einem elektrischen Signal über einen Draht zu einem magnetischen Signal auf Band. Bei der Wiedergabe der Aufnahme geschieht das Gegenteil: Das magnetische Signal wird in ein elektronisches Signal umgewandelt, wodurch der Lautsprecher vibriert (normalerweise elektromagnetisch).

Das Hauptgerät für die digitale Aufzeichnung ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC, Analog-Digital-Wandler, ADC). Der ADC erfasst einen Teil der elektrischen Spannung auf dem Audiopfad und präsentiert ihn als Nummer, die dann an den Computer übertragen wird. Wenn Sie die Spannung mehrere tausend Mal pro Sekunde erfassen, erhalten Sie ein Signal, das dem Original sehr nahe kommt. Die Aufnahmeeinheit wird als Sample bezeichnet (jede Zahl in einer Audiodatei entspricht einem Sample in einer Wellenform).

Es gibt zwei Faktoren, die die Qualität einer digitalen Aufzeichnung bestimmen:

Abtastrate
Die Frequenz, mit der Samples aufgenommen oder abgespielt werden, gemessen in Hertz (Hz) oder Samples pro Sekunde. Eine typische Audio-CD wird mit einer Abtastrate von 44100 Hz aufgenommen, kurz bekannt als 44 kHz. Dies ist die gleiche Standardabtastrate, die für die meisten Ziffern verwendet wird.

Beispielformat (Größe)
Die Anzahl der Stellen in der digitalen Darstellung jeder Probe. Stellen Sie sich vor, die Abtastrate wird horizontal und die Stichprobengröße vertikal dargestellt. Die Audio-CD ist 16 Bit breit, was ungefähr 5 Dezimalstellen entspricht.

Höhere Abtastraten für die digitale Aufnahme ermöglichen eine genaue Aufnahme bei höheren Frequenzen. Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste gewünschte Abtastrate. Es wird angenommen, dass das durchschnittliche menschliche Ohr keine Frequenzen über 20.000 Hz unterscheiden kann, weshalb 44.100 Hz als Standard für Audio-CDs gewählt wurden. Jetzt erfolgt der Übergang zu den Frequenzen 96 und 192 kHz schrittweise, insbesondere im DVD-Audio-Format. Viele Menschen hören jedoch einfach nicht den Unterschied zwischen 44,1 kHz und 192 kHz Audio.

Größere Samples bieten einen größeren Dynamikbereich, dh die Möglichkeit, lautere und leisere Klänge zu präsentieren. Wenn Sie mit der Dezibel-Skala (dB) vertraut sind, können Sie ein Beispiel von gewöhnlichen Audio-CDs nennen – ihr Dynamikbereich beträgt theoretisch 90 dB, aber er klingt tatsächlich niedriger als -24 dB. Audacity unterstützt zwei weitere Sample-Größen: 24-Bit, das am häufigsten bei digitalen Studioaufnahmen verwendet wird, und 32-Bit-Gleitkomma, dessen Dynamikbereich alle vorstellbaren Anforderungen abdeckt, obwohl die Daten mit diesen Parametern belegt sind Nur doppelt so viel Speicherplatz wie 16-Bit-Audio.

Bei der Wiedergabe von digitalem Sound wird ein Digital-Analog-Wandler (DAC) verwendet. In diesem Fall wird zur Wiederherstellung des ursprünglichen Signals und zur anschließenden Digitalisierung mit dem ADC eine Probe entnommen, aus der an den Analogausgängen eine bestimmte Spannung hergestellt wird. Die ersten CD-Player haben genau das getan, daher war die Klangqualität nicht sehr gut. Moderne Player glätten das Audiosignal auch durch Abtasten innerhalb eines Bereichs der Abtastfrequenz. Die Qualität der Filter im DAC wirkt sich auch auf das neu erstellte Tonsignal aus. Das Filter ist eine der Signalanpassungsstufen im DAC.

Der unvermeidliche Verlust beim Übergang von analogem zu digitalem Audio kann durch eine Reihe von Vorteilen der digitalen Aufzeichnung ausgeglichen werden. Digitale Daten können beliebig kopiert werden und es kommt zu keinem Qualitätsverlust. Diese Daten können auf eine Musik-CD gebrannt oder als komprimierte Dateien ins Internet gestellt werden. Außerdem sind digitale Aufnahmen viel einfacher zu bearbeiten als analoge Bänder.

Ein Personal Computer verfügt über alle erforderlichen Geräte, um Audiodaten von analog zu digital und umgekehrt umzuwandeln. Zuallererst ist es eine Soundkarte, ein zusätzlich installiertes separates Gerät wie Creative SBLive! Und möglicherweise ein im Motherboard integrierter Soundchip. In beiden Fällen enthält das Audiogerät einen Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Tonaufzeichnung und einen Digital-Analog-Wandler (DAC) zur Wiedergabe. Das von Ihnen verwendete Betriebssystem interagiert mit der Soundkarte.