MP3- und Audio-Digitalisierung.


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MP3- und Audio-Digitalisi
erung.

Die ganze Menschheit hat sich an alltägliche Dinge wie das Aufnehmen und Wiedergeben von Ton gewöhnt, sei es ein Diktiergerät, ein Anrufbeantworter oder Musikaufnahmen ihrer Lieblingskünstler. Und Menschen, die die meiste Zeit in der Nähe des Computers verbringen, können sich ein Leben ohne Ton wahrscheinlich nicht vorstellen. Dieser Artikel konzentriert sich auf ein allgemeines Codierungsformat wie MP3.

Nun, Thomas Alva Edison begann mit der Aufnahme, als er die Worte “Mary hatte ein Lamm” auf seiner “Talking Machine” rief. Die “sprechende Maschine” war das weltweit erste Gerät, das Ton aufzeichnete und wiedergab: ein Phonograph, der einen Soundtrack mechanisch auf einer Wachswalze aufzeichnete. Zu dieser Zeit war dies sicherlich ein großer Fortschritt, wie zu dieser Zeit, und dies war im Jahr 1877, als niemand auf die Idee kam, etwas Ähnliches zu schaffen.

Der größte Nachteil dieses Tonträgers war jedoch die Fragilität der Aufnahme. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie lernten die Menschen, Ton nicht nur mechanisch wie Edison, sondern auch elektromechanisch und fotoelektrisch aufzunehmen, und mit dem Aufkommen von Computern wurde es möglich, Ton in digitaler Form aufzunehmen. Der Hauptvorteil dieser Aufnahmemethode ist die Beibehaltung der Klangqualität, unabhängig davon, wie oft sie abgespielt oder neu geschrieben wurde. Da digitale Informationen auf einem Computer verarbeitet werden können, eröffnete sich eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Arbeit mit Ton. . Da die Aufnahme einer Komposition in der frühen Phase der Entwicklung des digitalen Klangs viel Speicherplatz kostete und magnetische Medien nur eine geringe Kapazität hatten, begannen Softwareentwickler, diese Tatsache zu verblüffen. wie man viel Musik auf eine kleine Festplatte legt. Dies führte zum Erscheinen verschiedener Programme – Kompressoren, die die Größe der Audiodatei reduzierten. Komprimierungsalgorithmen ermöglichten das Entfernen bestimmter Frequenzen, was zu einem Verlust der Klangqualität führte, und dann stand der Benutzer vor der Wahl, Geld für den Kauf zusätzlicher Megabyte und das Speichern unkomprimierter Musikdateien auszugeben oder Geld zu sparen. und Kompressoren verwenden.

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, was “Klang” im wirklichen Leben ist. Die Übertragung von Informationen aus der Ferne mit akustischen Schwingungen ist nur aufgrund der Eigenschaften der akustischen Umgebung möglich, in der dieselben Schallschwingungen auftreten. Sie sind aufgrund des Vorhandenseins elastischer Bindungen zwischen Partikeln im leitenden Medium möglich. Die Schallquelle erzeugt einen Druckbereich durch Komprimieren von Luftmolekülen. Diese Moleküle übertragen ihre Energie auf andere in der Nähe und diese wiederum auf andere usw., was dazu führt, dass Bereiche mit erhöhtem und verringertem Druck im Verhältnis zum Umgebungsdruck auftreten. Dies erzeugt eine Schallwelle, die von Natur aus kontinuierlich ist. Einer der Parameter der Welle ist die Amplitude. Nehmen wir ein einfaches Beispiel: eine Gitarrensaite. Jeder weiß, dass es zur Erhöhung der Lautstärke des Klangs erforderlich ist, die Saite mit mehr Kraft zu ziehen, wodurch die Schwingungsamplitude erhöht wird, was zu einer Erhöhung der Druckabweichung führt. Eine Welle reicht jedoch nicht aus, um einen Schall zu übertragen, der vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Schwingungsfrequenz, dh die Frequenz, mit der die Schallquelle eine Druckänderung erzeugt, und diese Frequenz bestimmt die Tonhöhe des übertragenen Schalls. Um die Tonhöhe einer Gitarre zu ändern, müssen Sie die Saite an einem bestimmten Bund gedrückt halten, dh die Länge der Saite und folglich die Frequenz ihrer Vibrationen ändern.

Nachdem wir die Natur des Klangs ein wenig verstanden haben, wechseln wir von analog zu digital. Um “natürlichen” Klang zu digitalisieren, müssen Sie ihn zuerst in ein analoges elektrisches Signal umwandeln. In diesem Fall ist das Analogon der Amplitude der Schallwelle die Amplitude der Spannungsänderung. Wie oben erwähnt, sind die Welle und das analoge elektrische Signal kontinuierliche Funktionen, aber für die Digitalisierung müssen sie in diskreter Form dargestellt werden. Hierzu wird ein ADC (Analog-Digital-Wandler) verwendet, der die kontinuierliche Welle in Abschnitte zerlegt (Sample) und die Amplitude der Welle in diesen Abschnitten als Zahl darstellt, dh quantifiziert. Es ist klar, dass für eine größere Präzision und Reinheit des Klangs die Anzahl der Samples gegen unendlich tendieren und ihre Größe gegen Null gehen muss. Die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde wird als Abtastrate oder Abtastrate bezeichnet und in Hz gemessen. Es stellt sich die Frage, welche Abtastrate beim Digitalisieren verwendet werden soll, damit das Ergebnis am natürlichsten ist. Es ist theoretisch bekannt, dass für die genaueste Rekonstruktion eines kontinuierlichen analogen Signals aus diskreten Werten eine Abtastfrequenz verwendet werden muss, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Schallfrequenz (Satz von Nyquist). Es ist bekannt, dass das menschliche Ohr Geräusche mit einer Frequenz von 18 bis 20.000 Hz wahrnehmen kann. Daher beträgt die optimale Abtastfrequenz 40 kHz oder mehr. Die häufigsten Abtastfrequenzen sind 44,1 kHz, 48 kHz. Aufgrund der Tatsache, dass Harmonische über 20 kHz auch den Gesamtklang beeinflussen, werden auch Encoder mit Abtastraten von 96 und 192 kHz verwendet. Die Klangqualität hängt auch von der Anzahl der Stellen ab, die zur Aufzeichnung der gemessenen Amplitude verwendet werden. Der Quantisierungsfehler ist umgekehrt proportional zur Bitbreite. Daher wird bei einer 8-Bit-Quantisierung der Schallpegel unter Verwendung von Zahlen im Bereich [-128; 128] mit 16 Bits von [-32768; 32768]. Bei der Aufnahme von Audio-CDs wird beispielsweise eine exakte 16-Bit-Quantisierung verwendet, damit sie eine hohe Klangqualität aufweisen.

Lassen Sie uns eine mittlere Schlussfolgerung ziehen: Der ADC wandelt das analoge Signal in Zahlen um und schreibt sie als Sequenz. Dann kommt Wave, ein Soundformat. Beachten Sie, dass Audio-CDs Ton im gleichen Format aufnehmen. Diese Speichermethode ist jedoch nicht wirtschaftlich. Viele Leute bevorzugen wahrscheinlich eine MP3-Disc, die mehr als 200 Songs enthalten kann, als eine normale CD. Dazu wird die Wave-Datei auf Kosten der Qualität komprimiert. Seien Sie jedoch nicht beunruhigt, da das menschliche Ohr den Verlust der Klangqualität nach der Komprimierung praktisch nicht erkennen kann. Lassen Sie mich jetzt erklären. Alles begann, als die Internationale Organisation für Normung (ISO) Ende der 1980er Jahre die Expertengruppe Moving Pictrures gründete, deren Aufgabe es war, einen internationalen Standard für die Darstellung digitaler Video- und Audiodaten zu entwickeln. Das Ergebnis der Arbeit der Gruppe ist das MPEG-1 Layer 3-Format, kurz MP3, das Audiodaten praktisch ohne Qualitätsverlust um 1/12 komprimiert. Der Audiokomprimierungsalgorithmus in diesem Format basiert auf den psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Hörorgans, und daher hat die Entfernung von Elementen, die vom Ohr nicht wahrgenommen werden, keinen Einfluss auf die spürbare Qualitätsverschlechterung. Angenommen, es befinden sich viele Personen im Raum, die alle lautstark miteinander sprechen. Wenn Sie versuchen, eine Person anzurufen, die nur wenige Meter von Ihnen entfernt ist, ohne Ihre Stimme zu erheben, erwarten Sie nicht, dass sie Ihren Anruf entgegennimmt. , da es Sie aufgrund des erzeugten Geräusches nicht hört. Dies liegt daran, dass Klänge derselben Frequenz mit höherer Amplitude andere Frequenzen mit niedrigerer Amplitude maskieren. Dieser unglückliche Effekt wird jedoch gerne zum Komprimieren von digitalisiertem Audio verwendet. Der Wellenstrom enthält alle Toninformationen, auch maskiert, die für das Ohr nicht hörbar sind. Nach der Komprimierung werden diese Informationen jedoch entfernt, wodurch die Dateigröße verringert wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal des zur Kompression verwendeten menschlichen Hörorgans ist die Trägheit. Das Ohr ist, um es vulgär auszudrücken, ein Trägheitsgerät, daher kann eine Person an der Grenze des Unterschieds des Schallpegels vom höchsten zum niedrigsten für eine bestimmte Zeit (~ 100 ms) keinen Schall mit niedrigerer Amplitude hören Daher wird der Ton in diesem Zeitraum möglicherweise nicht gespeichert. Es ist auch möglich, den Schall, der über der Empfindlichkeitsschwelle liegt, nicht zu speichern, dh dessen Schallpegel unter einem bestimmten Wert liegt und daher für eine Person unhörbar ist. Eine weitere interessante Eigenschaft, die zum Codieren verwendet wird (jedoch nicht von ”

Zusammen führt dies zu erheblichen Einsparungen beim von der Audiodatei belegten Speicherplatz. Eine durchschnittliche Musikdatei, die 30-40 MB in “voller” Form belegt, belegt nach dem Codieren in MP3 bereits 3-4 MB, sodass Sie mehr als 11 Stunden Musik auf einer Disc aufnehmen können. Dies ist jedoch nicht die Grenze. Im Jahr 2001 hatte das MP3-Format einen Nachfolger: das MP3Pro-Format. Schöpfer sind Thomson Multimedia und das Fraunhofer-Institut in Deutschland. Eine Besonderheit des neuen verbesserten Formats ist, dass die Dateien im neuen Format bei gleicher Qualität im Vergleich zu normalen MP3s doppelt so viel Speicherplatz beanspruchen. Beispielsweise hat eine MP3Pro-Datei mit einer Klangqualität von 128 kbit / s dieselbe Größe wie eine MP3-Datei mit 64 kbit / s. Ein weiterer Vorteil ist

Mal sehen, wie dies erreicht wird. Das Funktionsprinzip des MP3Pro-Formats ist recht einfach. Beim Codieren wird der Audiostream in zwei Teile unterteilt, zwei Streams. Das erste ist das niederfrequente, das im üblichen MP3-Format codiert ist, wodurch die Formate übrigens abwärtskompatibel werden, da normale Player nur diesen Teil der Datei abspielen. Der zweite Stream ist eine Hochfrequenz, die in dem Teil des MP3-Streams codiert ist, den ältere Player ignorieren. Der neue Decoder kombiniert diese beiden Streams und führt zu einem vollen Klang über das gesamte Frequenzband.
In Bezug auf die Förderung des neuen Formats auf dem Markt hat MP3Pro im Vergleich zu seinem älteren Bruder keine so breite Verbreitung erhalten. Thomson Multimedia bietet eine kostenlose Version des MP3Pro Player / Encoder zum Download von seiner Website an. Die Einschränkungen dieser Version bestehen darin, dass nur 64 kbit / s für die Codierung verfügbar sind. WinAmp-Liebhaber haben ein Plugin zum Abspielen von MP3Pro-Dateien

Natürlich konvergierte das Licht nicht bei MP3, es gibt andere digitale Codierungsformate, aber trotzdem ist es immer noch das beliebteste.


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Abtastfrequenz.

Abtastfrequenz.

Sample Rate

Welche Bedeutung hat es für die Tonaufnahme?

Sample Rate

Zeitabtastung ist ein Prozess, der in direktem Zusammenhang mit der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal steht. Gleichzeitig werden die Daten in ihrer Amplitude quantisiert. Zeitabtastung bedeutet, ein Signal zum Zeitpunkt seiner gesamten Übertragung zu messen.

Eine Probe wird als Einheit entnommen. Wenn dies in Worten nicht ganz klar ist, dann scheint es in einem Beispiel überzeugender zu sein. Angenommen, die Abtastrate beträgt 44100 Hz, genau wie bei Audio-CDs.

Dies bedeutet, dass das Signal in einer Sekunde 44100 Mal gemessen wird.

Ein analoges Signal hat immer eine höhere Sättigung als ein digitales. Und seine Umwandlung ist ein unvermeidlicher Qualitätsverlust.

Die Abtastrate dient als eine Art Benchmark: Je höher sie ist, desto näher kommt die digitale Klangqualität der analogen. Dies ist in der folgenden Liste deutlich sichtbar. Zeigt an, welche Schallfrequenz am besten ist.

Während Sie es studieren, werden Sie einen direkten Zusammenhang zwischen Sampling und Track-Qualität feststellen:

1.8000 Hz. Diese Frequenz ist typisch für Telefongespräche und Sprachaufzeichnungen auf einem Diktiergerät mit einfachen Funktionen. Es wird in Audio verwendet, das über den Nellymoser-Codec konvertiert wurde.
2. 22050 Hz werden im Rundfunk verwendet.
3,44100 Hz. Wie oben erwähnt, ist diese Frequenz typisch für Audio-CDs, und diese Zahl ist seit langem mit der höchsten Qualitätsstufe gekennzeichnet. Und heute verliert das Format nicht seine Position.
4.48000 Hz. Dies sind die DAT- und DVD-Formate, die AUDIO ersetzt haben.
5.16000 – DVD-Audio MLP-5.1.
6.2822 400 Hz ist ein High-Tech-Super-Audio-SACD-Format.
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Die Liste zeigt deutlich, welche Schallfrequenz die beste ist. Darüber hinaus hören Technologien nicht auf und es erscheinen neue Formate.

Bevor jedoch weitreichende Pläne gemacht werden, muss eine sehr wichtige Nuance berücksichtigt werden.

Sein Wesen ist einfach: Je höher die Abtastfrequenz, desto schwieriger ist es, sie technologisch zu erreichen. Dafür braucht man:

Bereitstellung einer hochintensiven Übertragung digitaler Streams. Und das ist nicht an allen Schnittstellen möglich. Und je mehr Kanäle an der Aufnahme beteiligt sind (was typisch für Musikensembles ist), desto komplizierter wird der Prozess.
mit einem Prozessor ausgestattet sein, der leistungsfähige Rechenoperationen ausführen kann. Aber selbst bei den fortschrittlichsten Beispielen sind die Möglichkeiten für ultrahohe Klangqualität begrenzt.
Verwenden Sie diese Option, um Computergeräte mit viel RAM aufzuzeichnen.
Angesichts der obigen Informationen ist es nicht verwunderlich, dass die Schallfrequenz von 44100 Hz auch heute noch am gefragtesten ist.

Es erfüllt seit Jahrzehnten selbst die anspruchsvollsten Qualitätsanforderungen und bietet gleichzeitig alle technischen Möglichkeiten, dies zu erreichen. Dieser letzte Faktor ist sowohl für normale Benutzer als auch für die meisten Aufnahmestudios entscheidend.

Selbst wenn man die beste Schallfrequenz kennt, muss man sich um die technische Ausrüstung kümmern, um dies zu erreichen.

Digitale Klangqualität

Digitale Klangqualität

Sound quality

Toninformationen. Schall ist eine Welle, die sich mit kontinuierlich variierender Intensität und Frequenz durch Luft, Wasser oder ein anderes Medium bewegt.

Digital Sound Quality

Eine Person empfängt Schallwellen (Luftschwingungen), die durch Hören in Form von Schall unterschiedlicher Lautstärke und Tonhöhe unterstützt werden. Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe

Abhängigkeit von Lautstärke und Tonhöhe von der Intensität und Frequenz einer Schallwelle

Das menschliche Ohr empfängt Schall mit einer Frequenz von 20 Schwingungen pro Sekunde (kleiner Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (lauter Schall).

Eine Person kann Schall in einem breiten Spektrum von Intensitäten empfangen, wobei die höchste Intensität 1014-mal höher ist als die niedrigste (100 Milliarden-mal). Zur Messung der Lautstärke wird eine spezielle Einheit “Dezibel” (dbl) verwendet (Tabelle 5.1). Durch Verringern oder Erhöhen der Lautstärke um 10 dB kann die Schallintensität um das 10-fache verringert oder erhöht werden.

Die Lautstärke
Ton in Dezibel
untere Grenze der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs 0
Blattflüstern 10
Gespräch 60
Gudok Fahrzeug 90
Düsentriebwerk 120
Schmerzschwelle 140
Sound Time Sampling. Damit ein Computer Ton verarbeiten kann, muss ein kontinuierliches Audiosignal mit Unterstützung für die Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden. Eine konstante Schallwelle wird in kleine separate Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert für die Schallintensität festgelegt.

Daher wird die konstante Abhängigkeit der Lautstärke des Schalls von der Zeit A (t) durch eine diskrete Folge von Lautstärkepegeln ersetzt. In der Grafik scheint dies eine glatte Kurve durch eine Folge von “Schritten” zu ersetzen.

Abtastfrequenz. Um analogen Ton aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln, wird ein Mikrofon verwendet, das an die Soundkarte angeschlossen ist. Die Qualität des erhaltenen digitalen Klangs hängt von der Anzahl der Messungen des Schallpegels pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz. Je mehr Messungen in 1 Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastfrequenz), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des Dialogsignals.

Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Audio-Lautstärkemessungen in einer Sekunde.

Die Audio-Abtastrate kann zwischen 8000 und 48000 Schallvolumenmessungen pro Sekunde liegen.

Audio-Codierungstiefe. Jedem “Schritt” wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautheitspegel des Tons können als ein Satz wahrscheinlicher Zustände N angesehen werden, für die eine Codierung einer bestimmten Menge an Informationen I erforderlich ist, die durch die Codierungstiefe des Tons vergrößert wird.

Die Audiocodierungstiefe ist die Informationsmenge, die zum Codieren der diskreten Lautstärkepegel von digitalem Audio erforderlich ist.

Wenn die Codiertiefe bekannt ist, kann die Anzahl der digitalen Lautstärkepegel mit der Formel N = 2I berechnet werden. Lassen Sie die Soundcodierungstiefe 16 Bit betragen, dann ist die Anzahl der Soundlautstärkepegel gleich:

N = 2I = 216 = 65536.

Während des Codierungsvorgangs wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen, der niedrigste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.

Die Qualität des digitalisierten Klangs. Je höher die Tonabtastfrequenz und -tiefe ist, desto höher ist die Qualität des digitalisierten Tons. Die niedrigste Qualität des digitalisierten Tons, die für die Qualität einer Telefonverbindung geeignet ist, wird mit einer Abtastrate von 8000 Mal pro Sekunde, einer 8-Bit-Abtastrate und durch Aufzeichnen einer Audiospur (“Mono” -Modus) erzielt. Der höchste digitalisierte Ton, der für die Audio-CD-Qualität geeignet ist, wird mit einer Abtastrate von 48.000 Mal pro Sekunde, einer 16-Bit-Abtastrate und durch Aufzeichnen von 2 Audiospuren (“Stereo” -Modus) erzielt ).

Es ist zu beachten, dass das Informationsvolumen in der Audiodatei umso größer ist, je höher die Qualität des digitalen Klangs ist. Sie können das Informationsvolumen in einer digitalen Stereo-Sounddatei mit einer Dauer von 1 Sekunde und einer durchschnittlichen Klangqualität (16 Bit, 24.000 Messungen pro Sekunde) schätzen. Dazu muss die Codierungstiefe mit der Anzahl der Messungen in 1 Sekunde multipliziert und mit 2 multipliziert werden (Stereoton):

16 Bit 24.000 2 = 768.000 Bit = 96.000 b = 93,75 KB.

Abtastung, Abtastfrequenz

Abtastung, Abtastfrequenz

Sampling frequency

Diskretisierung (Diskretisierungsfrequenz) – Transcodierung eines analogen Signals in ein digitales Signal durch Lesen der Eigenschaften des Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt und Umwandlung in eine digitale Datenmatrix (ca. 100010110).

Sample Rate

Die Abtastrate ist ein Parameter, mit dem Sie die Anzahl der Anrufe an ein analoges (oder digitales) Signal in einem bestimmten Zeitraum (normalerweise eine Sekunde) ermitteln, Frequenzen in digitaler Form aufzeichnen oder in ein analoges Signal umwandeln können.

Wenn wir uns auf den Satz von Kotelnikov stützen, ist zur Aufzeichnung eines verlustfreien Signals eine Abtastrate erforderlich, die zwei- oder mehrmals höher ist als die maximale Schallfrequenz des abgespielten Titels. Das heißt, theoretisch sind 44.100 Hz für die meisten Aufnahmen ausreichend, was mehr als zweimal höher ist als der Schwellenwert für hörbare Frequenzen des Menschen, aber dies ist nicht ganz richtig.

Je höher die Abtastfrequenz, desto genauer wird der Ton in einem analogen oder digitalen Signal wiedergegeben. Je mehr Konvertierungen von analog zu digital und umgekehrt vorgenommen werden, desto mehr geht jedoch die Präzision und Qualität der ursprünglichen Signalaufzeichnung verloren.

Die maximale Abtastrate für 2010 betrug 2.822.400 Hz und entsprach dem Super Audio CD (SACD) -Standard. In den meisten Multimedia-Zentren verfügen Heimkinosysteme über DACs (Digital-Analog-Wandler) und ADCs (Analog-Digital-Wandler) mit einer Abtastrate von 192.000 Hz.

Um ein Signal in analog umzuwandeln, werden spezielle Chips verwendet: DACs (Digital-Analog-Wandler). Um das Signal in digital umzuwandeln, werden ADCs (Analog-Digital-Wandler) verwendet.

Diese Mikrochips und Chipsätze weisen eine Vielzahl anderer Eigenschaften als die Abtastrate auf, wie z. B. THD, das Ausmaß der durch die Transformation eingeführten Interferenz, die Anzahl möglicher falscher Fehler, das Nicht-Speichern eines digitalen Signals usw.