Audio-Bitrate gegen Bittiefe

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Warum kann der Unterschied in der Bitrate dazu führen, dass es großartig klingt (hoch, mittel, niedrig)?

Bit Depth vs. Bit Rate

Antworten:
Um sicherzugehen, dass dies klar ist, wollen wir differenzieren

BIT RATE BIT DEPTH

Abtastrate gegen Bittiefe

so viel wie

Bitrate

wie sie sich auf Audio im digitalen Bereich beziehen …

Abtastfrequenz:

Die Abtastrate wird als Frequenz (Abtastungen pro Sekunde) angegeben, beispielsweise 44,1 kHz für CD. Andere übliche Werte sind 48, 88,2, 96, 176,4 und 196 kHz, obwohl einige Formate (wie DSD) Abtastraten von mehr als 2,8 MHz aufweisen. Die Abtastrate gibt an

wie oft das Audiosignal gemessen wird

Während einige Leute niedrigere Messwerte als abgestuftes Balkendiagramm anzeigen, ziehe ich es vor, sie als untergeordnete Bitmap anzuzeigen. Wenn Sie den Umriss eines Pferdes auf 20 Punkte vereinfachen, damit sich das Kind verbinden kann, führt dies nicht zu Schritten (die Verwendung von geraden und gekrümmten Linien zum Verbinden von 20 Punkten mit korrektem Abstand kann zu einer anständigen Figur führen), aber dies wird nicht der Fall sein ohne Subtilität. Während Sie mit 200 (oder 2000) Punkten die Wellenstränge entlang der Mähne des Pferdes approximieren können.

Bei Audio macht eine niedrigere Abtastrate den Ton nicht “schlecht” (z. B. unscharf, unscharf oder verzerrt), sondern begrenzt die maximale Frequenz (Tonhöhe), die wie beabsichtigt aufgenommen / wiedergegeben werden kann.

Nyquist-Theoremformel

Die Abtastrate von 44,1 kHz wurde für CD gewählt, da sie Frequenzen bis zu 20 kHz aufnehmen und wiedergeben kann. Um ein gesprochenes Wort (wie eine Rede, eine Predigt oder ein Hörbuch) aufzuzeichnen, wäre es schwierig, eine viel niedrigere Abtastrate zu erkennen, da die menschliche Stimme über 10 kHz immer weniger harmonische Informationen enthält.

Tiefenbits:

Berücksichtigt man, dass die Abtastfrequenz bestimmt, wie

häufig

Das Audiosignal wird gemessen, die Bittiefe zeigt an

Skalengenauigkeit

Da es sich um digitales Audio handelt, beschreiben wir diese Messskala in Bits, wobei jedes Bit 0 oder 1 ist, und verketten eine bestimmte Anzahl davon, um den Wert darzustellen. Wenn wir 8 Bits haben, gibt es 256 mögliche numerische Werte, einschließlich Null. Mit 16 Bit gibt es 65.536 mögliche Werte. Ein 24-Bit-Register kann 16.777.216 Werte verwenden.

Wenn wir analoges Audio in digitale Darstellung (A-zu-D) und umgekehrt (D-zu-A) umwandeln, finden wir interessante mathematische Beziehungen. Jedes Bit (digital) verdoppelt die Anzahl der möglichen Werte … Und die Verdoppelung der Amplitude (ungefähr das 4-fache der Leistung) der Schallwelle (analog) entspricht + 6 dB Lautstärke. Daher können wir den maximalen Dynamikbereich * einer digitalen Aufzeichnung auf 6 dB / Bit schätzen. Daher hat die 8-Bit-Aufnahme einen Dynamikbereich von ~ 48 dB, die 16-Bit-Aufnahme (wie eine CD) einen ~ 96 dB und die 24-Bit-Aufnahme einen ~ 144 dB.

* Für diejenigen unter Ihnen, die mit diesem Begriff nicht vertraut sind, beschreibt der Dynamikbereich im Wesentlichen den Unterschied zwischen den leisesten und lautesten Schallwellen, die aufgenommen / wiedergegeben werden können. Die CD hat eine Differenz von ungefähr 96 dB, die verwendet werden kann, um die subtilste Pause im Vergleich zu dem unglaublich lauten Platzen der Kanone bei Tschaikowskys Höhepunkt darzustellen.

1812 Ouvertüre

Drei kurze Notizen für alle, die sich mit dem Rhythmus beschäftigen möchten …

Es gibt eine Formel für den tatsächlichen Dynamikbereich einer digitalen Aufzeichnung, die geringfügig von der vorherigen Schätzung abweichen kann, jedoch eine relativ geringe Abweichung darstellt. Daher wird eine Schätzung von 6 dB / Bit normalerweise in Anführungszeichen angezeigt.
Die neuesten 32-Bit-Gleitkomma-Darstellungen kombinieren eine 24-Bit-Zahl und einen 8-Bit-Exponenten, um viel mehr mögliche Werte als 24-Bit-Register darzustellen. Die Schätzung des Dynamikbereichs wird etwas zweifelhaft, reicht jedoch aus, um zu sagen, dass sie deutlich über 144 dB liegt.
Die Verwendung einer geringeren Bittiefe muss, obwohl Sie vielleicht an Warp-Plugins mit Namen wie “Bit-Grinder” denken, nicht “schlecht” klingen (z. B. Fuzzy, Fuzzy oder verzerrt), sondern nur repräsentiert einen reduzierten Dynamikbereich. Da jedoch eine 16-Bit-Aufzeichnung mit einem Dynamikbereich von 96 dB (65.536 numerische Werte) nicht in 8 Bit (48 dB und 256 numerische Werte) dargestellt werden kann, um die Bittiefe des bereits digitalisierten Audios zu verringern, a mathematische Korrektur der Zahlen nach unten. (65535 wird beispielsweise zu 255) Verwenden eines Kompressors oder Begrenzers, wodurch die leisesten Aufnahmebits verloren gehen können, sodass der Unterschied zwischen leisen und lauten Teilen <48 dB beträgt. Ohne ein solches Schema führt die Transformation zu Übersteuerungen (numerische Werte über dem Maximum).
Bitrate:

Bei digitalem Audio ist die Bitrate ein Maß für

Wie viele Bits werden pro Sekunde übertragen / verarbeitet?

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Audio-Bittiefe

16 bit vs. 24 bit Audio, What Should You Record At? (FAQ Series) - YouTube

Bei digitalem Audio unter Verwendung von Pulscodemodulation (PCM) ist die Bittiefe die Anzahl der Informationsbits in jedem Abtastwert und entspricht direkt der Auflösung jedes Abtastwerts. Beispiele für Bittiefen sind digitale Audio-CDs, die 16 Bit pro Sample verwenden, sowie DVD-Audio- und Blu-ray-Discs, die bis zu 24 Bit pro Sample unterstützen können.

Live Digital Audio in Plain English Part 1 - SoundGirls.org

In grundlegenden Implementierungen wirken sich Änderungen der Bittiefe hauptsächlich auf das Grundrauschen aufgrund eines Quantisierungsfehlers aus, dh des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) und des Dynamikbereichs. Techniken wie Dithering, Rauschformung und Überabtastung mildern diese Effekte jedoch, ohne die Farbtiefe zu ändern. Die Bittiefe beeinflusst auch die Baudrate und die Dateigröße. Die Bittiefe ist nur in Bezug auf das digitale PCM-Signal relevant. Nicht-PCM-Formate, wie z. B. verlustbehaftete Komprimierungsformate, haben keine zugeordnete Bittiefe.

Binäre Darstellung Ein PCM-Signal ist eine Folge von digitalen Audio-Samples, die Daten enthalten, die die Informationen liefern, die zur Rekonstruktion des ursprünglichen analogen Signals erforderlich sind. Jede Probe repräsentiert die Amplitude des Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt, und die Proben sind gleichmäßig über die Zeit verteilt.

Amplitude: Dies ist die einzige Information, die explizit in der Stichprobe gespeichert ist und normalerweise als Ganzzahl oder als Zahl mit einer Gleitkommazahl gespeichert wird, die als Binärzahl mit einer festen Anzahl von Ziffern codiert ist: die Tiefe von Beispielbits, auch Wortlänge genannt. oder Wortgröße. Die Auflösung gibt die Anzahl der diskreten Werte an, die in einem Bereich von Analogwerten dargestellt werden können. Die Auflösung von binären Ganzzahlen nimmt mit zunehmender Wortlänge exponentiell zu. Durch Hinzufügen eines Bits wird die Auflösung verdoppelt, durch zweimaliges Hinzufügen wird die Auflösung verdoppelt und so weiter. Die Anzahl möglicher Werte, die durch eine ganzzahlige Bittiefe dargestellt werden können, kann unter Verwendung von 2 n berechnet werden, wobei n die Bittiefe ist. Somit hat ein 16-Bit-System eine Auflösung von 65.536 (2 16) möglichen Werten.

PCM-Integer-Audiodaten werden normalerweise als vorzeichenbehaftete Zahlen im binären Komplementformat gespeichert. Viele Audiodateiformate und Digital Audio Workstations (DAWs) unterstützen jetzt PCM-Formate mit Gleitkomma-Samples. Sowohl das WAV-Dateiformat als auch das AIFF-Dateiformat unterstützen Gleitkomma-Darstellungen. Im Gegensatz zu Ganzzahlen, deren Bitstruktur eine einzelne Reihe von Bits ist, besteht eine Gleitkommazahl aus separaten Feldern, die mathematisch zu einer Zahl verknüpft sind. Der gebräuchlichste Standard ist IEEE 754, der aus drei Feldern besteht: dem Vorzeichenbit, das angibt, ob die Zahl positiv oder negativ ist, dem Exponenten und der Mantisse, die um den Exponenten erhöht wird. Mantisse wird als binärer Bruch im Gleitkommaformat der IEEE-Basis zwei ausgedrückt.

Gleitkomma Die Auflösung von Gleitkomma-Abtastwerten ist weniger einfach als die von ganzzahligen Abtastwerten, da die Gleitkommawerte nicht gleichmäßig verteilt sind. Bei der Gleitkommadarstellung ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Werten proportional zum Wert. Dies erhöht das SNR in einem ganzzahligen System erheblich, da die Genauigkeit eines Signals mit hohem Pegel der Präzision eines identischen Signals auf einem niedrigeren Pegel entspricht.

Der Kompromiss zwischen Gleitkomma- und Ganzzahlwerten besteht darin, dass der Abstand zwischen großen Gleitkommawerten größer ist als der Abstand zwischen großen Ganzzahlwerten derselben Bittiefe. Das Runden einer großen Gleitkommazahl führt zu mehr Fehlern als das Runden einer kleinen Gleitkommazahl, während das Runden einer ganzen Zahl immer zu derselben Fehlerstufe führt.

Mit anderen Worten, die ganzen Zahlen haben eine gleichmäßige Rundung, wobei das niedrigstwertige Bit immer auf 0 oder 1 gerundet wird, und der Gleitkomma hat ein gleichmäßiges Signal-Rausch-Verhältnis. Der Quantisierungsrauschpegel ist immer proportional zum Signalpegel. Das Gleitkomma-Grundrauschen nimmt mit zunehmendem Signal zu und mit abnehmendem Signal ab, was zu einer hörbaren Drift führt, wenn die Bittiefe klein genug ist.