Audio-Bittiefe
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.
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.