Audiokodierung und -dekodierung

Methoden zum Komprimieren von digitalem Audio.

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Methoden zum Komprimieren von digitalem Audio.

Audio Encoding

Methoden zur Informationskomprimierung bei der Arbeit mit Sound.

Audio Encoding

Je größer die Speicherkapazität der WT-Karte ist, desto realistischer ist der Klang (da mehr Samples im Speicher gespeichert sind, werden sie mit einer höheren Auflösung aufgenommen). Der allgemeine MIDI-Standard beschreibt mehr als 200 Instrumente. Zum Speichern Ihrer Sound-Samples (Tabellen) sind mindestens 8 MB Speicher erforderlich (mindestens 20 KB für jedes Sample).

Bekannte WF-Methode (Wave Form) zur Klangerzeugung, basierend auf der Umwandlung von Klängen in komplexe mathematische Formeln und der anschließenden Anwendung dieser Formeln zur Steuerung eines leistungsstarken Prozessors zur Wiedergabe des Klangs; Erwarten Sie von der WF-Synthese eine noch bessere Realität (im Vergleich zu FM- und WT-Technologien) von Musikinstrumenten, die mit begrenzten Volumina von Audiodateien spielen.

Um den Datenfluss zu reduzieren, werden andere analoge (Nicht-PCM-) Codierungsmethoden verwendet. Beispielsweise ist bekannt, dass eine Codierungstechnik, die auf bekannten Eigenschaften eines analogen Signals basiert, die gespeicherte Datenmenge signifikant reduziert; mit dem sogenannten -T wird die Codierung des analogen Signals in einen digitalen Code umgewandelt, der durch den Logarithmus der Größe des Signals (und nicht durch seine lineare Transformation) bestimmt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit, a priori Informationen über die Eigenschaften des ursprünglichen Signals zu haben.

Es sind Umwandlungsmethoden bekannt, die keine A-priori-Informationen über das ursprüngliche Signal erfordern. Wenn die Differenzialpulscodemodulation (DPCM, Differentialpulscodemodulation) die Einzelsignaldifferenz zwischen aktuellen und vorherigen Pegeln beibehält (die Differenz erfordert eine digitale Darstellung von weniger Bits als dem vollen Amplitudenwert). Bei der Delta-Modulation (DM, Delta-Modulation) besteht jeder Abtastwert aus einem einzelnen Bit, das das Vorzeichen der Änderung des ursprünglichen Signals bestimmt (Zunahme oder Abnahme); Die Delta-Modulation erfordert eine höhere Abtastrate. Bei differenziellen PCM-Technologien häufen sich Fehler im Laufe der Zeit. Daher werden spezielle Maßnahmen ergriffen, um den ADC regelmäßig zu kalibrieren.

Am häufigsten wird bei der Aufnahme von empfangenem Audio die adaptive Pulscodemodulation (ADPCM, Adaptive Pulscodemodulation) verwendet, bei der die Differenzsignale mit 8- oder 4-Bit-Codierung versehen werden. Die Technologie wurde erstmals von Creative Labs angewendet und bietet eine Datenkomprimierung von bis zu 4: 1.

Es werden jedoch häufig andere Komprimierungs- / Dekomprimierungsmethoden für Audioinformationen (Software) verwendet. Am beliebtesten ist in letzter Zeit das MP3-Format, das vom Fraunhofer IIS (Fraunhofer-Institut Integrierte Schaltungen, www.iis.fhg.de) und von THOMSON (die vollständige Spezifikation des MP3-Formats wird auf der Website www.mp3tech.org veröffentlicht) entwickelt wurde ). Der vollständige Name des MP3-Standards klingt wie MPEG-Audio Layer-3 (wobei MPEG die Essenz der Expertengruppe für bewegte Bilder ist, nicht zu verwechseln mit dem MPEG-3-Standard, der für die Verwendung in hochauflösendem Fernsehen entwickelt wurde).

Die MP3-Codierung von Daten erfolgt durch Zuweisung unabhängiger unabhängiger Datenblöcke: Frames. Zu diesem Zweck wird das ursprüngliche Signal während der Codierung in Teile gleicher Länge unterteilt, die als Frames bezeichnet werden, und separat codiert (um die Datenmenge weiter zu reduzieren, wird die Komprimierung unter Verwendung des Huffman-Algorithmus angewendet). Beim Decodieren wird das Signal aus einer Folge von decodierten Rahmen gebildet. Der Codierungsprozess nimmt viel Zeit in Anspruch. Die Dekodierung (während der Wiedergabe) erfolgt im laufenden Betrieb.

Das MP3-Format bietet die beste Klangqualität bei kleinster Dateigröße. Dies wird erreicht, indem die Besonderheiten des menschlichen Gehörs berücksichtigt werden, einschließlich des Effekts, ein schwaches Signal aus einem Frequenzbereich mit einem stärkeren Signal aus einem benachbarten Bereich (wenn es auftritt) oder ein starkes Signal aus dem vorherigen Rahmen zu maskieren, was a verursacht vorübergehende Abnahme der Empfindlichkeit des Ohrs gegenüber dem Signal des aktuellen Rahmens (mit anderen Worten, kleinere Geräusche werden eliminiert, die vom menschlichen Ohr aufgrund des Vorhandenseins eines anderen – lauteren Tons in diesem / vorherigen Moment nicht gehört werden). Es berücksichtigt auch die Unfähigkeit der meisten Menschen, Signale zu unterscheiden, die unter einem bestimmten Leistungspegel liegen und für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedlich sind. Dieser Prozess wird als adaptive Codierung bezeichnet und speichert zumindest fundierte Details, die aus Sicht der menschlichen Wahrnehmung von Bedeutung sind. Das Komprimierungsverhältnis (daher die Qualität) wird nicht durch das MP3-Format bestimmt, sondern durch die Breite des Datenstroms während der Codierung.

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Audiokodierung und -verarbeitung. Audiokodierung

Audiokodierung und -verarbeitung. Audiokodierung

Audio encoding

Es gibt drei Haupttypen von Audio-Ziffern:

lossless & lossy audio encoding

Format – keine Komprimierung;
Format (verlustbehaftet) – verlustbehaftete Komprimierung;
Format (verlustfrei): verlustfreie Komprimierung.
Verlustbehaftete Komprimierung: Technologie, bei der die codierte Datei im Vergleich zum Original erheblich reduziert wird, da Informationen entfernt werden, die vom menschlichen Ohr nicht wahrgenommen werden.

Der Nachteil dieser Technologie ist die Tatsache, dass die komprimierte Datei niemals mit dem Original identisch sein wird.

Verlustfrei – Verlustfreie komprimierte Audioformate, einschließlich:

FLAC (Free Lossless Audio Codec)
APE (Mono-Audio)
WV (WavPack)
Diese Formate können CDs unter Beibehaltung der Qualität in digitale Formate konvertieren. Als Beispiel können Sie eine CD nehmen, sie in WAV konvertieren, dann WAV in FLAC, dann von FLAC in WAV zurückkehren und sie dann auf eine leere CD brennen, und Sie haben eine absolut identische Kopie Ihrer Quelle.

Welches Format klingt die Musik mit der besten Qualität?
Am beliebtesten ist das verlustfreie FLAC-Format, und eines der am häufigsten verwendeten Konvertierungsprogramme von CD zu FLAC ist EAC (Exact Audio Copy).

Von allen Parametern des digitalen Audios müssen zunächst die folgenden Indikatoren beachtet werden:

Abtastrate (Genauigkeit der zeitlichen Digitalisierung eines analogen Signals),
Bitrate (die Menge an Informationen, die in der Datei in einer Sekunde enthalten sind).

Die Abtastrate ist die Frequenz, mit der digitales Audio verarbeitet wird. Die häufigste Abtastrate für hochwertige Audioformate beträgt 44,1 kHz.

Es ist allgemein anerkannt, dass eine hohe Bitrate die beste Qualität garantiert; Dies ist wahr, aber nur, wenn die Quelldatei von guter Qualität ist. Ein MP3 mit hoher Qualität sollte eine Bitrate von 320 kbps haben, ein FLAC-Format mit hoher Qualität hat jedoch im Allgemeinen eine Bitrate von 900 kbps oder mehr.

Was ist das beste Musikformat?
Zusätzlich zu den Audioformaten selbst werden für einen hochwertigen Musikklang auch hochwertige Wiedergabegeräte benötigt: Lautsprecher, Verstärker, Kopfhörer. Mit anderen Worten, wenn Sie billige Desktop-Lautsprecher und Kopfhörer verwenden, können Sie den Klang von hoher Qualität nicht vollständig genießen und das volle Potenzial verlustfreier Formate freisetzen.

Ohne auf technische Details einzugehen, können die folgenden Formate empfohlen werden:

Für das Hören zu Hause empfehle ich meiner Meinung nach das beste FLAC-Format. Für einen Audio-Player ist das MP3-Format mit einer Bitrate von mindestens 320 kbps eine gute Lösung. Persönlich verwende ich das FLAC-Format nur auf allen Geräten, da Sie aufgrund des Volumens der microSD-Karten eine ausreichende Datenmenge auf dem Player speichern können.

Bei den Geräten für die Wiedergabe hochwertiger Musik empfehle ich Ihnen, die folgenden Marken zu beachten:

Wenn preiswerte Akustik nicht zu Ihnen passt und Sie ein Fan hochwertiger Soundgeräte (Hi-Fi oder Hi-End) sind, liegt alles in Ihren Händen und Sie sind nur durch Ihr Budget begrenzt. Ich werde keine Empfehlungen geben.

Audiokodierung und -verarbeitung. Audiokodierung

Es gibt drei Haupttypen von Audio-Ziffern:

Der Nachteil dieser Technologie ist die Tatsache, dass die komprimierte Datei niemals mit dem Original identisch sein wird.

Verlustfrei – Verlustfreie komprimierte Audioformate, einschließlich:

Von allen Parametern des digitalen Audios müssen zunächst die folgenden Indikatoren beachtet werden:

Abtastrate (Genauigkeit der zeitlichen Digitalisierung eines analogen Signals),
Bitrate (die Menge an Informationen, die in der Datei in einer Sekunde enthalten sind).

Die Abtastrate ist die Frequenz, mit der digitales Audio verarbeitet wird. Die häufigste Abtastrate für hochwertige Audioformate beträgt 44,1 kHz.

Es ist allgemein anerkannt, dass eine hohe Bitrate die beste Qualität garantiert; Dies ist wahr, aber nur, wenn die Quelldatei von guter Qualität ist.

Audiokodierung und -verarbeitung.

Audiokodierung und -verarbeitung.

Parameter, die die digitale Klangqualität beeinflussen Minimale und maximale Klangqualität

Audio encoding and processing

Mein Großvater hörte ein Grammophon. Die Jugend meines Vaters wandte sich der Musik zu, die aus dem Lautsprecher eines Tonbandgeräts kam. Die Blütezeit und der Niedergang der Kassettenrekorder fielen auf meine Jugend. Mein Sohn wächst im Zeitalter des digitalen Audios auf. Um auf dem Laufenden zu bleiben und meinem Sohn einen guten “Klang” zu verleihen, habe ich mich entschlossen herauszufinden, was die Qualität der digitalen Audiosignalwiedergabe bestimmt.

Ich sprach mit meinen musikliebenden Freunden. Er hat eine Informationssuche im Internet durchgeführt. Als Ergebnis kam ich zu dem Schluss, dass im digitalen Zeitalter ein qualitativ hochwertiger Klang erzielt werden kann, indem die richtigen 7 Grundelemente moderner Musikzentren ausgewählt werden:

das Format, in dem die Musik aufgenommen wird;
Spieler;
Digital-Analog-Wandler;
Verstärker;
Akustik;
Kabel;
Lebensmittel.

Im Folgenden werde ich meine Beobachtungen und Schlussfolgerungen zum Erreichen qualitativ hochwertiger Tonaufnahmen in digitalen Formaten mitteilen.

Lyrischer Exkurs, Experten müssen nicht lesen.

Kurz gesagt, ich werde erklären, woher digitaler Sound kommt. Während des Aufnahmevorgangs wandelt das Mikrofon mechanische Schwingungen (den Ton selbst) in ein analoges elektrisches Signal um. Ein analoges Signal ähnelt im allgemeinsten Fall einer Sinuskurve, die uns allen seit der High School bekannt ist. Im Zeitalter des analogen Klangs wurde dieses Signal auf verschiedenen Medien aufgezeichnet und dann wiedergegeben.

Mit der Entwicklung der Mikroprozessortechnologie wurde es möglich, Audioinformationen in digitalen Formaten aufzuzeichnen und zu speichern. Diese Formate werden durch einen Analog-Digital-Wandlungsprozess (ADC) erhalten.

Während des ADC wird das analoge Signal (unsere Sinuswelle der High School) diskret (mit anderen Worten, es wird in Stücke geschnitten). In der nächsten Stufe wird das diskrete Signal quantisiert, dh jedem resultierenden Segment der Sinuskurve wird ein digitaler Wert zugewiesen. Im dritten Schritt wird das quantisierte Signal digitalisiert, dh in Form einer Folge von 0 und 1 codiert. In Bezug auf die digitale Tonaufzeichnung werden die Informationen über die Amplitude und Frequenz des Tons digitalisiert.

Zum Aufzeichnen und Speichern digitaler Audioinformationen werden digitale Audioformate verwendet. Das Audioformat wird als eine Reihe von Anforderungen für die digitale Darstellung von Audiodaten verstanden.

Wenn es um die Klangqualität geht, werden digitale Formate in drei Kategorien unterteilt:

Formate ohne zusätzliche Komprimierung (CDDA, DSD, WAV, AIFF usw.);
Verlustfreie komprimierte Formate (FLAC, WavPack, ADX usw.);
Verlustbehaftete Komprimierungsformate (MP3, AAC, RealAudio usw.).

Bei der Wiedergabe von Musik, die in Formaten der ersten und zweiten Kategorie gespeichert ist, wird eine hohe Klangqualität erzielt. In den Formaten der dritten Kategorie werden einige Informationen absichtlich ausgeschlossen, um die Datenmenge zu verringern. Zum Beispiel Informationen über versteckte Frequenzen.

Latente Frequenzen sind solche, die außerhalb des Wahrnehmungsbereichs der durchschnittlichen Person liegen: 20 Hz – 22 kHz. Für Audiophile ist dieser Bereich aufgrund individueller psychophysiologischer Merkmale breiter.

Um Ihre Heim-Audiobibliothek zu vervollständigen, müssen Sie Datensätze auswählen, die in Dateien mit den folgenden Erweiterungen gespeichert sind:

* .wav, * .dff, * .dsf, * .aif, * .aiff sind unkomprimierte Audiodateien;
* .mp4, * .flac, * .ape, * .wma sind die häufigsten verlustfreien komprimierten Audiodateien.
Aus der Geschichte. Sie sagen, dass die ersten Experimente zur Erhaltung des Klangs von den alten Griechen durchgeführt wurden. Sie versuchten, den Ton in Amphoren zu halten. Es sah ungefähr so aus: Worte wurden in die Amphore gesprochen und es wurde schnell versiegelt. Leider hat keine dieser Aufzeichnungen bis heute überlebt.

Digital Audio – Qualitätsprobleme

Digital Audio – Qualitätsprobleme

Vor relativ kurzer Zeit wurde das Konzept “Multimedia” in unseren Diskurs aufgenommen, und jetzt wird der Computer zunehmend als Unterhaltungszentrum verwendet. Jetzt ist der Computer gezwungen, den darin vorhandenen Ton in Form von Zahlen wiederzugeben.

So wie einige Klangkenner über die Vorteile von “Röhren” -Sound gegenüber “Transistor” -Sound streiten, gibt es eine endlose Debatte darüber, was besser ist: digitaler oder analoger Sound. Versuchen wir es herauszufinden.

Für unsere Ohren sind Geräusche Luftschwingungen mit einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz, und die Obergrenze hängt vom Alter ab: Bei Kindern sind es 22 bis 24 kHz, und im Alter nimmt die wahrgenommene Frequenz bis zu 8 ab -12 kHz.

Die Frequenzen der angegebenen Grenzen werden als Schwingungen wahrgenommen, höher, sie werden von einer Person nicht wahrgenommen.

Da jedoch nicht die gesamte Erkennungsbandbreite mit der gleichen Intensität verwendet wird, wird Sprache im Bereich von 500 bis 3500 Hz deutlich wahrgenommen. Für das Hören von Musik reicht dies jedoch nicht aus. Idealerweise sollte sich der wiedergegebene Ton nicht vom Schallfeld des Mikrofons unterscheiden. Das heißt, das Aufnahme- und Wiedergabegerät darf keine Verzerrungen innerhalb der Grenzen der menschlichen Wahrnehmung verursachen.

Der Ton, den wir vom Lautsprecher hören, wird während der Aufnahme elektromechanisch in ein elektrisches Signal umgewandelt. dann gibt es die Verstärkung und Verarbeitung des analogen elektrischen Signals; Analog-Digital-Wandlung; digitale Signalverarbeitung; Frequenzkorrektur; Aufnahmeverfahren.

Nachdem der digitalisierte Ton gespeichert und übertragen wurde. Während der Wiedergabe erfolgt zuerst die digitale Signalverarbeitung. folgt der Umstellung von digital auf analog; analoge Signalverarbeitung und -verstärkung; elektromechanische Umwandlung in Schallschwingungen.

Alle diese Verfahren führen zu eigenen Verzerrungen. Der Prozess der Aufnahme und Tonverarbeitung findet in der Regel auf Studiogeräten statt, die viel besser abschneiden als Heim-Audiogeräte. Obwohl es Verzerrungen gibt, sind sie daher erheblich geringer als die Verzerrungen, die von Heimgeräten in der Wiedergabephase verursacht werden. Bei der Amateur-Tonaufnahme treten Fehler in den Aufnahmestufen auf.

Die vom Studiomikrofon erzeugte elektromechanische Umwandlung erzeugt ein sehr schwaches Signal, das verstärkt werden muss.

Selbst unter den idealen Bedingungen eines professionellen Aufnahmestudios kann der Dynamikbereich der aufgenommenen Musik aufgrund von akustischem Rauschen enger sein als der von 16-Bit-Audio.

Bei der Aufnahme von mehreren Mikrofonen wird das Signal unbedingt verarbeitet: Kanallautstärkepegel werden ausgewählt, Rauschen wird gefiltert usw. Darüber hinaus wird der Dynamikbereich des Signals verringert, was zu einer signifikanten Zunahme des Rauschens führt. Ohne dieses Verfahren würde es jedoch unbefriedigend klingen, wenn die Aufnahme auf einem Heimcomputer wiedergegeben wird.

Der Schallweg hat seine eigenen Verzerrungen, die in drei Gruppen unterteilt werden können:

1. Lineare Verzerrungen werden durch die Amplituden-Frequenz-Charakteristik des Schallwegs verursacht und sind eine Änderung des Verhältnisses der Amplituden und Phasen verschiedener Frequenzkomponenten. Frequenzen, die ursprünglich im Signal fehlten, werden nicht angezeigt.

2. Nichtlineare Verzerrung: Eine Änderung der Form des ursprünglichen Signals, die zum Auftreten von Frequenzen führt, die im eingehenden Signal fehlen, aber davon abhängen.

3. Interferenz: Das Auftreten seltsamer Frequenzen im Schallpfad, die nicht mit dem Nutzsignal verbunden sind. Störungen treten beispielsweise durch elektromagnetische Störungen, Eindringen der Frequenz der Versorgungsspannung usw. in den Schallweg auf.

Alle diese Verzerrungen treten jedoch nur in analogen Schaltkreisen auf (daher bringen Spekulationen über den Frequenzgang eines digitalen Ausgangs Spezialisten zum Lächeln). Vergessen Sie jedoch nicht die oberflächlichen Mängel von CDs, DVDs und anderen optischen Speichermedien, die Ton speichern und zu Datenverlust führen.

Die Digitalisierung des Signals ist auch mit einer starken Verzerrung verbunden, aber lassen Sie uns zunächst den Unterschied zwischen analogen und digitalen Signalen betrachten.

In einem analogen Signal ändert sich die Spannung gleichmäßig mit der Zeit, das Signal ist kontinuierlich. Das digitale Signal ist diskret, sein Wert ändert sich sofort. Darüber hinaus manifestiert sich Diskretion sowohl im Frequenz- als auch im Amplitudenbereich. Jede Änderung des Signalwerts wird abgetastet, und als Ergebnis werden die Werte auf die nächste ganze Zahl gerundet.