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Digitale Audiokomprimierung

Das Konzept der Lautstärke ist nicht nur für einen Musiker nah und verständlich, sondern auch für Menschen, die nicht mit Musik verbunden sind. Die Beziehung zwischen der Lautstärke der Teile eines Stücks und der Lautstärke der Instrumente, die gleichzeitig spielen, wird als Dynamikbereich bezeichnet. Eines der wichtigsten Werkzeuge, mit denen Produzenten und Musiker den Dynamikbereich beeinflussen, ist der Kompressor.

Obwohl der Kompressor mit einem bekannten Phänomen, der Lautstärke, arbeitet, erfolgt seine Verwendung in den meisten Fällen spontan und zufällig, ohne die Essenz des Geschehens zu verstehen. Sie können das allgemeine Prinzip des Kompressors und den Zweck jedes Griffs kennen, aber dies beseitigt nicht die Betäubung auf den ersten Blick.

Warum brauchst du einen Kompressor?

Der Hauptzweck des Kompressors besteht darin, den Signalpegel automatisch zu ändern. Es funktioniert ungefähr so, als ob Sie Ihre Hand ständig auf dem Lautstärkeregler halten und ihn auf und ab drehen würden. Der Unterschied besteht darin, dass ein Kompressor sehr schnell auf Änderungen reagieren kann, viel schneller und genauer als ein Mensch.

Bis zu diesem Zeitpunkt bedeutete das Wort Kompressor eine ganze Klasse dynamischer Geräte. Nach den gleichen Grundprinzipien wie bei einem herkömmlichen Kompressor arbeiten verschiedene Instrumente für unterschiedliche Zwecke: Begrenzer, Expander, Tore usw. Sie werden durch die Arbeit mit der Lautstärke einzelner Sounds oder der Mischung als Ganzes vereint.

Der klassische Kompressor ist schon mit seinem Namen umstritten. Jeder weiß, dass er den lautesten Ton macht. Der Name stammt jedoch von compress, was “Komprimierung” bedeutet. Wenn Sie einen Tontechniker fragen, was ein Kompressor tut, hören Sie die Antwort: “Squash the Signal”. Der Kompressor reduziert die Amplitude der dynamischen Bursts und macht sie leiser. Was ist der Hauptzweck des Kompressors: ihn leiser oder lauter zu machen? Die Antwort ist beides gleichzeitig.

Nehmen wir ein Beispiel für die Sprachaufzeichnung. Sehr oft werden beim Singen Silben oder Geräusche unterschiedlicher Lautstärke gehört. Wenn der Sänger die Dynamik seiner Aufführung nicht sehr gut kontrolliert, verursachen solche Unterschiede Probleme für den Toningenieur und wirken sich negativ auf das Endergebnis der Arbeit aus. Stille Silben verschwinden in der Mischung, Text wird schwer zu unterscheiden, und wenn Sie die Lautstärke für einen ruhigen Bereich einstellen, beginnt die Stimme an anderen Stellen “hervorzuheben”.

Hier kommt der Kompressor ins Spiel. Es ermöglicht Ihnen, starke Bursts zu unterdrücken und sie mit stillen Fragmenten auszugleichen. Jetzt können Sie die Lautstärke des Tracks erhöhen, ohne befürchten zu müssen, dass Silben herausragen. Der Kompressor macht den Klang gleichzeitig niedriger und höher. Drei Bilder zeigen die Phasen der Arbeit mit Ton: eine Quelle mit großen Spitzen (a), ein komprimiertes Signal (b) und eine Erhöhung des Lautstärkepegels der gesamten Datei (c).

Es ist besonders wichtig, die Komprimierung anzuwenden, wenn Sie in einer digitalen Umgebung aufnehmen, wenn wir gezwungen sind, einen Maximalpegel von 0 dB einzuhalten, da das Überschreiten dieses Schwellenwerts zu Clips und Verzerrungen führt. Wenn Clips angezeigt werden, verringern wir den Vorverstärkerpegel, was bedeutet, dass wir nicht nur die Lautstärke von Bursts, sondern auch von ruhigen Bereichen verringern, was zu einer Signalverschlechterung aufgrund von Quantisierung und Aliasing-Rauschen führt.

Der Kompressor, der zwischen dem Vorverstärker und dem digitalen Aufnahmesystem positioniert ist, arbeitet nur mit den lautesten Bursts, reduziert deren Lautstärke und sorgt für einen gleichmäßigen Soundtrack. Dank dessen haben wir die Möglichkeit, die Gesamtlautstärke des aufgenommenen Signals nicht zu reduzieren und die Klangqualität beizubehalten.

Leider verwenden viele moderne Musiker den Kompressor überall, ohne auf die technischen Eigenschaften des Kompressors einzugehen, und glauben, dass Sie mit seiner Hilfe jeden Klang in der Mischung “dehnen” können. Unter extremen Bedingungen sind Kompressoren häufig auf der Straße enthalten. Sie werden nur von erfahrenen Toningenieuren eingesetzt, wenn ein wirklicher Bedarf besteht.

Der Kompressor hilft, Aufnahmeprobleme zu vermeiden. Die häufigsten Ursachen für Probleme können folgende sein:

Nichtprofessionalität des Dolmetschers (dynamische Ungleichmäßigkeit).
Nicht übereinstimmender Pfad (schlechte, nicht übereinstimmende oder unzureichende Mikrofone, Vorverstärker).
Nachteile der digitalen Umgebung (begrenzt auf 0 dB).
Unbequeme Bedingungen für den Sänger (kleiner und stickiger Raum, schlechte Überwachung).
Geringe Qualifikation eines Toningenieurs.
Wenn ein Darsteller eine Stimme hat und in ein Mikrofon singen kann und ein Toningenieur seine Arbeit gut kennt und weiß, wie man Mikrofone richtig positioniert und Geräte aufstellt, ist möglicherweise überhaupt kein Kompressor erforderlich. Dies ist jedoch die ideale Situation.

Digitale Audiokomprimierung

Die Komprimierung von Audiodaten ist heute ein echtes Problem. Es gibt zwei Gründe für die Notwendigkeit, Audiodaten zu komprimieren: Speichereinsparungen beim Speichern von Audioinformationen, geringe Bandbreite der digitalen Fernübertragungskanäle für Informationen. Die Komprimierung löst effektiv die beiden oben genannten Probleme. Die Datenkomprimierung ist eine algorithmische Transformation von Daten, die durchgeführt wird, um deren Volumen zu reduzieren.

Es wird für eine rationellere Verwendung von Datenspeicherungs- und -übertragungsgeräten verwendet. Die Komprimierung basiert auf der Beseitigung der in den Originaldaten enthaltenen Redundanz. Um die für die Übertragung von Sprachsignalen (Musik) über moderne digitale Kommunikationskanäle mit niedriger Geschwindigkeit erforderlichen Parameter zu gewährleisten und die angegebene Störfestigkeit zu gewährleisten, müssen hocheffiziente Datenkomprimierungsalgorithmen verwendet werden. Der Übertragungskanal zeichnet sich durch ein Konzept wie die Kapazität des Kanals aus: Und das Signal – durch die Lautstärke (Signal): …

Beide oben genannten Merkmale umfassen den Dynamikbereich D, die Kanalbreite (Signalspektrum) und die Laufzeit T. Digitale Audiokompressoren werden verwendet, um den Dynamikbereich zu verringern. Um die spektrale Effizienz zu verbessern, werden digitale Filter verwendet, um das Spektrum des Encoder-Ausgangssignals zu begrenzen (gemäß Nyquist-Kriterien). Unter anderem werden Codierer verwendet, die auf den Prinzipien der Beseitigung von Redundanz (Huffman-Codes) basieren, um eine bestimmte Informationsübertragungsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Das Wesentliche davon ist wie folgt: Codes, die auf dem Prinzip basieren, wahrscheinlichere Werte der Amplituden der Codewörter mit kürzerer Länge als die unwahrscheinlichen zuzuweisen.

Betrachten wir, wie die oben beschriebenen Redundanztypen beseitigt werden.
Struktur eines verlustbehafteten Audiokomprimierungscodierers Das ursprüngliche digitale Audiosignal wird in Frequenzteilbänder unterteilt und zeitlich in einen Zeit-Frequenz-Segmentierungsblock segmentiert. Die Länge des codierten Samples hängt von der Form der zeitlichen Funktion des Audiosignals ab. In Abwesenheit scharfer Amplitudenspitzen wird eine lange Probe verwendet, die eine hochfrequente Auflösung liefert. Bei abrupten Änderungen der Signalamplitude nimmt die Länge der codierten Probe dramatisch ab, was zu einer höheren Zeitauflösung führt. Die Entscheidung, die Länge der codierten Probe zu ändern, wird von der psychoakustischen Analyseeinheit getroffen, die den Wert der psychoakustischen Entropie des Signals berechnet.
Nach der Segmentierung werden die Frequenzteilbandsignale normalisiert, quantisiert und codiert. Bei den effizientesten Komprimierungsalgorithmen werden nicht die Abtastwerte des Audiosignals codiert, sondern die entsprechenden MDCT-Koeffizienten. (Die Differenz zwischen den Koeffizienten ist kleiner.) Die Abrechnung der auditorischen Wahrnehmungsmuster eines Tonsignals erfolgt in der psychoakustischen Analyseeinheit. Hier wird nach einem speziellen Verfahren für jedes Frequenzteilband der maximal zulässige Pegel der Quantisierungsverzerrung (Rauschen) berechnet, in dem sie noch durch das Nutzsignal dieses Teilbandes maskiert sind.

Der Block der dynamischen Verteilung von Bits gemäß den Anforderungen des psychoakustischen Modells für jedes codierende Teilband wählt eine minimal mögliche Anzahl von ihnen aus, bei denen der Grad der durch die Quantisierung verursachten Verzerrungen den vom Modell berechneten Schwellenwert ihrer Hörbarkeit nicht überschreitet psychoakustisch.

In diesem Artikel werden die Funktionsdiagramme der Audiodatenkomprimierungsalgorithmen basierend auf den µ-Gesetzen A betrachtet. Das Funktionsdiagramm des Komprimierungsalgorithmus basierend auf dem A-Level-Komprimierungsgesetz ist in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2. Funktionsdiagramm des Komprimierungsalgorithmus basierend auf dem A-Pegel-Komprimierungsgesetz Ein Signal (diskreter Sinus) wird an den Eingang des Kompressors angelegt. Nach der Komprimierung gelangt das Signal zum Addierer, wo das Rauschen dem zweiten Eingang des Addierers zugeführt wird, wodurch das additive Rauschen des Übertragungskanals simuliert wird.

Dann tritt das verrauschte Signal in den Eingang des Expanders ein, am Ausgang erhalten wir das rekonstruierte Signal. Das rekonstruierte und ursprüngliche Signal wird dann dem Addierer zugeführt, wonach die Leistung des spektralen Rauschens beobachtet wird.

Simulationsergebnisse (A = 87,6)
Die folgenden Grafiken werden dargestellt: 1 Originalsignal, 2 durch den Kompressor geleitete Signale, 3 wiederhergestellte Signale, 4 Rauschleistungen am Ausgang des Rauschgenerators, 5 Rauschleistungen nach dem Expander.