digitale Audioaufzeichnungsformate

Digitale Audioformate oder wie Ton auf einem Computer gespeichert wird

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Digitale Audioformate oder wie Ton auf einem Computer gespeichert wird

Digital Audio Formats

Heute gibt es ungefähr drei Dutzend gängige digitale Audioformate. Warum Sie so viele Arten von Audiodateien erstellen müssen, um eine Art von Inhalt zu speichern, und wie Sie all dies verwalten, erfahren Sie aus diesem Material.

Audio format developments | Digital audio | How to Create Digital Media Infographics Using ConceptDraw PRO | Audio Infographic

Sicherlich bevorzugen viele Benutzer es, ihren Heimcomputer nicht nur als Arbeitstier, sondern auch als Multimedia-Center zu verwenden, in dem sie Filme oder Familienfotos ansehen und ihre Lieblingsmusik hören können. Kompakte Digitalplayer oder Mobiltelefone eignen sich zwar besser zum Hören von Musikkompositionen, aber im Gegensatz zu ihnen kann ein Computer nicht nur Musik abspielen.

Unabhängig davon, wie groß der integrierte Speicher Ihres Musik-Players ist, wird es höchstwahrscheinlich schwierig sein, Ihre gesamte Musikbibliothek darauf zu speichern. Außerdem können Sie mit Ihrem PC Musik erstellen, bearbeiten, organisieren und nach Musik suchen. Vergessen Sie auch nicht, dass es heute rund drei Dutzend gängige digitale Audioformate gibt und die meisten Player alles andere als Allesfresser sind und nur einige davon abspielen können.

Warum müssen Sie so viele Musikformate erstellen, um eine Art von Inhalten zu speichern? Tatsache ist, dass der Ton in den allermeisten Fällen in “komprimierter” Form gespeichert wird, da eine Minute unkomprimierter Komposition etwa 10 MB auf der Festplatte belegt. Einerseits scheint dies nicht viel zu sein, andererseits, wenn Sie ein Musikliebhaber sind und Ihre Sammlung aus mehreren hundert oder sogar Tausenden von Songs besteht, ist es klar, dass der Sound komprimiert werden muss, um den Platz zu reduzieren, den er einnimmt elektronische Medien.

Zum Komprimieren von Musikdateien werden verschiedene spezielle Algorithmen verwendet, die anschließend die Struktur und Darstellung der Audiodaten oder sogenannte digitale Audiodateiformate bestimmen. Alle Audioformate können in drei Gruppen unterteilt werden: unkomprimierte Audioformate, verlustfreie Komprimierung und verlustbehaftete Komprimierung.

Keine Komprimierung
Eines der am weitesten verbreiteten Formate in Bezug auf diesen Typ ist das bekannte WAV. Der Sound von Dateien mit dieser Erweiterung wird ohne Komprimierung oder Änderungen gespeichert. Es ist richtig, dass viel mehr Speicherplatz zum Speichern unkomprimierter Dateien erforderlich ist. Daher wird WAV nur in professionellen Audio- und Videoanwendungen verwendet, bei denen der Ton vor der Verarbeitung keinen Qualitätsverlust aufweisen sollte. Gewöhnliche Musikkompositionen in dieser Form zu halten, ist ungerechtfertigte Verschwendung.

Zum Abspielen von WAV-Dateien benötigen Sie keine spezielle Software, da alle Mediaplayer dieses Format verstehen, einschließlich des im Windows-System integrierten Windows Media-Audioplayers.

Ein weiteres erwähnenswertes Format zum Speichern von unkomprimiertem Audio ist die Apple-Entwicklung AIFF (Audio Interchange File Format). Wie Sie vielleicht vermutet haben, wird es am häufigsten auf Macintosh-Computern unter Mac OS X verwendet.

Verlustfreie Komprimierung (verlustfrei)
Verlustfreie Komprimierungsalgorithmen für Audiodateien arbeiten nach dem Prinzip herkömmlicher Aktenschränke. Sie bieten nicht die höchste Komprimierungsstufe (40 bis 60%), während sie praktisch keinen Einfluss auf die Klangqualität haben. Es ist auch erwähnenswert, dass in diesem Fall die verschlüsselten Daten vollständig in ihrer ursprünglichen Form wiederhergestellt werden können. Daher wird die verlustfreie Komprimierung am häufigsten verwendet, wenn es wichtig ist, die komprimierten Daten mit dem Original identisch zu halten.

Die beliebtesten Audioformate in dieser Gruppe sind FLAC (Free Lossless Audio Codec), APE (Monkey’s Audio), WMA (Windows Media Lossless) und ALAC (Apple Lossless Audio Codec). Jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Beispielsweise bietet der APE-Codec etwas bessere Komprimierungsgewinne, während FLAC häufiger vorkommt. Im Allgemeinen speichern alle echten Musikliebhaber ihre Musiksammlungen in verlustfreien Formaten, da sie keine Daten aus dem Audiostream entfernen und die mit diesen Codecs erstellten Dateien auch auf hochwertigen Stereoanlagen wiedergegeben werden können.

Für die Wiedergabe verlustfreier komprimierter Formate werden in der Regel Player von Drittanbietern (außer WMA) wie MPlayer, Foobar, AIMP, Winamp, VLC und andere verwendet, da bereits alle erforderlichen Codecs integriert sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein zusätzliches Codec-Paket (z. B. K-Lite) separat zu installieren. Anschließend können Sie Dateien in verlustfreiem Format von fast jedem Audio-Player anhören.

Verlustbehaftete Komprimierung
Dies ist die beliebteste Gruppe von Algorithmen, die das maximale Audiokomprimierungsverhältnis (bis zu 10-mal oder mehr) bietet. Im Gegensatz zu früheren Formaten verliert die Audiodatei hier jedoch an Qualität und wie viel davon abhängt

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Verschiedene digitale Audioformate.

Verschiedene digitale Audioformate.

Audio Formats

Es gibt verschiedene Konzepte für das Audioformat.

Audio Format

Das Format der Audiodatenpräsentation in digitaler Form hängt von der Quantisierungsmethode eines Digital-Analog-Wandlers (DAC) ab. Die Tonausrüstung ist derzeit die häufigste zwei Arten der Quantisierung:

Pulscodemodulation
Sigma – Delta – Modulation
Häufig Bitquantisierung und Frequenzabtastpunkt für verschiedene Audiogeräte, die als digitales Audiopräsentationsformat (24-Bit / 192 kHz, 16-Bit / 48 kHz) aufnehmen und wiedergeben.

Das Dateiformat bestimmt die Struktur und Darstellung der Audioeigenschaften der Daten, wenn diese auf einem PC-Speichergerät gespeichert werden. Beseitigung der Redundanz von Audiodaten mithilfe von Audio-Codecs, mit deren Hilfe die Komprimierung von Audiodaten durchgeführt wird. Es gibt drei Gruppen von Audiodateiformaten:

unkomprimierte Audioformate wie WAV, AIFF
verlustfreie komprimierte Audioformate (APE, FLAC)
Audioformate mit verlustbehafteter Komprimierung (mp3, ogg)
Es gibt nur modulare Musikformatdateien. Durch synthetisch oder gesampelte aufgezeichnete Live-Instrumente werden sie hauptsächlich zur Schaffung moderner elektronischer Musik (MOD) verwendet. Auch hier kann das Format von MIDI zugeordnet werden, bei dem es sich nicht um eine Tonaufnahme handelt, sondern mit Hilfe eines Sequenzers die Aufnahme und Wiedergabe von Musik mit einem bestimmten Befehlssatz in Form von Text ermöglicht wird.

Digitale Tonmedienformate werden als massenverbreitete Tonaufnahmen (CD, SACD) und in professionellen Aufnahmen (DAT, MiniDisc) verwendet.

Für Surround-Sound-Systeme und Sie können Tonformate in einer Mehrkanal-Begleitung weitgehend ohne Ton für Filme auswählen. Solche Systeme haben eine Reihe von zwei großen Formaten, die mit den Unternehmen des Digital Theatre und dann von Systems Inc. konkurrieren. – DTS und Dolby Laboratories Inc. – Dolby Digital.

Wird auch als Anzahl der Kanäle in Mehrkanal-Soundsystemen bezeichnet (5. 1; 7. 1). Ursprünglich war dieses System für das Kino konzipiert, später wurde es auf Heimkinosysteme erweitert.

Welche Formate werden zur Darstellung von digitalem Audio verwendet?

Welche Formate werden zur Darstellung von digitalem Audio verwendet?

Audio Formats

Das Format wird auf zwei verschiedene Arten verwendet.

Digital Audio Formats

Bei Verwendung eines speziellen Mediums oder einer Aufzeichnungsmethode und spezieller Lese- / Schreibgeräte umfasst das Formatkonzept beide physikalischen Eigenschaften eines Tonträgers: die Abmessungen einer Kassette mit einem Magnetband oder einer Magnetplatte, das Band selbst oder a Disc, Aufnahmemethode, Signalparameter, Codierungs- und Fehlerschutzprinzipien usw. .P. Bei Verwendung eines universellen Informationsmediums mit breiter Anwendung, beispielsweise eines flexiblen Computers oder einer Festplatte, wird das Format nur als ein Verfahren zum Codieren eines digitalen Signals, die Besonderheiten der Anordnung von Bits und Wörtern und die Struktur verstanden von Serviceinformationen; In diesem Fall bleibt der gesamte “Low-Level” -Teil, der in direktem Zusammenhang mit der Arbeit mit den Medien steht, unter der Kontrolle des Computers und seines Betriebssystems.

Von den spezialisierten digitalen Audioformaten und -medien sind die folgenden heute am bekanntesten:

CD (Compact Disc) ist eine einseitige optische 120-mm- oder 90-mm-Laser-Lese- / Schreib-Disc, die maximal 74 Minuten Stereoton bei einer Abtastrate von 44,1 kHz und 16 linearer Quantisierung enthält Bits. Das System wird von Sony und Philips angeboten und heißt CD-DA (Compact Disc – Digital Audio). Zum Schutz vor Fehlern werden Cross Interleaved Reed-Solomon-Code (CIRC) und Hamming-Code 8-14-Modulation (Eight to Fourteen Modulation, EFM) verwendet. Man unterscheidet zwischen gestempelten CDs (CD), die nur schreibgeschützt (CD-R) und wiederbeschreibbar (CD-RW) sind.
PCM-Decoder (PCM-Deck): Ein System zur Umwandlung des digitalen Audiosignals in ein Pseudo-Videosignal, das mit gängigen Videoformaten (NTSC, PAL / SECAM) kompatibel ist und umgekehrt. PCM-Decoder werden in Kombination mit Heim- (VHS) oder Studio-Videorecordern (S-VHS, Beta, U-Matic) verwendet und als Lese- / Schreibgeräte verwendet. Die Geräte arbeiten mit linearer 16-Bit-Quantisierung bei Abtastraten von 44,056 kHz (NTSC) und 44,1 kHz (PAL / SECAM) und können ein digitales Zwei- oder Vierkanalsignal aufzeichnen. Tatsächlich ist ein solcher Decoder ein Modem (Modulator-Demodulator) für ein Videosignal.
S-DAT (Digitales Audioband mit festem Kopf – Digitales Audioband mit festem Kopf) ist ein System ähnlich einem herkömmlichen Kassettenrekorder, bei dem das Aufzeichnen und Lesen von einem Block fester Filme mit festem Kopf durchgeführt wird ein 3,81 mm breites Band in einer doppelseitigen Kassette mit den Abmessungen 86 x 55,5 x 9,5 mm. Es implementiert eine Zwei- oder Vierkanal-16-Bit-Aufzeichnung mit 32, 44,1 und 48 kHz.
R-DAT (Rotating Head Digital Audio Tape) ist ein VCR-ähnliches System mit gekreuzter Rotationskopfaufnahme. R-DAT-Systeme, das beliebteste bandbasierte digitale Aufnahmeformat, werden häufig einfach als DAT bezeichnet. Der R-DAT verwendet eine 73 x 54 x 10,5 mm große Kassette mit einem 3,81 mm breiten Band, und das Kassetten- und Bandsystem selbst ist einem typischen Videorecorder sehr ähnlich. Die Grundgeschwindigkeit des Riemens beträgt 8,15 mm / s, die Drehzahl des Hauptgeräts beträgt 2000 U / min. R-DAT arbeitet mit einem Zweikanalsignal (bei einigen Modellen vier Kanäle) mit Abtastraten von 44,1 und 48 kHz mit linearer 16-Bit-Quantisierung und 32 kHz mit nichtlinearer 12-Bit-Quantisierung. Zum Schutz vor Fehlern werden ein doppelter Reed-Solomon-Code und eine Modulation mit einem 8-10-Code verwendet. Kassettenkapazität – 80. .240 Minuten je nach Geschwindigkeit und Bandlänge. Inländische DAT-Rekorder sind normalerweise mit einem illegalen Kopierschutzsystem für Tonträger ausgestattet, das keine Aufzeichnung vom analogen Eingang mit einer Frequenz von 44,1 kHz sowie kein direktes digitales Kopieren bei Vorhandensein von SCMS-Verbotscodes ermöglicht (Serial Code Managenent System). Studio-Tonbandgeräte unterliegen keinen solchen Einschränkungen.
DASH (Digital Audio Stationary Head) ist ein 6,3 und 12,7 mm breites Magnetbandaufzeichnungssystem mit festen Köpfen. Die Bandgeschwindigkeit beträgt 19,05, 38,1, 76,2 cm / s. Implementiert 16-Bit-Aufzeichnung mit Abtastraten von 44,056, 44,1 und 48 kHz von 2 bis 48 Kanälen.
ADAT (Alesis DAT) ist ein proprietäres System zur Aufzeichnung von Achtkanal-Audio auf S-VHS-Videoband, das von Alesis entwickelt wurde. Es verwendet eine lineare Quantisierung von 16 Bit bei 48 kHz, die Kapazität der Kassette beträgt bis zu 60 Minuten pro Kanal. ADAT-Tonbandgeräte können kaskadiert werden, so dass ein synchrones 128-Kanal-Aufzeichnungssystem zusammengebaut werden kann.

Audio Aufnahme

Audio Aufnahme

Phonograph Thomas Alva Edison

Die Ära der mechanischen Tonaufnahme begann 1877, als Thomas Alva Edison den Phonographen erfand.

Gramophon

Tatsächlich sind Grammophone, Grammophone und sogar moderne Vinyl-Player verbesserte Phonographen. Schließlich ist das Prinzip der Tonaufnahme in einem spiralförmigen Groove auf einem Medium unverändert geblieben.

1900 demonstrierte der dänische Ingenieur W. Paulsen auf der Weltausstellung in Paris ein Arbeitsmodell eines magnetischen Aufzeichnungsgeräts, das als Alternative zu Edisons Erfindung entwickelt wurde. Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit ertönte auf einer Magnetaufnahme eine menschliche Stimme: Die erstaunten Pariser hörten die Stimme des österreichisch-ungarischen Kaisers Franz Joseph, der die Pfeife brach. Von diesem Moment an begann vielleicht die wahre Geschichte der Tonaufnahme, deren Theorie in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts aufgestellt wurde.

Ton ist ein komplexes analoges Signal. Zur Analyse solcher Signale wird eine in der Radioelektronik weit verbreitete Technik verwendet. Mit der Fourier-Transformation wird ein komplexes Signal in eine harmonische Reihe umgewandelt, die aus Sinuskurven mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden besteht. Aber in der Praxis unterscheidet sich das Signal, mit dem wir es zu tun haben, natürlich stark von dem sinusförmigen.

Musiker nennen die erste Harmonische in diesem Spektrum den Grundton, und Harmonische mit höheren Frequenzen werden Harmonische genannt. Der Hauptton bestimmt die Tonhöhe und die Harmonischen geben ihm eine bestimmte Farbe, wodurch das Timbre einer Stimme oder eines Musikinstruments entsteht.

Zur Untersuchung der Spektren von Audiosignalen werden komplexe und teure Instrumente verwendet – Spektrumanalysatoren.

Mit Hilfe solcher Geräte kann festgestellt werden, dass einige Musikinstrumente wie eine Geige ein relativ einheitliches Spektrum und einige Windspektren mit ausgeprägten Maxima und Minima aufweisen, die als Formanten bezeichnet werden.

Es gibt keine Begriffe, die die Farbgebung des Timbres einer menschlichen Stimme oder von Musikinstrumenten direkt beschreiben. Daher müssen verschiedene Metaphern wie “tiefes Timbre”, “hartes Timbre”, “metallischer” Klang oder sogar “Transistor” verwendet werden.

Versuche, digitale Informationsverarbeitungsverfahren im Zusammenhang mit Tonaufnahmen zu verwenden, wurden viele Male unternommen, aber die ersten ernsthaften Ergebnisse wurden in den frühen 1980er Jahren des 20. Jahrhunderts erzielt und fielen mit der raschen Entwicklung von Computern und Computern zusammen erfolgreiche Mikrominiaturisierung von Funkkomponenten. Der Einsatz digitaler Tonverarbeitungstechniken hat aufregende neue Möglichkeiten eröffnet.

Um Ton auf einem Computer zu verarbeiten, muss er zuerst in ein digitales, codiertes Format konvertiert werden. Ein analoges Signal wird von Geräten codiert, die als Analog-Digital-Wandler (ADCs) bezeichnet werden. Das Hauptverfahren zum Codieren eines analogen Signals ist die Pulscodemodulation, die aus drei Operationen besteht: Abtasten, Quantisieren und Codieren.

Wir werden jetzt nicht auf die Codierungstheorie eingehen, zumal sie ziemlich kompliziert ist und höhere mathematische Fähigkeiten erfordert. Für uns ist es wichtig zu verstehen, dass die Qualität des digitalisierten Klangs und die daraus resultierende Dateigröße von der Abtastrate und der Bittiefe abhängen.

Die Abtastrate ist die Frequenz, mit der die Eigenschaften eines Audiosignals gemessen werden. Aus Kotelnikovs Abtasttheorem folgt, dass die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die höchste Frequenz des codierten Signals, um ein unverzerrtes digitales Signal zu erhalten. Daher muss beim Codieren eines Audiosignals die Abtastrate mindestens 40 kHz betragen. In digitalen Kommunikationssystemen beträgt die Abtastfrequenz 32 kHz, in Laser-CD-Playern und digitalen Consumer-Tonbandgeräten 44,1 kHz. Bei digitalen Studiogeräten ist die Abtastrate sogar noch höher: 48 kHz.

Die Bittiefe des aufgezeichneten Tons ist die Anzahl der Speicherbits, die zugewiesen sind, um jeden Wert der Amplitude des Tonsignals zum Zeitpunkt seiner Messung aufzuzeichnen. Moderne Soundkarten verwenden 8 oder 16 Bit Speicher pro Dimension, und 32-Bit-Karten höherer Qualität sind verfügbar. Je höher die Bittiefe ist, desto höher ist die Qualität des digitalisierten Klangs.

Wie bereits erwähnt, hängt die Größe einer Audiodatei von der Abtastrate und der Bittiefe des Sounds ab. Bei einer Abtastrate von 44 kHz und einer Klangtiefe von 16 Bit erfordert eine Minute Ton eine Dateigröße von 5,3 MB und bei einer Abtastrate von 11 kHz und 8 Bit 660 Kb.

Es ist klar, dass sich eine solche Verschwendung von Speicherplatz als inakzeptabel herausstellte und spezielle Algorithmen und Formate für die billigere Speicherung von Audiodateien erstellt wurden.