Digitale Toncodierung
Die Entwicklung von Verfahren zum Codieren von Audioinformationen sowie von bewegten Bildern (Animationen und Videoaufzeichnungen) erfolgte mit einer Verzögerung im Vergleich zu den oben diskutierten Informationstypen.
Ein Computer ist ein digitales Gerät, dh ein elektronisches Gerät, bei dem ein diskretes Signal das Betriebssignal ist. Heutige Computer arbeiten mit diskreten Signalen, die Binärwerte tragen, die üblicherweise als “Ja” und “Nein” bezeichnet werden (auf der elektrischen Ebene: 0 Volt und V Volt für einen Wert ungleich Null von V). Mit einem einstufigen Binärsignal können Sie Informationen über eine von zwei Positionen übertragen: 0 (“Ja”) oder 1 (“Nein”). Mit N Binärsignalen in einem Schritt können Sie Informationen über eine von 2 N Positionen übertragen (2 N ist die Anzahl der Kombinationen von Nullen und Einsen für N Signale). Das Zusammenspiel aller Blöcke, aus denen ein Computer besteht, erfolgt durch den gleichzeitigen Austausch und die gleichzeitige Verarbeitung eines oder mehrerer Binärsignale. Sie sind alle Steuercodes sowie die Informationen, die selbst verarbeitet werden, alles wird auf dem Computer in Form von Zahlen dargestellt. Aus diesem Grund werden Audiosignale in digitalen Geräten auch als Zahlen dargestellt.
Wie können Sie also ein analoges Audiosignal in digitaler Form beschreiben? Ein reales Audiosignal ist eine komplexe Wellenform, eine bestimmte komplexe Abhängigkeit der Amplitude einer Schallwelle in der Zeit. In Fig. 2 ist ein Graph einer realen Schallwelle dargestellt.
Für die Computerverarbeitung muss ein analoges Signal irgendwie in eine Folge von Binärzahlen umgewandelt werden. Gehen wir wie folgt vor. Wir werden die Spannung in regelmäßigen Abständen messen und die erhaltenen Werte in den Computerspeicher schreiben. Dieser Vorgang wird als Abtastung (oder Digitalisierung) bezeichnet.
Die Umwandlung eines analogen Audiosignals in ein digitales wird als Analog-Digital-Umwandlung oder Digitalisierung bezeichnet. Der Prozess dieser Transformation besteht aus:
Messungen der Amplitude eines analogen Signals mit einem bestimmten Zeitintervall durchführen: Abtastung,
anschließende Aufzeichnung der in numerischer Form erhaltenen Amplitudenwerte – Quantifizierung.
Der Zeitabtastprozess ist der Prozess des Erhaltens der Momentanwerte eines analogen Signals, das in einen bestimmten Zeitschritt umgewandelt wird, der als Abtastschritt bezeichnet wird.
Je höher die Abtastrate (dh die Anzahl der Abtastungen pro Sekunde) und je mehr Ziffern jedem Abtastwert zugewiesen sind, desto genauer wird der Klang dargestellt. Dies erhöht aber auch die Größe der Audiodatei. Abhängig von der Art des Klangs, den Anforderungen an seine Qualität und der Menge des belegten Speichers werden daher einige Kompromisswerte ausgewählt.
Die Anzahl der in einer Sekunde durchgeführten Signalmessungen wird als Abtastrate oder Abtastrate oder Abtastrate (aus dem Englischen “Abtastung”) bezeichnet. Je kleiner der Abtastschritt ist, desto höher ist natürlich die Abtastfrequenz (dh häufiger Amplitudenwerte) und desto genauer wird das Signal dargestellt, das wir erhalten.
Das menschliche Ohr bemerkt die Abstufung des empfangenen Signals nicht. Hier kann die folgende Analogie gezogen werden. Jede Person schaute sich Filme im Kino an und vor ihren Augen auf dem Bildschirm gab es eine kontinuierliche und flüssige Aktion. Tatsächlich ist ein Filmstreifen eine Reihe von Standbildern und diskreten Bildern, die sich mit einer hohen Geschwindigkeit von 24 Bildern pro Sekunde bewegen . Da menschliche Augen durch eine gewisse Trägheit gekennzeichnet sind, sind sie leicht zu täuschen, was die Filmemacher äußerst geschickt einsetzen. Unsere Ohren sind auch etwas unvollkommen und können auf diese Weise ausgetrickst werden, indem sie ein kontinuierliches analoges Signal als eine Folge sich schnell ändernder momentaner Spannungswerte darstellen. Im Gegensatz zu einem Filmstreifen erfolgt das Ändern des “Soundframes” jedoch tausendfach schneller.
Um nun jeden einzelnen Amplitudenwert aufzuzeichnen, muss er auf den nächsten Quantisierungspegel gerundet werden. Dieser Vorgang wird als Amplitudenquantisierung bezeichnet. Formal ausgedrückt ist die Amplitudenquantisierung der Vorgang, bei dem die tatsächlichen (gemessenen) Werte der Signalamplitude durch Werte ersetzt werden, die sich mit einer gewissen Genauigkeit annähern. Jeder der 2 N möglichen Pegel wird als Quantisierungspegel bezeichnet, und der Abstand zwischen den beiden nächstgelegenen Quantisierungspegeln wird als Quantisierungsschritt bezeichnet. Die Quantisierung von Signalwerten führt zu zusätzlichen Interferenzen im Signalspektrum, die als Quantisierungsrauschen oder Teilungsrauschen bezeichnet werden. Quantisierungsrauschen (Fehler) bezieht sich auf das Signal, das den Unterschied zwischen den Signalen ausmacht rekonstruierte Original- und digitale Audiospuren. Diese Differenz ergibt sich aus der Rundung der gemessenen Signalwerte.