Hochauflösende physikalische und psychoakustische Analyse von digitalem Klang
“Der Kern der Frage ist:” Warum die Abtastrate in modernen Audiokommunikationssystemen ständig erhöhen (viel Geld ausgeben), wenn die Schwellenwerte des Hörsystems in der Frequenz auf den 20-Hz-Bereich begrenzt sind. 20 kHz? “”
Die Analyse des gesammelten Wissens zu diesem Thema lässt uns sagen, dass dies nicht ausreicht. Angesichts der Komplexität des Audiosignals und der Eigenschaften des auditorischen Systems kann argumentiert werden, dass nur eine Erhöhung der Auflösung der Übertragungssysteme in allen Bereichen (zeitlich, spektral, räumlich und dynamisch) zur Lösung dieses Problems beitragen kann. Zumindest scheint jetzt klar zu sein, dass eine hohe Auflösung im Zeitbereich für die Klangtransparenz am wichtigsten ist.
Wie Sie wissen, müssen Sie zum Umwandeln eines analogen (kontinuierlichen) Signals in ein digitales (diskretes) Signal die folgenden Vorgänge ausführen: Abtasten, Quantisieren und Codieren (Abbildung 1). Für die Implementierung in allen digitalen Geräten (Computer, Rekorder, Player usw.) wird ein ADC-Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet, dessen Blockdiagramm in Abbildung 2 dargestellt ist. Nach dem Satz von Kotelnikov (Nyquist) oder das “Abtasttheorem”, um ein analoges Signal mit der höheren Frequenz f? (Hz) in digital ohne Informationsverlust ist es notwendig, dass die Abtastfrequenz, dh die Anzahl der Abtastungen (Abtastungen pro Sekunde), nicht weniger als 2 x f & le; (Hz). Das verwendete digitale Wort, die Anzahl der Binärziffern, in denen es gleich der Anzahl der ausgewählten M (Bits) ist, repräsentiert den Momentanwert des Eingangssignals.
Daher erfordert das Abtasttheorem, dass die Abtastfrequenz hoch genug fd> 2fb gewählt wird, während das Signal zum Zeitpunkt der Abtastung nahezu konstant bleiben muss. Die Verpflichtung zur Verwendung eines Tiefpassfilters ist nicht festgelegt, der in allen ADCs installiert ist. Um jedoch das Auftreten übermäßiger Frequenzen im Spektrum bei allen digitalen Geräten zu vermeiden, gibt es einen Anti-Aliasing-Filter, der das Signal im Filter abschneidet Frequenz fd / 2.
Die Aufzeichnung von Signalen in jedem System beginnt mit einem Mikrofon (Abbildung 3), bei dem es sich um ein Bandpassfilter handelt, das bereits bestimmte Phasen- und Übergangsverzerrungen aufweist, die zu einer Streuung und Unschärfe des Signals im Bereich des Systems führen Wetter. Daten zu diesen Verzerrungen werden selten in Mikrofonkatalogen angegeben. Eine Vielzahl von Studien, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden, haben es jedoch ermöglicht, einen signifikanten Unterschied in diesen Parametern zwischen dynamischen und Kondensatormikrofonen festzustellen. Für Kondensatormikrofone wurden Angriffswerte von mehreren Mikrosekunden erhalten, während der Abfall transienter Prozesse mehrere hundert Mikrosekunden erreicht. Die Bedeutung der Phasenlinearität der Mikrofone nicht nur im Inneren,
Dann wird das analoge Signal, das in digital umgewandelt wird, von einem Tiefpassfilter am ADC-Eingang (Anti-Aliasing-Filter) verarbeitet. Dieses Filter bewirkt auch eine Streuung der Impulseigenschaften des Eingangssignals aufgrund einer ungleichmäßigen Frequenzantwort und Phasenantwort im Durchlassband, der Steigung der Abklingkurven im Übergangsband und der Phasen-Nichtlinearität.
Solche Verzerrungen führen zu einer zeitlichen Ausbreitung des Eingangssignals und bedeuten, dass jede momentane Abtastung am Ausgang Informationselemente von vorherigen Abtastwerten enthält (deren Anzahl von den Eigenschaften des Filters abhängt). Da das Musiksignal ein sich schnell ändernder Strom mit kurzen, scharfen Impulsen ist, haben solche Streuungen und Unschärfen einen gewissen Effekt auf die Hörwahrnehmung, insbesondere für den erfahrenen und aufmerksamen Hörer mit einem guten musikalischen Ohr.
Akustische Musiksignale haben eine instationäre ultraschnelle dynamische und zeitliche Struktur, was auf verschiedene Gründe zurückzuführen ist, insbesondere auf einen schnellen Angriff auf echte Musikinstrumente, das Vorhandensein einer großen Anzahl von Ultraschallkomponenten im Spektrum vieler Instrumente, das Erscheinungsbild von kurzen Nachhallzeitverzögerungen in einem Raum usw.
Das Aufzeichnen eines tatsächlichen Hallprozesses ohne Datenverlust ist ebenfalls äußerst schwierig. Wenn eine Schallquelle ein komplexes instationäres Musiksignal aussendet, „nimmt“ jedes Mikrofon, das an verschiedenen Stellen im Raum installiert ist, das komplexe Echo auf. Darüber hinaus führen zusätzliche eingehende Signale, deren Amplitude und Phase aufgrund von Reflexionen von verschiedenen Oberflächen geändert wird, zu einem exponentiellen Anstieg des Gesamtenergieniveaus, das in das Mikrofon eintritt. Wenn das Signal ausgeschaltet wird, fällt der Gesamtpegel ab, was normalerweise durch die Nachhallzeit gekennzeichnet ist.