Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio?


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Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio?

encoding digital audio

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ton auf digitalen Geräten wiedergegeben wird? Wie entsteht ein Tonsignal aus einer Kombination von Einsen und Nullen?

encoding digital audio

Ich bin sicher, ich habe nachgedacht, seit ich angefangen habe zu lesen! Aber selbst Profis haben oft nur eine allgemeine Vorstellung von der modernen Klangroute. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die verschiedenen Formate angezeigt wurden, was ein Digital-Analog-Wandler ist, welche Arten von DACs es gibt und was die Qualität der Tonwiedergabe bestimmt.

PCM
Wie Sie wissen, wird bei digitalem Audio mit seltenen Ausnahmen fast jedes Format mit einem Pulscodestream oder einem PCM-Stream aufgezeichnet – Pulscodemodulation. FLAC, MP3, WAV, Audio-CD, DVD-Audio und andere Formate sind nur Möglichkeiten, den PCM-Stream zu packen und zu “bewahren”.

Wie alles begann
Die theoretischen Grundlagen der digitalen Schallübertragung wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt, als Wissenschaftler versuchten, ein Audiosignal über große Entfernungen zu übertragen, jedoch nicht per Telefon, sondern auf eine für diese Zeit eher seltsame Weise.

Durch Aufteilen der Schallwelle in kleine Teile könnte sie in einer Art mathematischer Darstellung an den Empfänger gesendet werden. Der Empfänger könnte wiederum die ursprüngliche Wellenform wiederherstellen und die Aufnahme anhören. Darüber hinaus standen die Wissenschaftler vor der Aufgabe, die Bandbreite des “Äthers” zu erhöhen.

1933 wurde der Satz von V.A. Kotelnikov. In westlichen Quellen wird es als Nyquist-Shannon-Theorem bezeichnet. Ja, Harry Nyquist war der erste, der dieses Problem ansprach: 1927 berechnete er die minimale Abtastfrequenz für die Übertragung einer Wellenform, die später seinen Namen “Nyquist-Frequenz” erhielt, aber Kotelnikovs Theorem wurde 16 Jahre zuvor veröffentlicht.

Das Wesen des Satzes ist einfach: Ein kontinuierliches Signal kann in Form einer Interpolationsreihe dargestellt werden, die aus diskreten Berichten besteht, aus denen das Signal rekonstruiert werden kann. Um den ursprünglichen Zustand des Signals grob wiederherzustellen, muss die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die obere Grenzfrequenz dieses Signals.

Bis zum Aufkommen des digitalen Zeitalters war der Satz viele Jahre lang nicht gefragt. Damals fand es eine Verwendung. Insbesondere war der Satz bei der Entwicklung des CDDA-Formats (Compact Disc Digital Audio) nützlich, das im Volksmund als Audio-CD oder Red Book bezeichnet wird. Das Format wurde 1980 von Ingenieuren bei Philips und Sony veröffentlicht und ist zum Standard für Audio-CDs geworden.

Formatmerkmale:

Abtastfrequenz – 44,1 kHz;
Quantisierungskapazität – 16 Bit.


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Digitale Audiokodierung

Digitale Audiokodierung

Digital audio encoding

Tatsächlich ist die eine oder andere digitale Form der Darstellung von analogen Audiosignalen bereits eine Codierungsmethode – eine Folge von Zahlen, die ein analoges Audiosignal beschreibt, ist selbst ein digitaler Code.

Digital Audio Encoding

Die Kodierung, über die wir jetzt sprechen werden, ist jedoch etwas anderes. Schauen wir uns nun die Methoden zum Codieren digitaler Audiosignale an.

Ein digitalisiertes Audiosignal “in seiner reinen Form” ist eine ziemlich genaue, aber nicht die kompakteste Art, das ursprüngliche analoge Signal aufzuzeichnen.

Urteile selbst. Um vollständige Informationen über das ursprüngliche analoge Signal im Frequenzbereich 0-20 kHz (im hörbaren Frequenzbereich) zu erhalten, muss das analoge Signal mit einer Frequenz von mindestens 40 kHz abgetastet werden. Daher legt der CD-DA-Standard (der Standard zum Aufzeichnen von Daten auf Audio-CDs, die allen bekannt sind) die folgenden Codierungsparameter fest: Aufzeichnen von zwei oder einem Kanal im PCM-Format mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz und einer 16-Bit-Quantisierungsbittiefe . Eine Stunde Musik in diesem Format nimmt ungefähr 600 MB Speicherplatz ein (60 Minuten * 60 Sekunden * 2 Kanäle * 44100 Samples pro Sekunde * 2 Bytes pro Sample = ungefähr 605 MB). Wenn man berücksichtigt, dass beispielsweise die Musiksammlung eines gewöhnlichen Musikliebhabers 5.000 Titel mit einer durchschnittlichen Länge von jeweils etwa 3 Minuten enthält, ist der Speicherbedarf, der erforderlich ist, um sie in ihrer ursprünglichen digitalen Form zu speichern, ziemlich bedeutend. Daher erfordert das Speichern relativ großer Mengen von Audiodaten, um eine ziemlich gute Klangqualität sicherzustellen, die Verwendung verschiedener “Tricks”, um die Daten zu komprimieren.

Im Allgemeinen können alle vorhandenen Methoden zum Codieren von Audioinformationen bedingt in nur zwei Typen unterteilt werden.

1. Die verlustfreie Datenkomprimierung (“verlustfreie Codierung”) ist eine Methode zum Codieren (Komprimieren) digitaler Audioinformationen, die eine hundertprozentige Wiederherstellung der Originaldaten aus der komprimierten Übertragung ermöglicht (der Begriff “Originaldaten” bedeutet hier die ursprüngliche Form von die digitalisierten Audiodaten). Diese Methode der Datenkomprimierung wird in Fällen verwendet, in denen eine hundertprozentige absolute Erhaltung der Qualität der ursprünglichen Audiodaten erforderlich ist. Die heute existierenden verlustfreien Komprimierungsalgorithmen können das Datenvolumen um 20-50% reduzieren und gleichzeitig eine 100% ige Wiederherstellung des ursprünglichen digitalen Materials aus den komprimierten Daten gewährleisten. Die Betriebsmechanismen solcher Codierer ähneln den Betriebsmechanismen allgemeiner Datenarchivierer wie ZIP oder RAR, sind jedoch gleichzeitig speziell für die Komprimierung von Audiodaten angepasst. Verlustfreie Codierung Obwohl sie im Hinblick auf die Aufbewahrung ideal ist Aufgrund der Qualität der Audiomaterialien kann kein hohes Maß an Komprimierung erzielt werden.

2. Es gibt eine andere modernere Möglichkeit, Daten zu komprimieren. Diese sogenannte verlustbehaftete Datenkomprimierung (engl. “Lossy Coding”) Der Zweck der Codierung besteht darin, mit allen Mitteln die höchste Datenkomprimierungsrate zu erzielen und gleichzeitig die Klangqualität auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Die Idee hinter verlustbehafteter Codierung basiert auf zwei einfachen Überlegungen:

Die ursprünglichen digitalen Audiodaten sind redundant: Sie enthalten viele unnötige Informationen, die für das Ohr unbrauchbar sind und entfernt werden können, wodurch das Komprimierungsverhältnis erhöht wird.
Die Anforderungen an die Klangqualität von Audiomaterial können variieren und hängen von bestimmten Zwecken und Anwendungsbereichen ab.
Eine verlustbehaftete Codierung wird daher als “verlustbehaftet” bezeichnet, was zum Verlust einiger Audioinformationen führt. Eine solche Codierung führt dazu, dass das decodierte Signal bei seiner Wiedergabe ähnlich wie das Original klingt, in Wirklichkeit jedoch nicht mehr mit diesem identisch ist. Die meisten verlustbehafteten Codierungsmethoden beruhen auf der Verwendung der psychoakustischen Eigenschaften des menschlichen Hörsystems sowie auf verschiedenen Tricks, die mit dem Resampling und Resampling des Signals verbunden sind. In der Frequenz analysiert der Encoder während des Komprimierungsprozesses die Audiodaten, um verschiedene Details des Sounds zu identifizieren, die ignoriert werden können. Verdeckte Frequenzen, unhörbare und unhörbare Klangdetails können für ein höheres Kompressionsverhältnis geopfert werden. Wenn Verständlichkeit nur für den Ton wichtig ist (z. B. in der Telefonie, wo das Vorhandensein von Frequenzen über 4 kHz nicht erforderlich ist), werden die Audioinformationen während des Codierungsprozesses ernsthaft “vereinfacht”, was zusammen mit der Verwendung von ” intelligente “Quantifizierer” und “gierige” Datenkomprimierungsalgorithmen.

Digitale Audioformate: So wählen Sie das beste aus (Teil 2)

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Digital Audio

Je höher die Bitrate, desto besser die Klangqualität. Bei einer Bitrate von 128 Kilobit pro Sekunde benötigen fünf Minuten Musik beispielsweise nur etwa fünf Megabyte auf einer Festplatte oder einem Flash-Laufwerk. Es wird angenommen, dass die optimale Bitrate zum Speichern von MP3-Musikdateien 256 oder 320 Kilobit pro Sekunde beträgt.

Digital Audio

Ein weiteres beliebtes verlustbehaftetes Komprimierungsformat ist OGG Vorbis. Im Gegensatz zu MP3 war es ursprünglich kostenlos und Open Source, sodass es bei unabhängigen Entwicklern schnell an Beliebtheit gewann. In Bezug auf die Qualität ist es MP3 in keiner Weise unterlegen, obwohl es ein eigenes psychoakustisches Modell für die Dateikomprimierung verwendet.

WMA ist ein verlustbehaftetes Audiokomprimierungsformat, das von der Microsoft Corporation entwickelt wurde. Es kann auf jedem Windows-Betriebssystem gefunden werden, ist aber bei Benutzern nicht sehr beliebt. Ein weiterer relativ häufiger verlustbehafteter Audiokomprimierungscodec ist AAC, der sich von MP3 durch einen geringfügig geringeren Qualitätsverlust bei gleicher Bitrate unterscheidet.

Audio-Codecs für Musikliebhaber
Neuere Formate bieten verlustfreie Audiokomprimierung. Am beliebtesten bei Benutzern ist das kostenlose FLAC-Format, das 2001 eingeführt wurde. FLAC eignet sich perfekt zum Archivieren Ihrer Audiosammlung sowie zum Hören von Musik auf hochwertigen Tonwiedergabegeräten.

In sogenannten verlustfreien Codecs können codierte Daten immer bitgenau abgerufen werden. Die Codierung erfolgt nach einem mathematischen Schema: In den Anfangsdaten wird eine bestimmte Regelmäßigkeit gefunden, und unter Berücksichtigung dieser Regelmäßigkeit wird eine zweite Sequenz erzeugt, die das Original vollständig beschreibt.

Das zweitbeliebteste verlustfreie Komprimierungsformat ist Monkey’s Audio, das als kostenlose Software für Microsoft Windows vertrieben wird. Das WavPack-Format unterstützt Mehrkanal-Streaming und ein etwas besseres Komprimierungsverhältnis. Apple hat 2004 seinen eigenen verlustfreien ALAC-Codec eingeführt, der FLAC ähnelt.

Digitales Audio hat gegenüber analogen Dateien enorme Vorteile. Der Benutzer kann sein Material unendlich lange speichern und replizieren, ohne die ursprüngliche Qualität zu verlieren. Gleichzeitig ist das Speichern der “Ziffer” kostengünstiger, da sie im Gegensatz zu einer Sammlung von Datensätzen oder Kassetten viel weniger Platz beansprucht.
Somit kann ein leistungsstarker ZIP-Archivierer eine WAV-Datei nur um 10 bis 20% komprimieren, während FLAC für die meisten Audiodateien Komprimierungsraten von 30 bis 50% erreicht. Gleichzeitig ermöglicht der Audio-Codec die Wiederherstellung teilweise beschädigter Daten, und der Decodierungsprozess selbst ist für die Prozessorressourcen sehr anspruchslos.

Um Ihre Musiksammlung zu archivieren, ist es jetzt optimal, verlustfreie Komprimierungsformate zu verwenden, z. B. FLAC, das mit den meisten Playern kompatibel ist. Zum Speichern von Hörbüchern, bei denen keine hohe Wiedergabetreue des Originaltons erforderlich ist, können Sie jedoch billigere MP3- oder OGG-Dateien verwenden.

Digitale Audioformate: So wählen Sie das beste aus

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Digital Sound

Die meisten Benutzer speichern Musik und andere Audiodateien in verschiedenen digitalen Formaten. Es gibt ungefähr hundert digitale Audiokodierungsalgorithmen, aber alle haben ihre eigenen Eigenschaften. Welches Format wählen Sie zum Speichern Ihrer Heim-Audiosammlung und warum verliert die bekannte MP3-Datei an Popularität?

digital sound

Analoges Audio ist eine Welle. Fast jeder Prozess in unserer Welt kann mit Mathematik beschrieben werden. Digitales Audio ist die Beschreibung einer analogen Wellenform unter Verwendung einer Folge von Zahlen. Beispielsweise werden mehr als 44.000 digitale Werte verwendet, um eine Sekunde Musik auf einer CD zu digitalisieren.
Wie digitaler Sound geboren wurde
Die theoretischen Grundlagen des digitalen Klangs im Jahr 1928 wurden von Harry Nyquist in seiner Arbeit “Bestimmte Probleme in der Theorie der telegraphischen Übertragung” gelegt, in der erstmals die “Breite” der Kommunikationsleitung für die Übertragung eines Signals bestimmt werden konnte Puls ohne Verzerrung. Unabhängig vom Amerikaner veröffentlichte der sowjetische Wissenschaftler Vladimir Kotelnikov 1933 ähnliche Studien.

Kotelnikov und Nyquist entdeckten unabhängig voneinander, dass die Wiederherstellung eines analogen Signals unter Verwendung eines bestimmten mathematischen Algorithmus aus diskreten Abtastwerten, dh fragmentarischen Daten, garantiert werden kann. Anstelle der vollständigen Daten können Sie aus wirtschaftlichen Gründen nur einen kleinen Teil codieren und dann das Original wiederherstellen.

Sie begannen, analogen Klang mittels Pulscodemodulation zu digitalisieren. Diese Technologie ist bis heute am weitesten verbreitet. Die Schallwelle wird durch drei aufeinanderfolgende Vorgänge in Zahlen umgewandelt: Zeitabtastung, Amplitudenquantisierung und endgültige Codierung. Batteriekalibrierung: So verlängern Sie die Lebensdauer des Smartphones

Was ist Probenahme? Dies ist eine Stichprobe von Werten in regelmäßigen Zeitintervallen. Der Algorithmus liest die Pegel der analogen Wellenform mit einer unglaublichen Geschwindigkeit: 44.100 Lesungen pro Sekunde für den CD-Standard. Dieser Indikator wird als Abtastrate bezeichnet. Beispielsweise ist Audio in Filmen auf eine Abtastrate von 48.000 Hertz standardisiert.

Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, werden alle Werte leicht auf zuvor berechnete Werte gerundet. Dieser Vorgang wird als Quantifizierung bezeichnet. Je öfter der Algorithmus die Messwerte liest, desto besser klingt die digitale Aufzeichnung. Ein mikroskopischer Quantifizierungsfehler ist jedoch unvermeidbar.

Computer verwenden Speicher zum Speichern von Informationen – Milliarden winziger elektrischer Schalter, die sich nur in zwei Positionen befinden können: Ein oder Aus. Die Position eines dieser Schalter ist etwas informativ. Der CD-Standard bietet 16 Bit für Audio, was 65.536 verschiedene Werte für die Codierung bietet.

Wie unterscheiden sich digitale Audioformate?
Digitaler Ton ist eine sehr lange Folge von Zahlen. Diese Nummern können jedoch auf unterschiedliche Weise codiert werden. Auf einer CD werden beispielsweise Musikdateien im WAV-Format gespeichert. Das Hauptproblem besteht darin, dass es zu viel Platz beansprucht, da alle Informationen ohne Verwendung von Komprimierungsalgorithmen digitalisiert werden.

Um den Platzbedarf zu reduzieren, wurden mathematische Algorithmen erfunden – Audio-Codecs, die digitale Audiodaten nach bestimmten psychoakustischen Modellen komprimieren. Es gibt jedoch zwei Haupttypen der Komprimierung: verlustfreie Komprimierung und verlustbehaftete Komprimierung.

Das bekannteste verlustbehaftete Komprimierungsformat ist MP3. Die Entwickler haben sich darauf verlassen, dass das menschliche Ohr nicht perfekt ist und viele redundante Informationen in unkomprimiertem Ton übertragen werden. Der Algorithmus unterteilt das gesamte Frequenzspektrum in kleine Teile und eliminiert dann Geräusche, die vom Menschen praktisch nicht wahrgenommen werden.

Die Qualität von MP3-Dateien ist im Vergleich zum Original unwiederbringlich beeinträchtigt, aber die Datei selbst kann zehnmal “leichter” sein als das Original. In diesem Fall kann der Benutzer den Komprimierungsgrad der Datei auswählen. Dafür gibt es eine Bitrate; In der Tat ist dies der Platz, der benötigt wird, um eine Sekunde Musik zu speichern.