Ist das digitale Signal während der Übertragung und Speicherung verzerrt?


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Ist das digitale Signal während der Übertragung und Speicherung verzerrt?

DIGITAL AUDIO

Da jedes digitale Signal als reale elektrische Spannungs- oder Stromkurve dargestellt wird, wird seine Form während einer Übertragung auf die eine oder andere Weise verzerrt, und ein zur Speicherung “eingefrorenes” Signal (Signalogramm) unterliegt aus physikalischen Gründen einer Verschlechterung. verbreitet.

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Alle diese Einflüsse auf die Form des Trägersignals sind Interferenzen, die bis zu einem bestimmten Wert den Informationsgehalt des Signals nicht verändern, da individuelle Verzerrungen und Buchstabenverluste in Wörtern das korrekte Verständnis von Wörtern im Allgemeinen nicht beeinträchtigen. Wörter und Informationsredundanz, wie z. B. eine Erhöhung der Länge der Wörter, erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Erkennung. … Mit anderen Worten, das Trägersignal selbst kann verzerrt sein, aber die darin enthaltenen Informationen, das codierte Audiosignal, bleiben in den allermeisten Fällen unverändert.

Damit sich die Qualität des Trägersignals nicht verschlechtert, muss jede Übertragung nützlicher Audioinformationen (Kopieren, Schreiben auf einen Träger und Lesen) notwendigerweise den Vorgang des Wiederherstellens der Form des Trägersignals und im Idealfall der digitalen Form umfassen Primär des Informationssignals, und erst danach kann das neu erzeugte Trägersignal an den nächsten Verbraucher übertragen werden. Bei einer direkten Kopie ohne Wiederherstellung (z. B. einfaches Umschreiben einer Videokassette mit einem digitalen Signal, das mit einem PCM-Decoder in herkömmlichen Videorecordern erhalten wurde) verschlechtert sich die Qualität des digitalen Signals, obwohl es immer noch alle darin enthaltenen Informationen enthält. Nach wiederholten aufeinanderfolgenden Kopien oder Langzeitspeicherung verschlechtert sich die Qualität jedoch so sehr, dass nicht behebbare Fehler auftreten, die die vom Signal übertragenen Informationen irreversibel verzerren. Daher sollte das Kopieren und Übertragen digitaler Signale nur auf digitalen Geräten erfolgen und, wenn sie auf Medien gespeichert sind, rechtzeitig “aktualisiert” werden, ohne auf eine irreversible Verschlechterung zu warten (für magnetische Medien wird dieser Zeitraum auf mehrere Jahre geschätzt ). Ein ordnungsgemäß übertragenes oder aktualisiertes digitales Signallogramm verliert nicht an Qualität und kann kopiert werden und für immer in absolut unveränderter Form existieren. ohne auf einen irreversiblen Abbau zu warten (für magnetische Träger wird dieser Zeitraum auf mehrere Jahre geschätzt). Ein ordnungsgemäß übertragenes oder aktualisiertes digitales Signallogramm verliert nicht an Qualität und kann kopiert werden und für immer in absolut unveränderter Form existieren. ohne auf einen irreversiblen Abbau zu warten (für magnetische Träger wird dieser Zeitraum auf mehrere Jahre geschätzt). Ein ordnungsgemäß übertragenes oder aktualisiertes digitales Signallogramm verliert nicht an Qualität und kann kopiert werden und für immer in absolut unveränderter Form existieren.

Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass die Richtigkeit eines Codes endlich ist und die tatsächlichen Träger bei weitem nicht ideal sind. Daher ist das Auftreten nicht behebbarer Fehler eine so seltene Sache, insbesondere bei unachtsamer Handhabung des Trägers. Beim Lesen neuer und korrekt gespeicherter DAT-Kassetten oder -CDs auf hochwertigen und zuverlässigen Geräten treten diese Fehler praktisch nicht auf. Bei Alterung, Verunreinigung und Beschädigung von Medien und Lesesystemen treten sie jedoch häufiger auf. Ein einzelner unkorrigierter Fehler ist aufgrund der Interpolation für das Ohr fast immer unsichtbar, führt jedoch zu einer Verzerrung des ursprünglichen Tonsignals, und die Anhäufung solcher Fehler im Laufe der Zeit ist im Ohr zu spüren.

Ein weiteres Problem ist die Schwierigkeit, nicht korrigierte Fehler aufzuzeichnen und die Identität des Originals und der Kopie zu überprüfen. Sehr oft kümmern sich Entwickler von digitalen Audiogeräten, die in Echtzeit arbeiten, nicht um die Frage der genauen Überprüfung der Zuverlässigkeit der Übertragung, da die Maßnahmen zur Korrektur der Fehler ausreichend sind. Im allgemeinen Fall führt die Unmöglichkeit der erneuten Übertragung eines fehlerhaften Samples oder Blocks zu einer geheimen Interpolation, und nach dem Kopieren kann nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob das ursprüngliche Signal genau kopiert wurde. Fehleranzeigen, die auf einigen Geräten zu finden sind, leuchten normalerweise nur zum Zeitpunkt ihres Auftretens auf, und bei einzelnen Fehlern kann ihre Funktion leicht unbemerkt bleiben. Selbst in PC-basierten Systemen ist es oft unmöglich, die Empfangsgenauigkeit über eine digitale Schnittstelle oder das direkte Lesen von einer CD zu steuern. Der einzige Ausweg besteht darin, den Vorgang zu wiederholen und die Ergebnisse zu vergleichen.


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Was sind die Vor- und Nachteile von digitalem Audio?

Was sind die Vor- und Nachteile von digitalem Audio?

Digital Audio

Die digitale Darstellung von Ton ist vor allem für die Möglichkeit der endlosen Speicherung und Wiedergabe ohne Qualitätsverlust wertvoll; Die Umstellung von analog auf digital und umgekehrt führt jedoch zwangsläufig zu einem teilweisen Verlust.

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Die unangenehmsten Verzerrungen, die in der Digitalisierungsstufe eingeführt werden, sind das granulare Rauschen, das auftritt, wenn das Signal aufgrund der Rundung der Amplitude auf den nächsten diskreten Wert durch den Pegel quantisiert wird. Im Gegensatz zu einfachem Breitbandrauschen, das durch Quantisierungsfehler verursacht wird, ist granulares Rauschen die harmonische Verzerrung des Signals, die im oberen Teil des Spektrums am deutlichsten erkennbar ist.

Die Leistung des körnigen Rauschens ist umgekehrt proportional zur Anzahl der Quantisierungsschritte; Aufgrund der logarithmischen Charakteristik des Hörens mit linearer Quantisierung (konstanter Schrittwert) haben leise Töne weniger Quantisierungsschritte als laute Töne, und infolgedessen fällt die Hauptdichte nichtlinearer Verzerrungen in den Bereich der Töne. Leise. Dies führt zu einer Begrenzung des Dynamikbereichs, die idealerweise (ohne Berücksichtigung der harmonischen Verzerrung) dem Signal-Rausch-Verhältnis entspricht. Die Notwendigkeit, diese Verzerrung zu begrenzen, verringert jedoch den Dynamikbereich für die 16-Bit-Codierung auf 50-60 dB. Die Situation hätte durch logarithmische Quantifizierung gerettet werden können, aber ihre Implementierung in Echtzeit ist sehr schwierig und teuer.

Die durch granulares Rauschen verursachte Verzerrung kann verringert werden, indem dem Signal normales weißes Rauschen (zufälliges oder pseudozufälliges Signal) mit einer Amplitude von der Hälfte des niedrigstwertigen Bits hinzugefügt wird; Eine solche Operation wird Dithering genannt. Dies führt zu einem leichten Anstieg des Rauschpegels, schwächt jedoch die Korrelation von Quantisierungsfehlern mit den Komponenten des Hochfrequenzsignals und verbessert die subjektive Wahrnehmung. Anti-Aliasing wird auch angewendet, bevor die Samples durch Verringern ihrer Bittiefe gerundet werden. Dithering und Rauschformung sind im Wesentlichen Sonderfälle derselben Technologie, mit dem Unterschied, dass im ersten Fall weißes Rauschen mit einem flachen Spektrum und im zweiten Fall Rauschen mit einem Spektrum mit einer “Form” verwendet wird “Besondere.

Beim Wiederherstellen von Audio von digital auf analog besteht das Problem, die gestufte Wellenform zu glätten und die durch die Abtastrate eingeführten Harmonischen zu unterdrücken. Aufgrund der Unvollkommenheit des Frequenzgangs der Filter kann eine unzureichende Unterdrückung dieser Störung oder eine übermäßige Dämpfung nützlicher Hochfrequenzkomponenten auftreten. Schlecht unterdrückte Oberwellen der Abtastrate verzerren die Form des analogen Signals (insbesondere im Hochfrequenzbereich), was zu einem “rauen” und “schmutzigen” Klang führt.

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

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

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.

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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

Digitale Audioformate: So wählen Sie das beste aus

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?

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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.