Digitaler Sound und Samplerate
Angesichts der großen Verfügbarkeit kostengünstiger digitaler Audiogeräte laden wir Sie ein, sich digitales Audio genauer anzusehen.
Akustischer Schall ist ein kontinuierlicher Prozess in Zeit und Amplitude, dh der Luftdruck ändert sich gleichmäßig mit der Zeit und springt nicht von einem Wert zum anderen. Akustischer Schall kann mit einem Mikrofon in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das abhängig von der Änderung des Luftdrucks die am Ausgang erzeugte elektrische Spannung ändert. Nach der Umwandlung eines akustischen Schalls in ein elektrisches Signal bleibt die Kontinuität in Zeit und Amplitude erhalten: Die Signalspannung ändert sich genauso wie der Luftdruck, weshalb dieser Schall als analog bezeichnet wird. Wir können ein elektrisches Signal auf einem Magnetband aufzeichnen und es mithilfe eines Lautsprechers, der als “Rückwärtsmikrofon” fungiert, wieder in Ton umwandeln – er bewegt Luft als Reaktion auf Spannungsänderungen. Beziehungsweise,
Trotz der Tatsache, dass das analoge elektrische Signal seit Jahrzehnten regelmäßig der Menschheit dient, wurde einigen seiner Vertreter (der Menschheit) im Laufe der Zeit klar, dass das analoge Signal und die magnetische Aufzeichnung nicht die besten Übertragungs- und Übertragungswege sind Speichern von Audioinformationen, da sowohl während der Übertragung als auch während der Speicherung auftreten. unvermeidbare Verluste, d. h. Schallverschlechterung. Gleichzeitig kann die Übertragung und Speicherung von Daten auf Computern, die ausschließlich mit digitalen Daten arbeiten, verlustfrei erfolgen. Die Frage ist nur, wie man analoges Audio in digitales konvertiert und umgekehrt.
Um das erste Problem zu lösen, gibt es spezielle Geräte, die als Analog-Digital-Wandler (ADCs) bekannt sind. Diese Geräte sind in der Lage, ein kontinuierliches analoges Signal in eine Folge von getrennten Zahlen umzuwandeln, dh diskret zu machen (Englisch diskret – getrennt, bestehend aus getrennten Teilen). Die Umwandlung erfolgt wie folgt: Das Gerät misst die Amplitude des Analogsignals mehrmals pro Sekunde und gibt die Messergebnisse in Form von Zahlen aus.
Analogsignal
Probenahme
Abgetastetes Signal
Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist das Messergebnis kein genaues Analogon eines kontinuierlichen elektrischen Signals. Wie viel kostet digitaler Sound im Vergleich zu analogem? Offensichtlich ist diese Entsprechung umso vollständiger, je öfter die Messungen durchgeführt werden und je genauer sie sind. Die Häufigkeit, mit der Messungen durchgeführt werden, wird als Abtastrate bezeichnet. Die Genauigkeit von Amplitudenmessungen wird durch die Anzahl der Bits angegeben, die zur Darstellung des Messergebnisses verwendet werden. Dieser Parameter wird als Bittiefe bezeichnet.
Abtastrate
Die Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal besteht also aus zwei Stufen: Abtastung in der Zeit und Quantisierung in der Amplitude. Zeitabtastung bedeutet, dass das Signal durch eine Anzahl seiner Abtastwerte (Abtastwerte) dargestellt wird, die in regelmäßigen Abständen entnommen werden. Wenn wir beispielsweise sagen, dass die Abtastrate 44,1 kHz beträgt, bedeutet dies, dass das Signal 44.100 Mal pro Sekunde gemessen wird (in MO wird normalerweise der verständlichere Begriff “Abtastrate” verwendet, jedoch “Abtastrate” “ist korrekter.).
Das Hauptproblem in der ersten Stufe der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal (Digitalisierung) besteht darin, die Abtastfrequenz des analogen Signals zu wählen. Wie bereits erwähnt, ist das digitale Signal umso näher am analogen, je höher die Frequenz ist. Im Verhältnis zur Frequenzzunahme nimmt jedoch Folgendes zu: a) Die Intensität des digitalen Datenstroms und die Bandbreitenfähigkeiten der Schnittstellen sind nicht unbegrenzt, insbesondere wenn mehrere Kanäle gleichzeitig aufgezeichnet / abgespielt werden; b) die Rechenlast digitaler Effektprozessoren und ihre Rechenfähigkeiten sind ebenfalls begrenzt; c) die zum Speichern des digitalen Signals erforderliche Speichermenge. Offensichtlich ist ein Kompromiss erforderlich.
Die Wahl der Abtastfrequenz beeinflusst den Frequenzbereich des empfangenen digitalen Tons oder die maximale Frequenz eines analogen Signals, das in digital korrekt dargestellt wird. Es wird angenommen, dass der Frequenzbereich, den eine Person hört, 20 bis 20.000 Hz beträgt. Gemäß dem bekannten Nyquist-Theorem ist die Abtastfrequenz genau, damit ein analoges (zeitkontinuierliches) Signal aus seinen Abtastwerten genau rekonstruiert werden kann Es muss mindestens doppelt so hoch sein wie die maximale Audiofrequenz. Eine Audiofrequenz, die der Hälfte der Abtastfrequenz entspricht, wird als Nyquist-Frequenz bezeichnet und ist die maximale Frequenz, die ein bestimmtes digitales System korrekt speichern und wiedergeben kann. Wenn also das echte analoge Signal, das wir digitalisieren wollen, Frequenzkomponenten von 0 Hz bis 20 kHz enthält.
