24/192 digitales Audioformat und warum es keinen Sinn macht. Teil 4
Missverstehen Sie den Probenahmevorgang
Die Abtasttheorie ist ohne den Kontext der Signalverarbeitung oft nicht nachvollziehbar. Und es ist kein Wunder, dass die meisten Menschen, selbst brillante Ärzte in anderen Bereichen, es nicht verstehen. Es ist auch nicht verwunderlich, dass viele Menschen nicht einmal merken, dass sie einen Fehler machen.
Die abgetasteten Signale werden häufig als gezackte Leiter dargestellt, wie in der obigen Abbildung (in rot) dargestellt, was eine grobe Annäherung an das ursprüngliche Signal zu sein scheint. Diese Darstellung ist jedoch mathematisch genau, und wenn sie in ein analoges Signal umgewandelt wird, wird ihr Diagramm glatt (blaue Linie in der Abbildung).
Das häufigste Missverständnis ist, dass die Probenahme ein grober Prozess ist und zu Informationsverlust führt. Das diskrete Signal wird oft als gezackte, eckige, abgestufte Nachbildung der ursprünglichen, perfekt glatten Wellenform dargestellt. Wenn Sie dies glauben, können Sie davon ausgehen, dass die Schritte umso kleiner und die Näherung umso genauer sind, je höher die Abtastrate (und mehr Bits pro Abtastung) ist. Das digitale Signal ähnelt immer mehr einer analogen Form, bis es mit einer Abtastrate nahe der Unendlichkeit Gestalt annimmt.
In ähnlicher Weise sehen sich viele Leute, die nicht digitale Signale verarbeiten, das Bild unten an und sagen: “Ugh!” Es kann den Anschein haben, dass das diskrete Signal die hohen Frequenzen der analogen Wellenform nicht gut darstellt, oder mit anderen Worten, wenn die Frequenz des Tons zunimmt, die Abtastqualität abnimmt und der Frequenzgang sich verschlechtert oder empfindlich wird die Phase des Eingangssignals.
Es sieht einfach so aus. Diese Überzeugungen sind falsch!
Alle Signale unterhalb der Nyquist-Frequenz (die Hälfte der Abtastrate) werden während der Abtastung perfekt und vollständig erfasst, und eine unendlich hohe Abtastrate ist hierfür nicht erforderlich. Die Abtastung beeinflusst weder den Frequenzgang noch die Phase. Das analoge Signal kann verlustfrei wiederhergestellt werden, so flüssig und synchron wie das Original.
Sie können nicht mit der Mathematik streiten, aber was sind die Schwierigkeiten? Am bekanntesten ist die Anforderung der Bandbreitenbegrenzung. Signale oberhalb der Nyquist-Frequenz sollten vor dem Abtasten gefiltert werden, um Alias-Verzerrungen zu vermeiden. Der berüchtigte Anti-Aliasing-Filter verhält sich wie dieser Filter. Die Unterdrückung von Abtastrauschen ist in der Praxis möglicherweise nicht perfekt, aber moderne Technologien ermöglichen es Ihnen, dem idealen Ergebnis sehr nahe zu kommen. Und wir kommen zum Oversampling.
Überabtastung
Abtastraten über 48 kHz sind für High-Fidelity-Audio nicht relevant, aber für einige moderne Technologien erforderlich. Oversampling (Oversampling) ist das bedeutendste von ihnen [7].
Die Idee des Oversamplings ist einfach und elegant. Vielleicht erinnerst du dich an mein Video „Digitale Medien. Ein Leitfaden für Anfängerfreaks “, dass die hohen Abtastraten eine viel größere Lücke zwischen der höchsten Frequenz (20 kHz) und der Nyquist-Frequenz (die Hälfte der Abtastrate) bieten. Dies ermöglicht einfachere und robustere Anti-Aliasing-Filter und verbessert die Wiedergabetreue. Dieser zusätzliche Raum zwischen 20 kHz und der Nyquist-Frequenz ist im Wesentlichen ein Puffer für das Analogfilter.
Die obige Abbildung zeigt Diagramme aus dem Video „Digitale Medien. Ein Leitfaden für Anfänger, der die Übergangsbandbreite für einen DAC oder ADC bei 48 kHz (links) und 96 kHz (rechts) veranschaulicht.
Dies ist nur die halbe Miete, da digitale Filter weniger praktische Einschränkungen aufweisen als analoge Filter und wir die Glättung präziser und effizienter durchführen können. Das trockene Hochfrequenzsignal durchläuft ein digitales Anti-Aliasing-Filter, das das Übergangsband des Filters problemlos auf engstem Raum platziert. Sobald das Richten abgeschlossen ist, werden die zusätzlichen diskreten Abschnitte im Polsterraum einfach zurückgefaltet. Das überabgetastete Signal wird umgekehrt wiedergegeben.
Dies bedeutet, dass Signale mit einer niedrigen Abtastrate (44,1 kHz oder 48 kHz) möglicherweise dieselbe Wiedergabetreue, gleichmäßige Reaktion und geringes Aliasing aufweisen wie Signale mit einer Abtastrate von 192 kHz oder höher, aber keines von ihnen wird angezeigt. . Nachteile (Ultraschallwellen, die Intermodulationsverzerrungen verursachen, erhöhte Dateigröße). Fast alle modernen DACs und ADCs überabtasten mit sehr hohen Geschwindigkeiten, und nur wenige Menschen wissen dies, da dies automatisch im Gerät geschieht.
DACs und ADCs konnten nicht immer überabtasten. Vor 30 Jahren verwendeten einige Aufnahmekonsolen hohe Abtastraten für die Tonaufnahme, wobei nur analoge Filter verwendet wurden. Dieses Hochfrequenzsignal wurde später zur Erstellung von Stammsätzen verwendet.